基于物聯(lián)網(wǎng)和模型的農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響因子采集與含量估算.pdf

1、針對利用模型估算農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量缺少大量連續(xù)數(shù)據(jù)、各個模型均存在一定局限性、農(nóng)田土壤有機(jī)碳信息智能化管理研究較少和數(shù)據(jù)采集困難等問題，本論文依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題研究任務(wù)“農(nóng)田碳匯信息獲取與估算”（編號：2013AA10230101），以農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響因子智能化采集和含量估算為研究對象，在深入分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，以山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)小麥-玉米示范基地作為試驗(yàn)區(qū)，研究了農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響因子自動化獲取與智

2、能化處理技術(shù)，研制了二氧化碳濃度梯度測量裝置，設(shè)計(jì)、研發(fā)、集成了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田有機(jī)碳因子采集和傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田有機(jī)碳因子采集和傳輸監(jiān)測站；基于物聯(lián)網(wǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了小麥和玉米生命周期各個階段的光輻射函數(shù)及小麥和玉米光輻射對土壤有機(jī)碳的影響函數(shù)，構(gòu)建了小麥-玉米連作區(qū)域農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算模型—WM-SOC模型；設(shè)計(jì)、研發(fā)了農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響因子接收系統(tǒng)和農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算系統(tǒng)，研究了小麥-玉米連作

3、農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田土壤有機(jī)碳信息的智能化管理。
　　研究結(jié)果表明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)田土壤有機(jī)碳因子的實(shí)時(shí)、連續(xù)獲取提供了一種重要手段，為監(jiān)測農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的動態(tài)變化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)采集區(qū)域農(nóng)田土壤有機(jī)碳因子，進(jìn)而采用構(gòu)建的模型估算土壤有機(jī)碳含量的方法是可行的；實(shí)施秸稈還田能夠有效促進(jìn)農(nóng)田土壤有機(jī)碳貯量的增加。研究結(jié)論可為制訂和實(shí)施農(nóng)田增匯措施、農(nóng)作物碳匯補(bǔ)償和減緩氣候變化影響的相關(guān)政策

4、提供決策依據(jù)。
　　本論文具體完成了以下六個方面的研究工作：
　?。?）分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，探討了農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響因子采集與含量估算存在的主要問題。目前，主要存在五個問題：一是各個模型均存在一定局限性；二是存在數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)時(shí)效性差、數(shù)據(jù)不能連續(xù)獲取等缺點(diǎn)；三是大尺度研究使用的數(shù)據(jù)不精確，與許多小區(qū)域的數(shù)據(jù)差距較大，結(jié)果偏差較大；四是農(nóng)田土壤有機(jī)碳信息的智能化管理研究較少；五是數(shù)據(jù)采集困難。
　?。?）提出了農(nóng)業(yè)物

5、聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，探討了本文涉及的數(shù)據(jù)智能采集技術(shù)和傳輸技術(shù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)共分為四層，即全面感知層、可靠傳輸層、智能處理層和智慧應(yīng)用層。
　?。?）設(shè)計(jì)、研發(fā)并部署了農(nóng)田有機(jī)碳影響因子采集與傳輸系統(tǒng)。為連續(xù)獲取土壤有機(jī)碳含量估算模型參數(shù)，首先對農(nóng)田有機(jī)碳影響因子采集與傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。然后，對農(nóng)田有機(jī)碳影響因子采集模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，探討了系統(tǒng)硬件的組成和優(yōu)選，研制了二氧化碳濃度梯度測量裝置。同時(shí)，對數(shù)據(jù)的傳輸模塊也進(jìn)

6、行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，優(yōu)選了主要硬件設(shè)備，集成了農(nóng)田有機(jī)碳影響因子采集和傳輸系統(tǒng)。最后，以山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)的農(nóng)田為試驗(yàn)區(qū)，布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)采集和傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建了農(nóng)田有機(jī)碳影響因子采集和傳輸監(jiān)測站。
　?。?）構(gòu)建了小麥-玉米連作區(qū)域農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算模型—WM-SOC模型。首先分析了具有代表性的農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算四大模型，探討了各個模型結(jié)構(gòu)原理、模型參數(shù)及模型適用性。通過對四大模型的對比分析可知，Soil-C模型所需要的參數(shù)較其它模型

