一种基于作物生理负荷的羊草水肥需求动态预测系统及方法

本发明涉及农业水肥智能调控，更具体地说，涉及一种基于作物生理负荷的羊草水肥需求动态预测系统及方法。

背景技术：

1、羊草是禾本科赖草属多年生优质乡土饲草，兼具耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱、生态修复能力强等特性，是我国西北干旱半干旱地区盐碱地治理、草地生态修复与草牧业转型升级的核心草种。近年来，甘肃景泰等国家级盐碱耕地综合治理试点区域，依托本地盐碱地资源规模化发展羊草种子生产，形成了生态治理与种业发展的特色产业模式，水肥调控的精准性直接决定羊草种子产量与盐碱地生产效益，是支撑该产业模式发展的核心技术环节。

2、当前羊草水肥管理仍存在显著技术短板：一是供给与需求错位，传统水肥管理多采用固定时间表、经验定额模式，或仅依据土壤墒情被动调整，未从作物自身生理需求出发，难以响应天气波动、土壤异质性带来的实时需求变化，水肥利用率低，增产效果不稳定；二是静态参数难以动态适配，现有水肥耦合研究多为事后总结的静态区间推荐，无法形成实时预测与动态调控能力，难以适配盐碱地复杂多变的田间环境；三是预测模型缺乏生理内核，现有水肥预测模型多以土壤、气象数据为输入，未将净光合速率、蒸腾速率等反映作物代谢强度的生理指标作为核心调控依据，不能从作物需求端实现精准供给；四是盐碱地专用技术缺失，中重度盐碱地条件下，作物水分与养分代谢受盐分胁迫显著影响，生理负荷规律与正常土壤差异显著，现有通用水肥模型未考虑盐分胁迫修正，应用于盐碱地羊草种子生产时误差大，无法有效解决抽穗率低、结实率低、种子产量不高的产业痛点。鉴于此，我们提出一种基于作物生理负荷的羊草水肥需求动态预测系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种基于作物生理负荷的羊草水肥需求动态预测系统及方法，以解决当前的水肥管理供给需求错位、静态参数无法适配田间动态变化的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于作物生理负荷的羊草水肥需求动态预测方法，包括：

3、识别羊草当前所处的生育阶段，得到当前生育阶段；

4、从预设的基准参数库中调取与所述当前生育阶段对应的基准水肥参数和基准生理阈值；其中，所述基准生理阈值包括基准净光合速率和基准蒸腾速率；

5、获取羊草功能叶片的实时净光合速率和实时蒸腾速率，并将所述实时净光合速率和所述实时蒸腾速率作为核心生理负荷因子；

6、基于所述基准水肥参数和所述基准生理阈值，通过计算所述实时净光合速率与所述基准净光合速率的第一比值、以及所述实时蒸腾速率与所述基准蒸腾速率的第二比值，将所述第一比值作为第一动态修正系数，将所述第二比值作为第二动态修正系数；基于所述第二动态修正系数确定单位面积实时需水量，并基于所述第一动态修正系数确定实时氮需肥量；基于确定的实时氮需肥量折算磷需肥量和钾需肥量；

7、基于所述单位面积实时需水量和所述实时氮需肥量、磷需肥量和钾需肥量，通过将所述单位面积实时需水量映射为灌溉时长、并将所述实时氮需肥量、磷需肥量和钾需肥量映射为施肥流量，生成标准化水肥调控指令，并将所述标准化水肥调控指令输出至灌溉施肥执行设备。

8、优选地，所述基准参数库包括：

9、各所述生育阶段对应的单位面积日基准需水量、单位面积日基准氮施用量、单位面积日基准磷施用量和单位面积日基准钾施用量，其中，所述生育阶段包括返青期、孕穗期、抽穗期、开花期和果后营养期；

10、各所述生育阶段对应的所述基准净光合速率和所述基准蒸腾速率；

11、所述返青期和所述果后营养期的基准需水量与基准氮施用量低于所述孕穗期和所述抽穗期的基准需水量与基准氮施用量；所述开花期的基准磷施用量和基准钾施用量高于所述返青期的基准磷施用量和基准钾施用量。

12、优选地，基于所述基准水肥参数和所述基准生理阈值，通过计算所述实时净光合速率与所述基准净光合速率的第一比值、以及所述实时蒸腾速率与所述基准蒸腾速率的第二比值，并将第一比值和第二比值作为动态修正系数，确定单位面积实时需水量以及实时氮需肥量、磷需肥量和钾需肥量，包括：

