一种基质栽培作物的灌溉决策方法及灌溉系统

摘要

本发明公开了一种基质栽培作物的灌溉决策方法及灌溉系统，该方法包括下列步骤：（1）使用标定后的电介质型土壤水分传感器进行基质水分数据的采集；（2）采用基于动态数据驱动的数值模拟方法，建立基质水分运移和作物根系分布模型；（3）由基质湿润体含水量与预设的作物灌溉目标含水量进行比较，以及模型得到的基质湿润体和作物根区的匹配程度进行灌溉数据决策，并依据该方法发明了一种基质栽培作物的灌溉决策，本发明方法和系统能够提高基质水分预报的动态性、实时性，具有节水、节能的特点，对制定用水计划有重要意义，便于大面积推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基质栽培作物的灌溉决策方法及灌溉系统。

背景技术

我国是农业大国，又是世界上人均水资源最缺乏的国家之一。农业作为我国的用水大户，用水量约占水资源总量的65%，且农业用水浪费十分严重，目前，农田灌溉水有效利用系数仅为0.5，与世界先进水平0.7~0.8有较大差距，农作物水分利用率平均为0.87kg/m³，与以色列2.32相比，差1.45kg/m³，可见我国农业灌溉节水潜力相当可观。因此如何协调农业生产需求和节水需求之间的矛盾成为急需解决的问题。

目前关于有关土壤栽培作物的节水灌溉专利的研究与实际应用都已相对成熟。如发明专利公开号CN101574053A公开了一种智能式作物局部根区交替灌溉控制方法及系统，发明专利公开号CN1409959A公开了一种新型灌溉方法及其灌溉系统等，但由于基质理化特性与土壤差别较大，前人关于土壤节水灌溉的研究并不能完全适用于基质栽培。

近年来设施基质栽培蔬菜在我国迅速发展，随着设施基质栽培作物面积不断扩大，同时为缓解我国水资源危机的现状，发展先进的设施基质栽培节水灌溉方法更是刻不容缓。因此，将已有的节水理论和实践经验相结合，研究新型设施基质栽培的节水灌溉技术及价格低廉、操作简单的灌溉决策系统具有重要现实意义。

发明内容

为了解决目前设施基质栽培作物时无法实现精确节水灌溉，实现灌溉系统自动灌溉决策的技术问题，本发明提出一种新型的基质栽培作物的灌溉决策方法及灌溉系统。

一种基质栽培作物的灌溉决策方法, 其原理是以基质水分传感器检测的基质湿润体（即，滴灌形成的湿润的基质部分）含水量小于通过实验得到的目标作物灌溉时的含水量下限作为开始灌溉的条件；当作物根区的体积和基质湿润体的体积相匹配以后，通过检测基质湿润体含水量是否大于通过实验得到的目标作物灌溉时的含水量上限来决策是否停止灌溉，两个条件同时具备，即基质湿润体位置大小应至少覆盖作物根区且基质水分传感器检测的基质湿润体含水量大于预设的灌溉上限时停止灌溉，以避免灌水浪费。

采用的技术方案是：一种基质栽培作物的新型灌溉决策方法,包括以下步骤：

（1）确定基质类型和作物种类，在基质内部设立用于测量基质体积含水量的基质水分传感器和喷水系统，确定目标作物灌溉时的含水量上限和下限；

（2）通过实验建立目标基质水分运移模型和作物根系分布模型

利用剖面挖掘法测量不同滴灌流量、不同滴灌历时下的基质湿润锋（基质不同含水量的分界线）和基质体积含水量，通过数据拟合建立基质水分运移模型；在作物最佳生长条件下的不同生长期进行作物根系取样，测量作物最大根深及不同根深处的根区半径，通过拟合建立作物根系分布模型。其中：

基质水分运移模型包括基质径向、横向水分运移模型和基质湿润体模型。水分运移模型方程为： 

                                                                               （1）

式中： 和：径向和纵向湿润锋距离，单位：cm； t：灌溉时间，单位：h；q：滴头流量，单位： L/h；：基质体积含水量，单位： cm³·cm^-3；a，b，c，d，e，f：待拟合参数；

