CN101411299B - 植物叶片膨压感应节水灌溉自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种植物叶片膨压感应节水灌溉自动控制方法，应用感应节水灌溉自动控制装置，是以缺水的植物叶片进入红外感应区为信号，利用作物缺水导致叶片水势和膨压降低的生理特征，根据叶片垂度与膨压间的反相关关系，结合作物亏缺补偿节水灌溉原理，应用红外感应技术探测到叶片垂度变化，经感应器探测控制实现灌溉水的自动出流和断流。本发明更直接、更全面、更快速、更灵敏地反应植物的生理需水要求，结合补偿节水灌溉的原理技术，控制精度高，节水效果好，预计节水率为30％，能满足使用者准确、简单、快速和轻松的田间灌溉控制要求，可以带来明显的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明属一种节水自动灌溉控制系统的实现方法，主要涉及一种基于植物叶片膨压变化的自动灌溉控制方法，基于叶片垂度与膨压间反相关的生理特征以及亏缺补偿节水灌溉理论和红外传感测控技术。
背景技术
现有的自动灌溉系统大多基于土壤水分含量或者空气湿度的监测，或利用固定时间间隔的方式实现。并非直接检测植物本身的生理缺水状况，真正有效地根据植物的生理需水要求来控制自动灌溉。
目前发展的节水灌溉技术通常都是基于土壤和空气的湿度等环境因子的变化感应来控制(TORO CO.PC-programmed irrigation control system：美国，US7010395.2006.03.07李仁发；罗娟；曾凡仔；文建国；付彬；魏叶华；李瑞芳.基于无线传感器网络的农业节水灌溉系统与方法：中国，CN200610032350.1.2008.04.02)，对灌溉系统的改良多停留在从防渗措施的改进工作上，比如加入某种介质或者对耕地土壤进行机械处理改良土壤的防渗性(利部科技推广中心；江苏省水利科学研究所.密实土壤水稻节水灌溉方法：中国，CN200310106073.0.2004.09.15黄俊友.稻田拌浆节水灌溉方法：中国，CN200410041932.7.2005.03.23)和对灌溉水管等装备的改进，利用渗灌、滴灌、喷灌等方法减慢灌溉水的出流，减少无效蒸发和渗透。(ANDERSON DALE D.Filtering device for an irrigation system：美国US7032834.2006.04.25曹新科.节水灌溉装置：中国，CN99235060.3.2000.08.16)
也有基于这些要求进行的改进环境感应控制研究(TORO CO.Intelligentenvironmental sensor for irrigation systems：美国，US7010394.2006.03.07)
但是由于外界条件的多变性，不同地域土地条件的多样性，不同土壤的地质结构复杂性，且不同作物的对土地的含水量要求不一致性使得基于土壤空气等环境湿度的自动灌溉系统很难有普适性和高效性，并不能真正实时准确地反应植物的生理需水要求，实现高效灌溉。
现有的灌溉系统大都没有根据植物的生理水分状况来满足植物的水分需求。较先进的此类灌溉技术有基于植物器官微尺寸变化检测的智能节水灌溉系统，利用植物叶片的厚度、果实重量变化、生长速率变化等特征参数来实现自动灌溉，(李东升.基于植物器官微尺寸变化检测的智能节水灌溉系统：中国，CN03150690.9.2004.07.28)
也有根据作物的不同生长时期的灌溉措施。在植物的生长期减少灌溉频率，从而使得植物能够长成更深更强壮的根系(AQUA CONSERVATIONSYSTEMS INC.Automatic adjustment of irrigation schedule according tocondition ofplants：美国，US2002072829)，有利于植株后来的吸水能力和抗旱性。
