一种提高玉米水分利用效率的方法和系统与流程
本发明涉及一种提高玉米水分利用效率的方法和系统，是一种节水环保的农田管理措施，是一种提高农作物水分利用效率的方法和系统。
背景技术：
玉米是主要粮食作物，而在半干旱的旱作农业区，水资源贫乏成为限制玉米高产的主要因子，植物个体间竞争最强烈的环境资源是土壤水分，而根系是竞争水分最主要的器官。根系生长发育状况与作物产量密切相关，合理调控根系生长可以促进作物地上部与地下部的协调发展，有利于作物产量提高。
在农业生产实践中，通过合理的农艺措施促进地上、地下群体协调发展，实现作物水资源的高效利用，一直是旱地农业研究的重点。
目前，利用断根（伤根）的方式，在产量变化不大的条件下，提升作物水分利用效率。然而该方法会造成断根部位“伤流”，从断根处流出的液体富含作物生长所需的养分，流失太多，会造成长势衰弱，断根后一段时间内作物长势收到影响，甚至会因为断根部位坏死造成作物减产甚至枯萎。
技术实现要素：
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种提高玉米水分利用效率的方法和系统。所述的方法和系统根据玉米前期长势和干旱评估，确定需要断根量，根据玉米根系发育情况确定断根位置、深度和角度利用机械装置，在断根的同时对断根部位进行加热，从而避免断根部位“伤流”，避免伤流液的蒸发以及异物的进入，减轻甚至消除断根后作物长势受到影响的情况发生，有效提升玉米的水资源利用效率和抗旱保产效益与效果。
本发明的目的是这样实现的：一种提高玉米水分利用效率的方法，所述方法的步骤如下：
农作物干旱程度评估的步骤：首先评估历史长序列条件下，作物不同生育期的干旱程度，并评估当前生育期的真实干旱程度；如果：真实干旱程度大于历史干旱程度，同时历史干旱程度的评估表明，其干旱为加强趋势，即下一个生育期干旱程度大于当前生育期，则需要根据当前生育期的真实干旱程度确定切根量；
选择断根时期的步骤：根据玉米生长过程，选择玉米拔节期作为进行断根处理的时机；
确定切根量的步骤：根据气候和土壤的干湿程度，确定10%～40%的断根切根量；
玉米当前生育期根系空间分布计算的步骤：根据根系较完全的发育阶段的资料，利用多种函数进行拟合，根据相对误差较小、相关较显著的原则，建立的玉米根系生长模型，根据玉米根系生长模型确定玉米根系分布；
确定断根深度的步骤：根据玉米根系分布确定断根深度；
确定断根位置的步骤：根据玉米根系生长模型所确定的玉米根系分布，以主茎为中心划圆，圆内包含的根系干重占总干重比例为25%～50%，以所述圆与株行平行的切线为断根位置；
断根的步骤：按照所选择的断根时机、断根位置和断根深度，对玉米的根系进行切断作业，去掉部分次生根，在对玉米的根系切断的同时对切断部位进行凝结处理，阻止伤流，减少断根对农作物根系的伤害。
进一步的，所述的断根位置为距主茎两侧23cm、20cm、18cm、15cm厘米处，断根深度为：垂直下切20厘米，切根量分别为10%、20%、30%、40%。
一种实现上述方法的提高玉米水分利用效率的系统，所述系统包括：安装在拖拉机车架上的至少一套断根刀和安装断根刀的刀架，所述的断根刀或刀架上安装有凝结器，所述的凝结器与安装在拖拉机上的凝结器电源连接。
进一步的，所述的刀架或连接架上设有切深控制机构，一组断根刀之间设有切位控制机构。
进一步的，所述的断根刀和凝结器是带有超声波换能器刀具，所述的超声波换能器与安装在拖拉机上的超声波电源连接。
进一步的，所述的带有超声波换能器的刀具是镰刀形刀具或圆盘形刀具。
进一步的，所述的断根刀是外缘有切齿的圆盘形刀具，所述的凝结器是电凝结器，所述的电凝结器与安装在拖拉机上的电凝结器电源连接。
进一步的，所述的电凝结器是沿刀盘径向开出的窄缝，所述窄缝中成对设置电极。
进一步的，所述的圆盘形刀具通过传动轴与拖拉机的动力轴连接。