7、相對簡單、容易獲取，且該模型在我國區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)做過示范，驗(yàn)證結(jié)果較好。為了細(xì)化小麥光合碳的計(jì)算，根據(jù)前人的研究結(jié)果，結(jié)合我們的分析研究，按照傳統(tǒng)24節(jié)氣劃分的小麥生命周期的五個階段，即幼苗期（秋分至立春）、返青期（立春至清明）、抽穗期（清明至立夏）、灌漿期（立夏至小滿）和成熟期（小滿至芒種），構(gòu)建了小麥生命周期五個階段的光輻射函數(shù)及小麥光輻射對土壤有機(jī)碳的影響函數(shù)，確定了各個不同階段小麥光合碳地上和地下的比例。同理，根據(jù)玉米生命周期

8、的四個階段，即幼苗期（芒種至小暑）、開花期（小暑至立秋）、灌漿期（立秋至白露）和成熟期（白露至秋分），構(gòu)建了玉米生命周期的光輻射函數(shù)及玉米光輻射對土壤有機(jī)碳的影響函數(shù)，確定了各個不同階段玉米光合碳地上和地下的比例。在此基礎(chǔ)上，以Soil-C模型（麥-稻連作）作為基礎(chǔ)，結(jié)合兗州區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)管理和小麥-玉米連作的特點(diǎn)，考慮作物生育期光合碳的周轉(zhuǎn)對土壤有機(jī)碳的影響，構(gòu)建了小麥-玉米連作的農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算模型—WM-SOC模型，并確定了兗州

9、區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響因子。
　　（5）設(shè)計(jì)并研發(fā)了農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤有機(jī)碳信息的智能化管理，解決數(shù)據(jù)處理困難等問題，根據(jù)需求將農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個功能模塊，分別是：數(shù)據(jù)接收模塊、基礎(chǔ)信息管理模塊、土壤有機(jī)碳含量估算模塊和結(jié)果分析模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。為了提高代碼的復(fù)用性，降低系統(tǒng)的耦合度，便于后期升級與維護(hù)，基于B/S的三層體系結(jié)構(gòu)，采用富客戶端技術(shù)，以Microsoft

10、 Visual Studio2013為開發(fā)平臺，以C＃、JavaScript、XML等為開發(fā)語言，以SQL Server2012為數(shù)據(jù)庫，研發(fā)了農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算系統(tǒng)。
　　（6）結(jié)果分析與模型驗(yàn)證。為了驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)和 WM-SOC模型估算的土壤有機(jī)碳含量的準(zhǔn)確性，首先采用傳統(tǒng)方法測定試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)碳實(shí)際含量。然后，利用物聯(lián)網(wǎng)裝置對試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳因子進(jìn)行連續(xù)觀測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算每日監(jiān)測的土壤溫度、土壤濕度

11、、土壤 pH值和光輻射的算術(shù)平均值，將參數(shù)輸入WM-SOC模型，得到2012年10月至2015年6月兗州農(nóng)田試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)碳含量動態(tài)變化曲線。結(jié)果表明：①2012年-2015年期間，由于試驗(yàn)區(qū)秸稈連續(xù)還田，試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量呈上升趨勢，適宜的秸稈還田量有利于土壤表層有機(jī)碳含量的增加；②小麥和玉米不同生育時(shí)期0.2米土壤耕層有機(jī)碳含量有明顯的動態(tài)變化。在小麥的整個生育期，土壤有機(jī)碳首先呈現(xiàn)下降趨勢，到開花期土壤有機(jī)碳含量達(dá)到最低值，

12、到收獲期略有上升。在玉米整個生長時(shí)期，土壤有機(jī)碳從幼苗期到開花期后有所上升，到開花期達(dá)到最大值，隨后呈現(xiàn)下降趨勢。將模型估算值與實(shí)驗(yàn)室測定值進(jìn)行回歸分析，決定系數(shù) R2=0.9144，說明模型估算值與實(shí)驗(yàn)室測定值相關(guān)性顯著。均方根誤差RMSE=5.8％，小于10%，表明估算值與測定值一致性非常好。從而驗(yàn)證了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田有機(jī)碳因子采集和傳輸系統(tǒng)的可行性，WM-SOC模型和農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量估算系統(tǒng)的正確性。
　　本文研究成果解決