13、将单位面积日基准需水量与第二比值的乘积，作为初始实时需水量；

14、将单位面积日基准氮施用量与第一比值的乘积，作为初始实时需氮量；

15、按照当前生育阶段对应的磷折算系数和钾折算系数，分别对初始实时需氮量进行折算，得到初始实时需磷量和初始实时需钾量；

16、根据初始实时需水量、初始实时需氮量、初始实时需磷量和初始实时需钾量，结合土壤环境参数，对所述初始实时需水量、初始实时需氮量进行修正，确定单位面积实时需水量以及实时氮需肥量、磷需肥量和钾需肥量。

17、优选地，实时需水量以单位面积日基准需水量为基础，通过实时蒸腾速率与基准蒸腾速率的比值、土壤墒情修正系数共同修正得到；实时需氮量以单位面积日基准需氮量为基础，通过实时净光合速率与基准净光合速率的比值、盐分胁迫修正系数共同修正得到；实时需磷量与实时需钾量分别按照与实时需氮量的固定配比同步折算。

18、优选地，单位面积实时需水量先按照如下公式计算：

19、；

20、在触发盐碱胁迫阈值的情况下，将所述单位面积实时需水量更新为：

21、；

22、在未触发所述盐碱胁迫阈值的情况下，；

23、所述实时氮需肥量先按照如下公式计算：

24、；

25、在触发所述盐碱胁迫阈值的情况下，将所述实时氮需肥量更新为：

26、；

27、在未触发所述盐碱胁迫阈值的情况下，；

28、其中，为所述单位面积日基准需水量，为所述实时蒸腾速率，为所述基准蒸腾速率，为所述土壤墒情修正系数，为所述灌溉侧盐分提升系数，为所述单位面积日基准氮施用量，为所述实时净光合速率，为所述基准净光合速率，为所述盐分胁迫修正系数；

29、所述实时蒸腾速率与所述基准蒸腾速率的比值被约束在0.7至1.5之间，所述实时净光合速率与所述基准净光合速率的比值被约束在0.7至1.4之间；所述实时氮需肥量不大于1.5倍所述单位面积日基准氮施用量；

30、所述实时磷需肥量等于所述实时氮需肥量乘以所述当前生育阶段对应的磷折算系数，所述实时钾需肥量等于所述实时氮需肥量乘以所述当前生育阶段对应的钾折算系数；

31、所述土壤墒情修正系数基于0-20cm土层土壤相对含水量确定：当时，；当时，；当时，；当时，；其中，所述土壤相对含水量为实测体积含水量与田间持水量的比值。

32、优选地，获取羊草功能叶片的实时净光合速率和实时蒸腾速率之后，且在所述确定单位面积实时需水量以及实时氮、磷、钾需肥量之前，还包括：

33、同步获取所述羊草功能叶片的气孔导度和胞间二氧化碳浓度，作为辅助负荷因子；

34、基于所述气孔导度和所述胞间二氧化碳浓度的组合变化趋势，对所述实时净光合速率进行有效性校验，得到校验后的实时净光合速率；

35、所述确定单位面积实时需水量以及实时氮、磷、钾需肥量，包括：使用所述校验后的实时净光合速率替代所述实时净光合速率参与所述第一比值的计算。

36、优选地，基于所述气孔导度和所述胞间二氧化碳浓度的组合变化趋势，对所述实时净光合速率进行有效性校验，包括：

37、在所述组合变化趋势表征所述气孔导度降低且所述胞间二氧化碳浓度降低的情况下，判定所述实时净光合速率的下降来源于气孔限制，并保留所述实时净光合速率参与水肥需求动态计算；

38、在所述组合变化趋势表征所述气孔导度降低且所述胞间二氧化碳浓度升高的情况下，判定所述实时净光合速率的下降来源于非气孔限制，并对所述实时净光合速率进行异常修正或剔除后得到所述校验后的实时净光合速率。