本发明产生的有益效果是：本发明所述方法采用对气候和田间的湿润程度进行评估，以及根据玉米前期长势和干旱评估，确定断根量。通过建立根系分布数学模型，以判断玉米根系发育情况，由此确定断根时机、位置、深度等参数。所述的系统采用断根凝结的方法，阻止农作物根系被切断后从切断刀流出营养液体，尽量减少伤流，使断根后的农作物快速回到原有的长势，避免因为断根部位坏死造成作物减产甚至枯萎，提高了农作物生长过程中的水资源利用率，改善和保持了农田的土壤墒情和肥力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是玉米根系和本发明实施例二所述玉米植株行两侧断根切割的位置示意图；
图2是本发明的实施例二所述玉米植株行两侧断根切割的位置示意图；
图3是本发明的实施例三所述系统的结构示意图；
图4是本发明的实施例三所述系统的结构示意图，是图3中a-a剖面图；
图5是本发明的实施例八所述电凝结器的圆盘形断根刀的示意图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种提高玉米水分利用效率的方法。所述方法的步骤如下：
（一）农作物干旱程度评估的步骤：首先评估历史长序列条件下，作物不同生育期的干旱程度，并评估当前生育期的真实干旱程度；如果：真实干旱程度大于历史干旱程度，同时历史干旱程度的评估表明，其干旱为加强趋势，即下一个生育期干旱程度大于当前生育期，则需要根据当前生育期的真实干旱程度确定切根量。
干旱评估：可以使用帕尔默法和修正的pdsi指数的计算法。
（1）帕尔默法：帕尔默（palmer，有人译为帕默尔）认为干旱期是一个水分持续亏缺的时段，旱度可以认为是水分亏缺量及其持续时间的函数，在这个定义基础上于1965年提出了能够进行干旱程度分析的帕尔默干旱指数（有人译为“旱度模式”），并以palmer干旱指数（pdsi，palmerdroughtseverityindex）表示干旱的严重程度。该模式的建立中，palmer首次提出了有别于长期平均降水量的“当前气候适宜”（cafec，climaticallyappropriateforexistingcondition）的降水量（
pdsi指数的计算方法：帕尔默指数的计算过程较复杂，首先计算各水分平衡分量，求出有关气候系数、蒸散系数、补水系数、径流系数和失水系数，进而得到对当前情况来说，气候上适宜的降水量
第一步：由长期气象资料序列计算出月水分平衡各分量的实际值、可能值及平均值，包括实际蒸散量et、可能蒸散量pe、实际径流量ro、可能径流量pro、实际补水量r、可能补水量pr、实际失水量l和可能失水量pl；
第二步：α、β、γ和δ被分别称之蒸散发系数、补水系数、径流系数和失水系数，它们的计算表达式分别为
第三步：计算气候上适宜的降水量：
式中
第四步：计算水分盈亏值，
第五步：计算水分异常指数，
为了得到一个与时、空相对独立的干旱指数，帕尔默经过多次经验处理，给出了一个反映地区供需关系的气候特征常数k作为权重因子，k的计算表达式为：
式中d为各月d的绝对值的平均。权重因子k经过修正后写为k，则最后的水分距平指数为：
第六步：在以上基础上，进一步考虑持续时间因素建立palmer干旱指数计算公式：
式中：i——第i个月；xi——当月的干旱指数；xi-1——前一月的干旱指数。
（2）修正的pdsi指数的计算方法：
研究人员根据中国济南、郑州资料得到修正的pdsi指数公式：
xi=zi/57.136+0.805xi-1(1.5)
华北地区干旱级别确定：通过采用中国气象局整编的1951年～2000年中国160站气温、降雨月平均资料，计算华北地区逐月平均pdsi指数，对比palmer指数干湿等级，确定华北大部为中度干旱且旱涝的持续性非常强，特别是1999年～2000年，华北地区干旱特别严重。为了保证玉米在干旱条件下有一定产量，提出断根的方式，提高根部水分利用效率，使产量尽可能稳定。