根据植物的生根状况，成熟状态和健康状况调整灌溉的自动灌溉系统(AQUA CONSERVATION SYSTEMS INC.Automatic adjustment of irrigationschedule according to condition of plants：美国，US2002072829.2002.06.13)
以及根据不同的生理时段融合水灌溉和杀虫剂喷洒设计融合多种液体输送管道的(SKINNER PAUL.System for automated monitoring and maintenance ofcrops including computer control of irrigation and chemical delivery using multiplechannel conduit：美国，US2002183935.2002.12.05)
当灌溉系统中水的流失，渗漏和无效蒸发降到最低后，研究发掘基于作物生理需水要求和作物生理节水潜力的自动灌溉系统是非常重要的，其空间和前景将是非常广阔的。随着作物缺水补偿机制研究的深入以及对作物在缺水后复水的生长、发育、生殖、产量等生理特征的详细研究，亏缺补偿节水已成为农业节水灌溉新的追求理念，补偿节水灌溉(调亏灌溉)技术的发展也已渐成农业节水灌溉趋势。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种植物叶片膨压感应节水灌溉自动控制方法，是以缺水的植物叶片进入红外感应区为信号，经感应器探测控制实现灌溉水的自动出流和断流。具体通过以下步骤实现：
(1)准备：选用感应节水灌溉自动控制装置，由控制箱、红外探测器、支架、连接杆构成，控制箱固定在支架下端，红外探测器与连接杆连接，并通过可调连接螺丝固定到支架上端，连接杆固定在支架上的位置可上下调节，红外探测器的感应板上设有叶片夹，用于将叶片固定在感应板，控制箱设有控制面板、出水口和进水口，控制面板上设有指示灯、手动开关；控制面板材质选用不锈钢，支架管和连接杆选用4分硬质PVC管，内布控制系统电线。
(2)监测：当土壤水是饱和时，选取植株的一片叶片(完全展开的成熟叶片)，在距离叶尖L厘米、并低于对应叶H厘米高度的AB段，用叶片夹将其固定在感应板上，在每天的一个固定时间段开启控制面板上的手动开关，使得感应模块运行，此时自动控制系统打开，但是此时AB段叶片处于感应区之外，即不能反射感应器主动发射的红外线，控制系统出水口处于关闭状态；
(3)出水：在土壤水势降低，植株受到干旱胁迫后，叶水势和叶片膨压随着水势降低而下降，叶片垂度与膨压间的反相关性生理特征使得AB段叶片位置下降，进入红外探测器的感应范围内，即AB段叶片反射感应器主动发射的红外线，使得控制系统出水口打开，开始自动灌溉；
(4)关闭：在自动灌溉同时，红外感应模块工作，当出水口输出的灌溉水使得土壤水含量上升，作物叶片的膨压和叶水势恢复，叶片垂度与膨压间的反相关性生理特征使得AB段叶片位置上升，AB段叶片离开感应区，自动出水口关闭，完成一次自动灌溉，循环进行监测——出水——关闭，实现灌溉自动控制。
本发明的准备阶段选择在土壤水饱和时，使植物叶片处于感应器探测距离的临界位置，利用植物受到一定程度的干旱胁迫后，叶的水势下降，膨压降低，表现出生理萎蔫现象，叶片位置下移，进入红外探测器探测范围内，出水口打开，水出流，开始灌溉；当土壤水势上升，达到作物需要的流量后，叶片膨压和叶水势的上升使AB段叶片上升到红外感应探测器的感应范围之外，出水口关闭。
本发明是基于植物叶片膨压变化的自动灌溉控制系统，利用叶片垂度与膨压间反相关的生理特征以及作物亏缺补偿原理和红外传感测控技术发展的补偿节水自动灌溉系统方法。
本发明的有益之处是：应用红外感应探测技术，结合作物补偿节水机制的原理和调亏灌溉技术，直接根据植物的膨压变化和生理需水状况来控制自动灌溉。本发明在应用红外感应器探测控制灌溉水自动出流和断流技术的同时，有效地推广了红外感应自动水流技术和产品的应用，实现红外感应探测器和自动水流产品在灌溉系统的新利用。
附图说明
图1为实验装置图。
图2为控制面板示意图。
图3为实验原理图。
具体实施方式
本发明结合附图和实施例作进一步的说明。
