基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制方法與系統的制作方法
【專利摘要】本發明揭示了基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制方法與系統。該方法包括：設置參數，監測根區各土層土壤含水量，基于相對根長密度分布計算根區加權平均土壤含水量，計算作物水分脅迫指數CWSI，當CWSI計算值大于預定的CWSI臨界值時，開始灌水；還可以根據計劃濕潤層土壤含水量計算理論灌水量，當實際灌水量達到理論灌水量時，停止灌水。本發明能更加準確、便捷地估算作物所受到的水分脅迫程度，以此為依據控制灌溉時既考慮了根區土壤水分狀況又考慮了作物水分狀況，可為節水、增產目標的實現提供有效工具。
【專利說明】基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制方法與系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及自動控制技術，更具體涉及基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制方法與系統。
【背景技術】
[0002]通過灌溉適時調節旱作物根區土壤水分狀況，使其既有利于作物吸收利用又能減少土面蒸發與深層滲漏等損失，是實現節水、增產目標的關鍵。因此，推廣農田自動灌溉控制系統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(比如冠層溫度、葉水勢、氣孔導度等生理指標的變化)來估算作物所受到的水分脅迫程度，并據此判斷灌水時間，其中基于作物冠層溫度估算作物水分脅迫指數(CWSI，表示因水分脅迫所導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間動態變化，并且受氣候環境以及觀測視野內土壤與作物枝干的影響較大，所以該方法存在穩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表現得尤為突出。其次，絕大多數情況下單純依靠CWSI只能判斷灌水時間，為確定灌水定額，仍需借助實測的土壤含水量剖面，除增加前期成本投入外，還給實際應用帶來不便。另外，基于作物生理響應估算CWSI并確定灌水時間時，作物往往已經受到了一定程度的水分脅迫，所以很難實現真正意義上的充分灌溉。因此，絕大多數灌溉控制方法(第二類)都基于充分灌溉原理，將根區土壤含水量算術平均值(簡稱為根區算術平均土壤含水量)或根區某深度處的土壤含水量(或土壤水基質勢)作為灌水控制指標，當其低于最適宜作物生長的土壤含水量下限時開始灌溉，直到其達到最適宜作物生長的土壤含水量上限。然而，因根區內土壤水分分布無統一規律，在絕大多數情況下，根區算術平均土壤含水量或根區某深度處的土壤含水量都不能真實代表根區土壤水分狀況。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，在評價作物水分狀況即估算CWSI時，脫離土壤水分分布與根系生長分布而只考慮根區算術平均土壤含水量或根區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性方面存在明顯缺陷，用該方法來判斷灌水時間將帶來較大偏差，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間的主要依據，而根區土壤水分狀況是確定灌水定額的基礎。因此，如何根據根區土壤水分分布與根系生長分布準確估算CWSI并進一步控制灌溉是目前亟待解決的問題。
【發明內容】
[0005](一)要解決的技術問題
[0006]本發明要解決的技術問題為:如何根據根區土壤水分分布與根系生長分布準確估算作物水分脅迫指數CWSI并進一步控制灌溉。[0007](二)技術方案
[0008]為了解決該技術問題，根據本發明的一方面，提出了一種基于作物根區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 ，設定作物在每層土壤中的相對根長密度Lnrd(^i)、萎焉系數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]計算根區加權平均土壤含水量
【權利要求】
1.一種基于作物根區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設定作物在每層土壤中的相對根長密度Lmd(zJ、萎焉系數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 ；
計算根區加權平均土壤含水量P:
2.如權利要求1所述的基于作物根區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土壤，并在土壤水分探針上對應的各土層深度處設有一個土壤水分傳感器，從而測得每層土壤的含水量Θ i。
3.如權利要求2所述的基于作物根區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，是將分布在灌溉區域內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.如權利要求1所述的基于作物根區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設定計劃濕潤層深度，記錄從表層到計劃濕潤層深度的土壤層數n，設定田間持水量Qf、土壤灌溉濕潤比p、田間水分有效利用系數η和灌溉面積A， 按下式計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； 當實際灌水量達到理論灌水量時，停止灌水。
5.如權利要求1至4其中任一項所述的基于作物根區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: 當計算得到的CWSI大于預定的臨界值時，若預報在設定的時間區間內有降雨，則不灌水，否則開始灌水。
6.一種基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制系統，其特征在于，該系統包括參數輸入子系統、土壤水分采集子系統、中央決策子系統和灌水控制子系統: 參數輸入子系統，用于設定作物的最大扎根深度Lp灌溉區域內從土壤表層至最大扎根深度L處所分的層數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，用于測量每層土壤的含水量Θ i，并發送給中央決策子系統； 中央決策子系統，包括計算模塊、天氣預報模塊和決策模塊； 計算模塊，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 ;然后計算根區加權平均土壤含水量θ:
7.如權利要求6所述的基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制系統，其特征在于， 所述土壤水分采集子系統，包括土壤水分探針，土壤水分探針上對應每層土壤設有一個土壤水分傳感器，通過將土壤水分探針垂直插入根區土壤，從而測得每層土壤的含水量Θ JO
8.如權利要求7所述的基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制系統，其特征在于， 在灌溉控制區域內，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，是將灌溉區域內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.如權利要求6所述的基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制系統，其特征在于， 參數輸入子系統，還用于輸入從表層到計劃濕潤層深度的土壤層數n，并設定田間持水量Qf、土壤灌溉濕潤比p、田間水分有效利用系數η和灌溉面積A; 中央決策子系統的計算模塊還包括計算單位面積的灌水定額M:
10.如權利要求6-9其中任一項所述的基于作物根區土壤水分與根系分布的灌溉控制系統，其特征在于， 中央決策子系統還包括天氣預報模塊，用于接收天氣預報，當預報在設定的時間區間內有降雨時，則中央決策子系統中的決策模塊不發出開始灌水的指令。
【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 優先權日:2013年9月30日
【發明者】石建初, 左強, 戴秋明 申請人:中國農業大學