基质湿润体体积模型方程为：

                  （2）

式中：： 基质湿润体体积 ，单位：cm³；和：径向和纵向湿润锋距离，单位：cm；：纵向最大湿润锋距离，单位：cm

根系分布模型包括根深生长模型（即扎根深度动态模型）、根区半径生长模型（不同根深处的根区横向半径）和根区体积模型，其中根深生长方程为：

                     （3）

式中：：根深，单位：cm； DD：有效积温，单位： ℃；bz:待拟合常量，单位：cm·℃^-1·d^-1；g:定植时生菜根深，单位：cm；

根区半径生长方程为：

                   （4）

式中：R_根:不同根深处的根区横向半径，单位：cm，:根深，单位：cm，h,i,j,k:与有效积温有关的参量。

根区体积方程为：

   （5）

式中：：根系体积，单位： cm³；：最大根深，单位： cm；h,i,j,k: 与有效积温有关的参量，可表示为：

                      （6）

式中： h₁、h₂、h₃、h₄,i₁、i₂、i₃、i₄,j1、j₂、j₃、j₄,k₁、k₂、k₃、k₄：待拟合参数。

其中，DD为有效积温，其计算方程为：

            （7）

式中：Ta：每天的平均温度，单位： ℃；Tb：发育下限温度，单位： ℃； Tm：发育上限温度，单位： ℃。

（3）灌溉决策

以目标基质适时的基质湿润体含水量与目标作物灌溉时的含水量上限和下限为基础，以基质水分运移模型和作物根系分布模型为依据，指导灌溉。当基质水分传感器检测的基质湿润体含水量低于目标作物灌溉时的含水量下限时，滴灌系统打开，开始灌溉。根据基质水分运移模型求得不同灌溉历时下的基质湿润体，与根据作物根系分布模型求得的作物根区进行匹配计算，使湿润体位置、大小与作物根区相匹配，直至基质湿润体与根系体积相重叠，此时通过基质水分传感器检测基质湿润体含水量，当基质湿润体含水量大于目标作物灌溉时的含水量上限时，滴灌系统停止灌溉。

上述方案中，由于基质本身的特性，其纵向湿润锋的运动速度一般相对径向湿润锋快，因此，以径向湿润锋运移距离为主要因素，以纵向湿润锋运移为补充因素，当≤， ≤时（为根区横向半径最大值，通过对公式（4）求最大值求出），通过基质水分传感器检测基质湿润体含水量，当基质湿润体含水量大于目标作物灌溉时的含水量上限时，滴灌系统停止灌溉。

上述步骤中，通过应用聚类分析法对基质水分传感器长期检测不同深度基质含水量的数据进行分析，得出水分传感器设置在纵向距离基质表层5至10厘米，横向距离滴头3至6厘米范围内，其检测值能代表作物从定植到采收整个生长期根区的水分情况；

具体的，上述方案中所用的基质为醋糟，所选作物为生菜，

（1）利用剖面挖掘法，设置滴灌系统的滴头流量q=0.35L/h，对实验测得的湿润锋径向和纵向的运移距离、醋糟含水量及灌溉历时进行数据拟合，得a，b，c，d，e，f分别为29.83,0.41,0.77,2.36,0.28,-1.34，则醋糟基质径向和横向水分运移模型可表示为： 

                                （11）

式中： 和：径向和纵向湿润锋距离，单位：cm； t：灌溉时间，单位：h；：基质体积含水量，单位： cm³·cm^-3；

（2）在生菜的不同生长期进行根系取样，并建立醋糟栽培生菜的根系分布模型，对不同采样时的生菜根深和采样当时累计的有效积温进行数据拟合，得bz为0.014,g为定植时生菜根深，取3cm，则醋糟基质栽培生菜根深生长模型可表示为： 

                          （13）

式中：：最大根深cm； DD：有效积温 ℃； 

将每次采样得到的根区横向半径及其对应的根深代入公式（4），计算当次的h,i,j,k，多次采样得到的h,i,j,k与每次采样时累计的有效积温进行数据拟合，得到h,i,j,k与有效积温的关系模型，表示为： 

    （16）

 上述步骤中，基质水分传感器可以由普通的土壤水分传感器改造来获得。即通过研究影响土壤水分传感器在基质中的检测精度的因素（即基质温度、容重和电导率）与基质含水量之间的关系，对土壤水分传感器进行重新标定和改造；在保证容重不变的前提下，用自来水配制3个不同体积含水量的醋糟样本，将水分传感器垂直插入样本，为保证试验过程中试验桶中的水分含量保持不变，在试验桶口密封一层塑料薄膜，醋糟与薄膜之间不得留有空隙。调控基质温度在5～40℃之间，利用基质水分传感器和基质温度传感器采集基质含水量和温度数据；室温下将醋糟配制成5个不同体积含水量、2个不同容重的样本，垂直插入基质水分传感器和基质温度传感器采集基质含水量和温度数据；室温下，利用氯化钾配置5种不同浓度的盐溶液，并用EC计测量出其电导率，分别取出相同体积的5种不同浓度的盐溶液加入5个等量醋糟样本中，待盐溶液与基质充分混合后，垂直插入基质水分传感器和基质温度传感器采集基质含水量和温度数据。通过试验数据分析，得出温度为影响水分传感器检测精度的主要因素，容重和电导率的影响较小，可忽略。建立基于输出电压（U）、基质实际体积含水率（）和温度（T）的修正方程为：。

