基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法與系統(tǒng)。該方法包括：設(shè)置參數(shù)，監(jiān)測根區(qū)各土層土壤含水量，基于相對根長密度分布計(jì)算根區(qū)加權(quán)平均土壤含水量，計(jì)算作物水分脅迫指數(shù)CWSI，當(dāng)CWSI計(jì)算值大于預(yù)定的CWSI臨界值時(shí)，開始灌水；還可以根據(jù)計(jì)劃濕潤層土壤含水量計(jì)算理論灌水量，當(dāng)實(shí)際灌水量達(dá)到理論灌水量時(shí)，停止灌水。本發(fā)明能更加準(zhǔn)確、便捷地估算作物所受到的水分脅迫程度，以此為依據(jù)控制灌溉時(shí)既考慮了根區(qū)土壤水分狀況又考慮了作物水分狀況，可為節(jié)水、增產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有效工具。
【專利說明】基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法與系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)，更具體涉及基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]通過灌溉適時(shí)調(diào)節(jié)旱作物根區(qū)土壤水分狀況，使其既有利于作物吸收利用又能減少土面蒸發(fā)與深層滲漏等損失，是實(shí)現(xiàn)節(jié)水、增產(chǎn)目標(biāo)的關(guān)鍵。因此，推廣農(nóng)田自動灌溉控制系統(tǒng)具有十分重要的意義，而灌溉控制方法則是其核心所在。
[0003]迄今為止，已有的灌溉控制方法大概可分為以下兩類。第一類灌溉控制方法借助作物對水分脅迫的生理響應(yīng)(比如冠層溫度、葉水勢、氣孔導(dǎo)度等生理指標(biāo)的變化)來估算作物所受到的水分脅迫程度，并據(jù)此判斷灌水時(shí)間，其中基于作物冠層溫度估算作物水分脅迫指數(shù)(CWSI，表示因水分脅迫所導(dǎo)致的作物蒸散速率降低的程度)的方法較為常見。由于作物冠層溫度在光照期間很容易隨時(shí)間動態(tài)變化，并且受氣候環(huán)境以及觀測視野內(nèi)土壤與作物枝干的影響較大，所以該方法存在穩(wěn)定性與代表性較差的問題，在作物生長早期冠層較為稀疏時(shí)表現(xiàn)得尤為突出。其次，絕大多數(shù)情況下單純依靠CWSI只能判斷灌水時(shí)間，為確定灌水定額，仍需借助實(shí)測的土壤含水量剖面，除增加前期成本投入外，還給實(shí)際應(yīng)用帶來不便。另外，基于作物生理響應(yīng)估算CWSI并確定灌水時(shí)間時(shí)，作物往往已經(jīng)受到了一定程度的水分脅迫，所以很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的充分灌溉。因此，絕大多數(shù)灌溉控制方法(第二類)都基于充分灌溉原理，將根區(qū)土壤含水量算術(shù)平均值(簡稱為根區(qū)算術(shù)平均土壤含水量)或根區(qū)某深度處的土壤含水量(或土壤水基質(zhì)勢)作為灌水控制指標(biāo)，當(dāng)其低于最適宜作物生長的土壤含水量下限時(shí)開始灌溉，直到其達(dá)到最適宜作物生長的土壤含水量上限。然而，因根區(qū)內(nèi)土壤水分分布無統(tǒng)一規(guī)律，在絕大多數(shù)情況下，根區(qū)算術(shù)平均土壤含水量或根區(qū)某深度處的土壤含水量都不能真實(shí)代表根區(qū)土壤水分狀況。而且，在一定的氣候條件下，除土壤水分分布外，根系`生長分布也是影響作物根系吸水與蒸騰的重要因素。因此，在評價(jià)作物水分狀況即估算CWSI時(shí)，脫離土壤水分分布與根系生長分布而只考慮根區(qū)算術(shù)平均土壤含水量或根區(qū)某深度處的土壤含水量是不合理的。由此可見，第二類灌溉控制方法在科學(xué)性方面存在明顯缺陷，用該方法來判斷灌水時(shí)間將帶來較大偏差，從而影響作物生長以及灌溉水利用效率。
[0004]綜上所述，作物水分狀況是判斷灌水時(shí)間的主要依據(jù)，而根區(qū)土壤水分狀況是確定灌水定額的基礎(chǔ)。因此，如何根據(jù)根區(qū)土壤水分分布與根系生長分布準(zhǔn)確估算CWSI并進(jìn)一步控制灌溉是目前亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一)要解決的技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為:如何根據(jù)根區(qū)土壤水分分布與根系生長分布準(zhǔn)確估算作物水分脅迫指數(shù)CWSI并進(jìn)一步控制灌溉。[0007](二)技術(shù)方案
[0008]為了解決該技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出了一種基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，該方法包括:
[0009]將灌溉區(qū)域的土壤從表層至最大扎根深度Lr處依次分為若干層，層數(shù)記為k，用每層土壤的平均深度Zi除以Lp得到每層土壤的相對深度Zh，用每層土壤的厚度hi除以Lp得到每層土壤的相對厚度Λ ，設(shè)定作物在每層土壤中的相對根長密度Lnrd(^i)、萎焉系數(shù)θ?、飽和土壤含水量0S、最適宜作物生長的土壤含水量上限ΘΗ與下限θ,;
[0010]測量每層土壤的含水量Θ i ；
[0011]計(jì)算根區(qū)加權(quán)平均土壤含水量
【權(quán)利要求】