实施例1
参见图1、图2，感应节水灌溉自动控制装置：由控制箱1、红外探测器2、支架3、连接杆4构成，控制箱1固定在支架3下端，红外探测器2与连接杆4连接，并通过可调连接螺丝5固定到支架3上端(连接杆固定在支架上的位置可根据植物实际高度上下调节)，红外探测器2的感应板上设有叶片夹6，用于将叶片固定在感应面板(即固定在红外探测器)上，控制箱1设有控制面板7、出水口8和进水口9，控制面板7上设有指示灯10、手动开启开关11和手动关闭开关12。指示灯10起指示控制系统状态的作用，当控制系统被打开处于监测状态时，指示灯亮，当监测到干旱胁迫导致的水势和膨压降低的叶片时，出水口8打开并开始自动灌溉时，指示灯闪烁，进水口9连接外界水源。红外探测器选用型号为主动式红外感应模块HP-IR-JK-H。
参照图1、图3，监测：在土壤水是饱和时，选取植株的一片叶片(完全展开的成熟叶片)，在距离叶尖(A)22-24厘米(L)距离的(B)点、且低于对应叶高度(H)1厘米的地方，用叶片夹6将其固定在感应面板2上，在每天的一个固定时间段开启控制面板2上的开启手动开关11，使得感应模块运行，此时自动控制系统打开，但是此时AB段(距离L)叶片处于感应区之外，即不能反射感应器主动发射的红外线，出水口8处于关闭状态；
出水：当土壤水势降低，植株受到干旱胁迫后，叶水势和叶片膨压随着土壤水势降低而下降，叶片垂度与膨压间的反相关性生理特征使得叶片位置(AB段叶片)下降，进入红外探测器的感应范围内，即AB段叶片反射感应器主动发射的红外线，使得出水口8自动打开，进水口9自动进水，开始自动灌溉；
关闭：自动灌溉同时，土壤水势上升，当达到作物需要的流量后，叶片膨压和叶水势的上升使AB段叶片上升到红外感应探测器的感应范围之外，出水口8关闭，完成一次自动灌溉，循环进行监测—出水—关闭，实现灌溉自动控制。
所述的L为22-24厘米，所述的H为1厘米。
当环境气候变化，不需要灌溉时，通过关闭手动开关12，停止整个灌溉系统。
具体涉及参数：电源：AC220V或DC6V(使用4节5号碱性电池)，静态功耗：≤0.5mW(DC6V)≤3W(AC220V)，感应范围：15CM自动测距，适用水压：0.02-0.8Mpa，即最低所需水压0.02MPa；最高设计水压为0.8Mpa。使用环境温度：1-55℃，进出水管径：G(1/2)″。
实施例2 水稻(作物)实验
1 材料与方法
1.1 试验设计
参见图1、图2，选用实施例1的红外探测器。
水稻实验在浙江大学生命科学学院玻顶网室(浙江杭州，120.2E，30.3N)进行，数据测量季节为春季4月底到5月底，平均温度20到23度，相对湿度为75％到80％。所有数据测量都在北京时间上午八到十点完成。采用土壤水分测定仪测定容积含水量，在土壤水分饱和时，叶片夹6处B与叶尖A的距离L为22-24厘米，低于对应叶位置H为1厘米的地方，用叶片夹6固定叶片。
1.1.1 栽培方式与处理
种植水稻(协优63)用高13.5cm，上口内径为16cm的聚丙烯塑料桶。实验土为附近稻田土。3月中旬移栽三叶期秧苗至装有15千克土壤，表面有3cm积水层的桶内。
每桶种植3株，栽种之前按每株尿素0.5g，复合肥1.2g施肥。土壤表面保持3cm积水层直到水分控制处理。
1.2 测定方法(参照实施例1的自动灌溉控制方法步骤)
1.2.1 叶水势的测定方法
水稻在分蘖期测量数据，取第三片完全展开叶作为实验对象。采用WESCOR公司生产的VAPRO5520测量叶的水势。
1.2.2 土壤含水量的测定方法
采用Delta-T Devices Ltd生产的W.E.T Sensor WET-1测量土壤含水量，测量的是容积含水量。
2 结果与分析
控水时间和土壤含水量(FWC)与叶水势Ψ之间的对应关系
水稻
| 天数 | 第一天 | 第二天 | 第三天 | 第四天 | 第五天 |
| FWC | 53.1％ | 46.3％ | 43％ | 38％ | 28％ |
| Ψ(MPa) | -2.02 | -2.29 | -2.43 | -2.60 | -2.78 |