一种利用上述基质栽培作物的灌溉决策方法进行灌溉决策的系统，包括：电磁阀，继电器，中央控制系、显示器、操作键盘、温度传感器，基质水分传感器、基质温度传感器和供电电源。继电器、显示器、操作键盘、气温温度传感器、基质水分传感器、基质温度传感器、供电电源直接与中央控制系相连接，供电电源分别连接中央控制系统、基质水分传感器和基质温度传感器和继电器来给上述四者供电，电磁阀与继电器相连接。用基质水分传感器和基质温度传感器采集基质水分含量和基质温度，用气温温度传感器采集空气温度，并将数据传递至中央控制系统，中央控制系统将实时采集的数据发送显示器，并保存在中央控制系统内数据存储器中。中央控制系统通过对获取的数据进行模型的匹配判断，向继电器发送指令，通过电磁阀来控制进水的通断。

本发明的有益效果是：整套灌溉装置结构简单、体积小、价格低廉，适应性强。解决了基质栽培灌溉不合理的问题。本发明将水分传感器实时监测、作物根系分布模拟和基质水分运移模拟相结合，对基质含水量及作物根区和基质湿润体大小做出预报，依据基质湿润体和作物根区体积的有效匹配原则判断是否进行灌溉，提高基质水分预报的动态性、实时性，具有节水、节能的特点，对建立节水型设施基质栽培具有重要现实意义。

附图说明

图1灌溉决策流程图。

图2 一种基质栽培作物的新型灌溉决策系统结构示意图。

图3 中央控制器程序原理图。

图4基质湿润体与作物根区优化匹配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例提供醋糟基质栽培生菜的新型灌溉决策方法，所述方法包括以下4个方面：

（1）所用栽培基质为醋糟，首先确定影响土壤水分传感器检测精度的主要因素并修正土壤水分传感器参数。在保证容重不变的前提下，用自来水配制3个不同体积含水量的醋糟样本，将水分传感器垂直插入样本，为保证试验过程中试验桶中的水分含量保持不变，在试验桶口密封一层塑料薄膜，醋糟与薄膜之间不得留有空隙。调控基质温度在5～40℃之间，利用基质水分传感器和基质温度传感器采集基质含水量和温度数据；室温下将醋糟配制成5个不同体积含水量、2个不同容重的样本，垂直插入基质水分传感器和基质温度传感器采集基质含水量和温度数据；室温下，利用氯化钾配置5种不同浓度的盐溶液，并用EC计测量出其电导率，分别取出相同体积的5种不同浓度的盐溶液加入5个等量醋糟样本中，待盐溶液与基质充分混合后，垂直插入基质水分传感器和基质温度传感器采集基质含水量和温度数据。通过试验数据分析，得出温度为影响水分传感器检测精度的主要因素，容重和电导率的影响较小，可忽略。建立基于输出电压（U）、基质实际体积含水率（）和温度（T）的修正方程为：。

（2）如图1所示，将多个水分传感器埋设在距滴头不同深度和宽度的位置，长期检测基质不同深度的体积含水量，对长期检测的数据进行聚类分析，得出水分传感器布设在纵向距离滴头5至8厘米、横向距离滴头3至6厘米范围内，其检测值能代表生菜从定植到采收整个生长期根区的水分情况。

（3）如图1所示，设置滴头流量q=0.35L/h，利用剖面挖掘法测量不同含水量和不同滴灌历时下的醋糟基质湿润锋，建立醋糟基质水分运移模型。，对试验测得的湿润锋径向和纵向的运移距离、醋糟初始含水量及灌溉历时进行数据拟合，得a，b，c，d，e，f分别为29.83,0.41,0.77,2.36,0.28,-1.34，则醋糟基质径向和横向水分运移模型可表示为： 