1.一種基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，該方法包括: 將灌溉區(qū)域的土壤從表層至最大扎根深度L處依次分為若干層，層數(shù)記為k，用每層土壤的平均深度Zi除以Lp得到每層土壤的相對深度Zh，用每層土壤的厚度hi除以Lp得到每層土壤的相對厚度Azm設(shè)定作物在每層土壤中的相對根長密度Lmd(zJ、萎焉系數(shù)9W、飽和土壤含水量Qs、最適宜作物生長的土壤含水量上限ΘΗ與下限測量每層土壤的含水量Θ i ；
計(jì)算根區(qū)加權(quán)平均土壤含水量P:
2.如權(quán)利要求1所述的基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法，其特征在于， 所述測量每層土壤的含水量Θ i，是將土壤水分探針垂直插入根區(qū)土壤，并在土壤水分探針上對應(yīng)的各土層深度處設(shè)有一個(gè)土壤水分傳感器，從而測得每層土壤的含水量Θ i。
3.如權(quán)利要求2所述的基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法，其特征在于， 所述測得每層土壤的含水量Θ i，是將分布在灌溉區(qū)域內(nèi)的多根土壤水分探針上相同土層深度處的土壤水分傳感器的測量值取平均而獲得。
4.如權(quán)利要求1所述的基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，該方法還包括:在所述最大扎根深度范圍內(nèi)設(shè)定計(jì)劃濕潤層深度，記錄從表層到計(jì)劃濕潤層深度的土壤層數(shù)n，設(shè)定田間持水量Qf、土壤灌溉濕潤比p、田間水分有效利用系數(shù)η和灌溉面積A， 按下式計(jì)算單位面積的灌水定額M: 然后用M乘以A，得到理 論灌水量； 當(dāng)實(shí)際灌水量達(dá)到理論灌水量時(shí)，停止灌水。
5.如權(quán)利要求1至4其中任一項(xiàng)所述的基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，該方法還包括: 當(dāng)計(jì)算得到的CWSI大于預(yù)定的臨界值時(shí)，若預(yù)報(bào)在設(shè)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)有降雨，則不灌水，否則開始灌水。
6.一種基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括參數(shù)輸入子系統(tǒng)、土壤水分采集子系統(tǒng)、中央決策子系統(tǒng)和灌水控制子系統(tǒng): 參數(shù)輸入子系統(tǒng)，用于設(shè)定作物的最大扎根深度Lp灌溉區(qū)域內(nèi)從土壤表層至最大扎根深度L處所分的層數(shù)k，每層土壤的平均深度Zi以及厚度Iii,作物在每層土壤中的相對根長密度Lmd (?)、萎焉系數(shù)θ?、飽和土壤含水量0S、最適宜作物生長的土壤含水量上限ΘΗ與下限Θ y以及CWSI臨界值； 土壤水分采集子系統(tǒng)，用于測量每層土壤的含水量Θ i，并發(fā)送給中央決策子系統(tǒng)； 中央決策子系統(tǒng)，包括計(jì)算模塊、天氣預(yù)報(bào)模塊和決策模塊； 計(jì)算模塊，用Zi除以Lp得到每層土壤的相對深度;用比除以Lp得到每層土壤的相




對厚度Λ Zi ;然后計(jì)算根區(qū)加權(quán)平均土壤含水量θ:
7.如權(quán)利要求6所述的基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述土壤水分采集子系統(tǒng)，包括土壤水分探針，土壤水分探針上對應(yīng)每層土壤設(shè)有一個(gè)土壤水分傳感器，通過將土壤水分探針垂直插入根區(qū)土壤，從而測得每層土壤的含水量Θ JO
8.如權(quán)利要求7所述的基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于， 在灌溉控制區(qū)域內(nèi)，所述土壤水分探針為多根，所述測得每層土壤的含水量Θ i，是將灌溉區(qū)域內(nèi)的多根土壤水分探針上相同土層深度處的土壤水分傳感器的測量值取平均而獲得。
9.如權(quán)利要求6所述的基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于， 參數(shù)輸入子系統(tǒng)，還用于輸入從表層到計(jì)劃濕潤層深度的土壤層數(shù)n，并設(shè)定田間持水量Qf、土壤灌溉濕潤比p、田間水分有效利用系數(shù)η和灌溉面積A; 中央決策子系統(tǒng)的計(jì)算模塊還包括計(jì)算單位面積的灌水定額M:
10.如權(quán)利要求6-9其中任一項(xiàng)所述的基于作物根區(qū)土壤水分與根系分布的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于， 中央決策子系統(tǒng)還包括天氣預(yù)報(bào)模塊，用于接收天氣預(yù)報(bào)，當(dāng)預(yù)報(bào)在設(shè)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)有降雨時(shí)，則中央決策子系統(tǒng)中的決策模塊不發(fā)出開始灌水的指令。
【文檔編號】A01G25/16GK103493715SQ201310462562
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】石建初, 左強(qiáng), 戴秋明 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)