（二）选择断根时期的步骤：根据玉米生长过程，选择玉米拔节期作为进行断根处理的时机。
玉米的生育期包括：出苗期、拔节期、抽雄期、开花期、吐丝期、成熟期。其中，拔节期阶段主要是进行根、叶的生长和茎节的分化。夏玉米花粒期（抽雄-成熟），历时30～40d，此期营养生长基本结束，转为以开花散粉、受精结实为中心的生殖生长时期，是形成产量、决定穗粒数和粒重的关键时期。因此，根据玉米的生育期，切根时间点选定在拔节期（7月中下旬）。
（三）确定切根量的步骤：根据气候和土壤的干湿程度，确定10%～40%的断根切根量。
切根量一般在10%～40%之间，根据华北四个干湿等级：轻微干旱、中等干旱、严重干旱和极端干旱，分别将切根量定为10%、20%、30%、40%，具体如下表所示。
（四）玉米当前生育期根系空间分布计算的步骤：根据根系较完全的发育阶段的资料，利用多种函数进行拟合，根据相对误差较小、相关较显著的原则，建立的玉米根系生长模型，根据玉米根系生长模型确定玉米根系分布。
根据前期影响玉米根系发育的主要指标情况，选定玉米根系计算模型参数，然后利用模型计算出玉米根系分布情况，结合上文确定的切根量，确定切根的位置、深度和角度。
玉米根系分布的数学模拟方法：玉米根系纵向分布模拟和横向分布模拟均采用以下公式：
进行玉米根系横纵向分布数学拟合，式中，y表示根系累积长度（cm），在根系纵向分布计算时，k表示土层深度（cm）；在根系横向分布计算时，x表示离植株中心的距离（cm）；k，a，b为根系模型参数，根据影响玉米根系发育的积温和土壤水分、降雨等因素以及玉米品种及生育期，确定模型参数。这里取k=1287，a=0.017，b=0.071为例。
确定玉米根系分布：有关人员通过对该方程拟合得到如下结果：在玉米根系纵向分布中，拔节期根系总量的50%分布在0～20cm的土层内，根系总量的90%分布在0～35cm的土层内；在玉米根系横向分布中，拔节期根系总量的65%分布在0～20cm的固定半径土层中，根系总量的90%分布在0～33cm的半径土层内。
（五）确定断根深度的步骤：根据玉米根系分布确定断根深度。
从上述玉米根系分布可以看出，主要根系分布在0～20cm的土层内，同时为了方便断根机械设备的操作，将切割的深度定为20cm并采用垂直切割方式。
（六）确定断根位置的步骤：根据玉米根系生长模型所确定的玉米根系分布，以主茎为中心划圆，图2中以圆圈d表示，圆内包含的根系干重占总干重比例为25%～50%，以所述圆与株行平行的切线为断根位置。
根据根系分布拟合方程得出，深度为20cm时，根系的累积长度y=205cm。当断根率为10%时，代入拟合方程得相应的根系累积长度y=184.8cm，并由公式反推得离玉米茎的中心距离x约为23cm。故综上计算得出，断根率为10%时，需要在离玉米植株的中心距离23cm处垂直向下切割20cm。同理，根据上述方法，分别算出断根率为20%、30%、40%时离玉米植株的中心距离x为20cm、18cm、15cm。
（七）断根的步骤：按照所选择的断根时机、断根位置和断根深度，对玉米的根系进行切断作业，去掉部分次生根，在对玉米的根系切断的同时对切断部位进行凝结处理，阻止伤流，减少断根对农作物根系的伤害。
以中国北方大面播种的玉米为例，这些玉米多为夏玉米，一般在6月初播种，经过苗期、拔节、抽雄、开花、吐丝、乳熟到成熟，一般在10月初收获。
根量的大小主要表现在根重和根长上。根重是抗倒性、抗旱性的主要指标之一，根重密度是指单位体积内的根重。根长是衡量根系生长和吸收能力的重要指标，根长密度是单位土壤体积中的根长。
玉米根系一般按其发生时期、部位、形态和功能，分为初生根(胚根)、次生根和支持根。玉米在不同生育期间其根系向下生长的速率存在差异，即抽雄期到吐丝期向下生长速率最大，苗期到拔节期仅次于抽雄期到吐丝期，拔节期到抽雄期生长速率最小。玉米根长基本随土壤深度增加而递减，0～20cm土层根长占整层根长的比重最大；随着深度增加，玉米根长密度基本上呈递减型，0～20cm土层的根长密度最大，玉米根重密度基本上随土壤深度增加而减少。