                                （11）

式中： 和：径向和纵向湿润锋距离，cm； t：灌溉时间 h； ：基质初始体积含水量 cm³·cm^-3； 

基质湿润体模型方程为：

          （2）

式中：： 基质湿润体体积 cm³；和：径向和纵向湿润锋距离，cm；：纵向最大湿润锋距离，cm。

在生菜的不同生长期进行根系取样，并建立醋糟栽培生菜的根系分布模型。根系分布模型包括根深生长模型（即扎根深度动态模型）、根区半径生长模型（不同根深处的根区横向半径）和根区体积模型，对不同采样时的生菜根深和采样当时累计的有效积温进行数据拟合，得bz为0.014,g为定植时生菜根深，取3cm，则醋糟基质栽培生菜根深生长模型可表示为： 

                          （13）

式中：：最大根深cm； DD：有效积温 ℃； 

根区半径生长方程为：

                     （4）

式中：R_根:不同根深处的根区横向半径cm，z:根深cm，h,i,j,k:与有效积温有关的待拟合参量。

根区体积方程为：

   （5）

式中：：根系体积 cm³，：最大根深 cm；h,i,j,k:与积温有关的待拟合参量。将每次采样得到的根区横向半径及其对应的根深代入公式（4），计算当次的h,i,j,k，多次采样得到的h,i,j,k与每次采样时累计的有效积温进行数据拟合，得到h,i,j,k与有效积温的关系模型，表示为： 

    （16）

式中：DD：有效积温，方程为：

     （7）

式中：Ta：每天的平均温度 ℃；Tb：发育下限温度 ℃； Tm：发育上限温度 ℃。

（4）如图2所示，本发明实施例提供了一种基质栽培生菜的新型灌溉决策系统，所述系统包括：电磁阀，继电器，中央控制系、显示器、操作键盘、气象温度传感器，基质水分传感器和基质温度传感器、供电电源。继电器、显示器、操作键盘、气象温度传感器、基质水分传感器和基质温度传感器、供电电源直接与中央控制系相连接，继电器、基质水分传感器和基质温度传感器与供电电源相连接，电磁阀与继电器相连接。用基质水分传感器和基质温度传感器采集基质水分含量、基质温度，用气象温度传感器采集空气温度，并将数据传递至中央控制系统，中央控制系统将实时采集的数据发送显示器，并保存在中央控制系统内数据存储器中。通过获取的数据进行模型的匹配判断，向继电器发送指令，通过电磁阀实现控制进水的通断。供电电源分别连接中央控制系统、基质水分传感器和基质温度传感器和继电器来给上述四者供电。

（5）如图3所示，中央控制系统其程序包括系统初始化、显示器刷新、键盘扫描处理、配方选择、参数设定、测量和查询功能子程序，通过查询功能可以查询系统储存的实时检测气象温度、基质湿度和采集时间。通过操作键盘，选择栽培基质为醋糟，栽培作物为生菜，设定生菜发育上限温度Tm=40℃,发育下限温度Tb=5℃,定植时生菜根深g=3cm，设定灌溉开始和结束时醋糟基质的体积含水量，分别为18%和28%，滴灌流量为0.35L/h，不灌溉时每1小时采集一次基质温度、湿度和空气温度，灌溉时每5分钟采集一次。中央控制系统将公式（1）和由公式（1）计算得到的纵向最大湿润锋距离代入公式（2），计算醋糟湿润体V_湿；利用温度传感器检测的温度通过公式（7）计算有效积温DD，并代入公式（6），计算公式（4）中的参数，将公式（4）和由公式（3）计算得到的最大根深代入公式（5），计算根区体积V_根；对基质湿润体和作物根系体积进行匹配计算，使湿润体位置、大小与根系体积相匹配，匹配过程见图4，这是一个不断反馈修正的过程，当基质水分传感器检测的醋糟基质湿润体含水量低18%时，向电磁阀发送指令，开始灌溉；由于醋糟基质形成的湿润体近似圆柱形，当基质湿润体与根系体积相重叠，即满足≤， ≤时（为根区横向半径最大值，通过对公式（4）求最大值求出），通过基质水分传感器检测醋槽基质湿润体的含水量，当达到28%时，中央控制系统向电磁阀发送指令，停止灌溉。

本发明研发了基质栽培灌溉灌溉决策系统将水分传感器实时监测、作物根系分布模拟和基质水分运移模拟相结合，对基质含水量及作物根区和基质湿润体大小做出预报，依据基质湿润体和作物根区的有效匹配原则决策是否进行灌溉，提高基质水分预报的动态性、实时性，具有节水、节能的特点，对建立节水型设施基质栽培具有重要现实意义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本实发明技术方案，尽管参照上述实施例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：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。