39、优选地，还包括：

40、获取连续监测的羊草种群密度、分蘖总数和生殖枝数量；

41、基于所述分蘖总数和所述生殖枝数量计算抽穗率；

42、将所述抽穗率与目标阈值进行比对，得到种群状态比对结果；

43、根据所述种群状态比对结果，对下一生长季对应生育阶段的所述基准水肥参数进行稳态调整，并更新所述基准参数库。

44、优选地，所述抽穗率按照计算；

45、其中，所述生殖枝为穗轴抽出旗叶鞘1cm以上的分蘖；所述目标阈值为35%，所述羊草种群密度的合理阈值为800株/m2至1200株/m2；

46、所述根据所述种群状态比对结果，对下一生长季对应生育阶段的所述基准水肥参数进行稳态调整，包括：

47、当所述抽穗率连续两年低于30%时，将下一生长季对应生育阶段的基准需氮量上调10%至15%，并将基准需水量上调8%至12%；

48、当所述种群密度超过1500株/m2时，将下一生长季孕穗期的基准需氮量下调10%至15%。

49、一种基于作物生理负荷的羊草水肥需求动态预测系统，包括：

50、生育期划分单元，用于识别羊草当前所处的生育阶段，得到当前生育阶段，并从预设的基准参数库中调取与所述当前生育阶段对应的基准水肥参数和基准生理阈值；所述基准生理阈值包括基准净光合速率和基准蒸腾速率；

51、生理负荷采集单元，用于获取羊草功能叶片的实时净光合速率和实时蒸腾速率，并将所述实时净光合速率和所述实时蒸腾速率作为核心生理负荷因子；

52、水肥需求动态预测单元，用于基于所述基准水肥参数和所述基准生理阈值，通过计算所述实时净光合速率与所述基准净光合速率的第一比值、以及所述实时蒸腾速率与所述基准蒸腾速率的第二比值，将所述第一比值作为第一动态修正系数，将所述第二比值作为第二动态修正系数；基于所述第二动态修正系数确定单位面积实时需水量，并基于所述第一动态修正系数确定实时氮需肥量；基于确定的实时氮需肥量折算磷需肥量和钾需肥量；

53、水肥指令生成单元，用于基于所述单位面积实时需水量和所述实时氮需肥量、磷需肥量和钾需肥量，通过将所述单位面积实时需水量映射为灌溉时长、并将所述实时氮需肥量、磷需肥量和钾需肥量映射为施肥流量，生成标准化水肥调控指令，并将所述标准化水肥调控指令输出至灌溉施肥执行设备。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

55、1.本发明通过设计以生理负荷因子为核心的动态修正架构，实现水肥供给与作物实时生理需求的精准匹配效果，本发明将净光合速率、蒸腾速率定义为核心生理负荷因子，以对应生育阶段的基准生理阈值为参照生成动态修正系数，对基准水肥参数进行实时校准，从作物需求端实现按需供给，打破传统经验模式的静态局限，有效提升水肥利用效率，减少过量灌溉与施肥带来的资源浪费与次生盐渍化风险，解决传统水肥管理供给需求错位、静态参数无法适配田间动态变化的核心问题。

56、2.本发明还通过设计盐分胁迫分层修正与水肥耦合调控机制，实现盐碱地场景下的水肥靶向胁迫缓解效果，在生理负荷动态修正的基础上，本发明引入土壤电导率分级的盐分胁迫修正系数与灌溉侧盐分提升系数，触发盐碱胁迫阈值时强制保障水肥供给下限，通过水分稀释根区盐分、氮素促进渗透调节物质合成的协同作用，缓解高盐对光合与结实的抑制，弥补传统模型在盐碱地应用时误差大、调控失效的缺陷，针对性适配盐碱地羊草种子生产的特殊生理规律，进一步解决现有通用模型无法适配中重度盐碱地生产环境的问题。

57、3.本发明还通过设计气孔导度与胞间二氧化碳浓度的双辅助因子校验机制，实现核心生理负荷数据的有效性甄别与降噪效果，在净光合速率与蒸腾速率采集的基础上，同步引入气孔导度与胞间二氧化碳浓度的组合变化趋势，区分光合速率下降的气孔限制与非气孔限制成因，剔除异常数据扰动，确保核心生理负荷因子的真实性与可靠性，避免因输入数据失真引发的水肥调控误判，提升动态预测模型的鲁棒性与稳定性，进一步解决生理输入数据易受环境瞬时波动干扰导致预测失真的问题。

58、4.本发明还通过设计种群抽穗率与密度反馈的基准参数稳态更新机制，实现日尺度精准调控与年尺度种群稳态的协同平衡效果，在短期水肥动态调度的基础上，通过连续监测种群密度、分蘖总数与生殖枝数量计算抽穗率，与目标阈值比对后逐年调整对应生育阶段的基准水肥参数，平衡营养生长与生殖生长，既保障当年种子产量，又维持羊草多年生种群的长期生产力，实现盐碱地羊草制种基地的可持续生产，进一步解决连年高强度水肥投入导致种群衰退、长期生产力下降的问题。