因此玉米的伤根位置根据前述操作步骤中确定的具体位置进行断根，其数值范围既保留了主要根系保证玉米的生长，又达到了伤根目的。
伤根对玉米生长的影响是先抑制后促进，伤根后初期会抑制玉米的光合速率、叶面积和生物量的增加，从而抑制玉米的生长；但到后期（一般伤根后20天左右）恢复正常并能促进玉米的生长，促进玉米的光合作用以及光合产物的积累，同时还可以提高叶片水平的水分利用效率，最后能够增加产量。另一方面也说明玉米伤根的时间不能太迟，如果太迟伤根对玉米的生长就只有抑制作用，所以选在苗期伤根。如果在玉米抽雄期进行伤根处理，玉米在伤根后的后几天就开始开花、吐丝，此时伤根后的恢复期正是玉米产量形成的关键时期，如果此时玉米的生长受到抑制，会大大降低玉米的产量及生物量。
实施例二：
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于断根位置的细化。本实施例所述的断根位置为距主茎两侧x1=23cm、x2=20cm、x3=18cm、x4=15cm厘米处，见图1、2，断根深度h为：垂直下切20厘米，见图1，切根量分别为10%、20%、30%、40%。
北方夏玉米一般在6月初播种，一个星期左右出苗，玉米的断根时间选在玉米的苗期，在玉米生长到5-6叶时进行断根处理，去掉部分次生根，图2中标出下切位置。这种玉米苗期伤根措施显著地提高了玉米的整体产量、减少了耗水量，伤根理后玉米的生物生物产量水分利用效率都提高了，籽粒产量也有提高。
生物量水分利用效率按以下公式计算:
生物量水分利用效率=生物产量/耗水量。
实施例三：
本实施例是一种实现上述方法的提高玉米水分利用效率的系统，所述系统包括：安装在拖拉机车架上的至少一套断根刀1和安装断根刀的刀架2，所述的断根刀或刀架上安装有凝结器3，所述的凝结器与安装在拖拉机4上的凝结器电源5连接，如图3、4所示。
本实施例是一种实现上述断根方法的机械化断根作业的系统。系统包括：
断根刀：可以是超声波断根刀，也可以是电凝断根刀。
刀架上可以安装定位装置：采用激光测距仪+进位步进电机+倾斜步进电机，测定中轴与植株之间的距离，调整刀具相对位置和角度。
可以在拖拉机上安装控制台：显示刀具与植株距离、刀具切入角度，以便调整。
动力装置：在凝结器需要较大功率的情况下可以采用：专用柴油发电机，并配置逆变器近似电压、电流、频率的转换。
适当的配重：用于根据切根时的土壤阻力对整个切割系统需要的自重进行增减调节。
断根刀可以采用类似镰刀那样的器具，直接插入土壤中，由拖拉机带动向前行进，利用刀锋的切割能力切断根系。也可以采用圆盘形的断根刀，并使圆盘形的边缘形成锋利的刀口，或使用超声波产生振动的道具，这样圆盘形的边缘无需过于锋利的刀锋，也可以有效地进行断根作业。还可以在圆盘形的外缘设置切齿，利用拖拉机的动力轴带动圆盘转动，用切齿切断根系。
刀架是连接拖拉机和断根刀之间的连接件，当断根刀为需要旋转运动的圆盘形断根刀时，刀架上还有安装旋转轴，当断根刀上安装有超声波换能器时，刀架还应当有隔绝振动的作用，以避免超声波振动传递到拖拉机车架上。
凝结器可以是超声波凝结器和电凝结器。超声波凝结器是利用超声波振动的作用，产生摩擦生热，使根系断口凝结。电凝结器是一种利用电极之间由于充斥液体而产生击穿生热的凝结方式。两种方式都可以十分明显的凝结效果，有其各自的优势。
当玉米处于拔节期时，植株的高度不高，可以采用多个断根刀同时作业的方式，以提高作业效率。如：采用在植株行的两侧成对设置两个断根刀的方式，将植株两侧的次生根同时切断。
实施例四：
本实施例是实施例三的改进，是实施例三的关于刀架的细化。本实施例所述的刀架上设有切深控制机构，一组断根刀之间设有切位控制机构。
在断根作业中，各块田地的作物长势不同，植株、根系的大小有差异，因此，断根的距离和深度有需要调整，因此，本实施例设置了切位控制机构以调整切割根系的位置与植株主茎之间的距离。同时还设立了切深控制机构，以调整断根刀切入土壤的深度。
本实施例所述的切深控制机构实际是调整断根刀上下位移的机构，调整结束后就将断根刀紧固锁死，在断根作业中不能松动。
同样，切位控制机构也是调节两个断根刀之间距离的机构，调整结束后将断根刀紧固锁死，在断根作业中不能松动。
实施例五：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于凝结器的细化。本实施例所述的断根刀和凝结器是带有超声波换能器刀具，所述的超声波换能器与安装在拖拉机上的超声波电源连接。
本实施例所使用的凝结器是利用超声波高速震荡，促使物体表面相互摩擦生热的原理。本实施例的具体方案是，在断根刀上安装超声波换能器，是断根刀的刀面与被切断的根系断口之间互相摩擦、生热，促使断口凝结，阻止伤流。
超声波断根刀的刀具可以是刀面宽厚的镰刀形，也可以是圆盘形。
当刀具为镰刀形时，刀锋可以是锋利的，利用锋利的刀锋进行机械切割。刀锋也可以不太锋利的，即利用超声波震动进行切割，但使用超声波切割其超声波换能器所需要的能量较大，必须在拖拉机上安装带有发电机的专门超声波电源和相应的逆变设备。
当刀具是圆盘形时，可以在在圆盘形的外缘上设置切齿，利用切齿对根系进行机械切割，并利用超声波凝结。或者圆盘外缘不设置切齿，直接利用超声波震动进行切割。
使用圆盘形刀具的好处在于有刀面与断口直接由较大的接触面积，有利于根系断口的凝结。
实施例六：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于刀具的细化。本实施例所述的带有超声波换能器的刀具是镰刀形刀具或圆盘形刀具。
实施例七：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于刀具的细化。本实施例所述的断根刀是外缘有切齿的圆盘形刀具，所述的凝结器是电凝结器，所述的电凝结器与安装在拖拉机上的电凝结器电源连接。
本实施例采用的根系断口凝结方式是利用电击加热的方式，将根系断口处炙烧，阻止伤流。电极的安装可以在刀面上，也可以在当时开出窄缝，在窄缝中设置成对的设置电极。当断口经过电极时，断口流出的液体将成对安装的两个电极之间充满，由于液体的导电性，使两个电极击穿，形成火花生热，使断口凝结。
实施例八：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于电凝结器的细化。本实施例所述的电凝结器是沿刀盘径向开出的窄缝101，所述窄缝中成对设置电极102，如图5所示。
本实施例是在刀盘上多条窄缝，图5中开出了四条窄缝，在窄缝中设置电极。窄缝设置的越多则电凝效果越好，但盘形刀具的强度较差。本实施例中刀盘的边缘设有切齿103，用于对根系进行机械切割，因此，本实施例中的刀盘需要有动力带动刀盘绕旋转轴旋转104，以完成切割运动，见图5。
实施例九：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于盘形刀具传动的细化。本实施例所述的圆盘形刀具通过传动轴与拖拉机的动力轴连接。
由于带有切齿的盘形刀需要有动力带动，以完成断根的作用，因此，需要在拖拉机的动力通过传动轴传递到每个圆盘形断根刀上，因此，本实施例设置了传动轴，将各个刀具与拖拉机的动力轴连接在一起，实现动力传递。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如断根刀的形式、系统各要素之间的连接方式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
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