实验说明：实验开始时如栽培方式所述，保持土壤水势，叶片夹处B与叶尖A为距离L为22厘米，低于对应叶位置H为1厘米的地方，用叶片夹固定叶片。当水稻实验控水处理第五天时，叶片水势降低到-2.78MPa，AB叶段进入感应区，控制系统出流水开启；灌溉进行，随着土壤水势升高，叶片水势重新升至-2.28MPa左右时，AB段离开感应区，水流关闭，停止灌溉。具体涉及参数同实施例1。
实施例3 吉祥草(观赏性植物)实验
1 材料与方法
1.1 试验设计
参见图1、图2，选用实施例1的红外探测器。
吉祥草实验在浙江大学生命科学学院121实验室(浙江杭州，120.2E，30.3N)进行，吉祥草置于窗台，数据测量季节为春季4月底到5月底，平均温度20到23度，相对湿度为75％到80％。所有数据测量都在北京时间上午八到十点完成。采用土壤水分测定仪测定容积含水量，在土壤水分饱和时，叶片夹处B与叶尖A的距离L为22厘米，低于对应叶位置H为1厘米的地方，用叶片夹固定叶片。
1.1.1 栽培方式与处理
吉祥草的苗直接由花店购买，种植在高25cm，内径25cm的花盆里，花盆底有漏水孔。实验土壤为附近稻田土保持土壤湿度在46％左右知道水分控制处理。
1.2 测定方法(参照实施例1的自动灌溉控制方法步骤)
1.2.1 叶水势的测定方法
取吉祥草的第三对完全展开叶作为实验对象叶。采用WESCOR公司生产的VAPRO5520测量叶的水势。
1.2.2 土壤含水量的测定方法
采用Delta-T Devices Ltd生产的W.E.T Sensor WET-1测量土壤含水量，测量的是容积含水量。
2 结果与分析
控水时间和土壤含水量FWC与叶水势Ψ之间的对应关系
吉祥草
| 天数 | 第一天 | 第四天 | 第七天 | 第十天 | 第十二天 |
| FWC | 45.2％ | 40.7％ | 37％ | 31％ | 26％ |
| Ψ(MPa) | -2.37 | -2.64 | -2.81 | -3.05 | -3.15 |
实验说明：实验开始时如栽培方式所述，保持土壤水势，叶片夹处B与叶尖A为距离L为22厘米，低于对应叶位置H为1厘米的地方，用叶片夹固定叶片。吉祥草在空水处理第十二天，叶片水势降低到-3.15MPa，AB段进入感应区，控制系统出流水开启。叶片水势重新升至-2.80MPa左右时，AB段离开感应区，水流关闭，停止灌溉。
Claims (3)
1.一种植物叶片膨压感应节水灌溉自动控制方法，其特征在于：是以缺水的植物叶片进入红外感应区为信号，经感应器探测控制实现灌溉水的自动出流和断流，具体通过以下步骤实现：
(1)准备：选用感应节水灌溉自动控制装置，由控制箱(1)、红外探测器(2)、支架(3)、连接杆(4)构成，控制箱(1)固定在支架(3)下端，红外探测器(2)与连接杆(4)连接，并通过可调连接螺丝(5)固定到支架(3)上端，红外探测器(2)的感应板上设有叶片夹(6)，用于将叶片固定在红外探测器(2)的感应板上，控制箱(1)设有控制面板(7)、出水口(8)和进水口(9)，控制面板(7)上设有指示灯(10)、手动开关(11，12)，进水口(9)连接外界水源；
(2)监测：当土壤水饱和时，选取植株的一片完全展开的成熟叶片，在距离叶尖L厘米、并低于对应叶H厘米高度的叶片AB段，用叶片夹(6)将其固定在感应板上，在每天的一个固定时间段开启控制面板上的手动开关(11)；
(3)出水：在土壤水势降低，叶片垂度与膨压间的反相关性生理特征使得AB段叶片位置下降，AB段叶片反射感应器主动发射的红外线，使得控制箱出水口(8)打开，进水口(9)进水，开始自动灌溉；
(4)关闭：当出水口输出的灌溉水使得土壤水含量上升，植物叶片的膨压和叶水势恢复，叶片垂度与膨压间的反相关性生理特征使得AB段叶片位置上升，AB段叶片离开感应区，出水口(8)自动关闭，完成一次自动灌溉，循环进行监测-出水-关闭，实现灌溉自动控制。
2.根据权利要求1所述的一种植物叶片膨压感应节水灌溉自动控制方法，其特征在于：步骤(1)所述的控制面板材质选用不锈钢，支架和连接杆选用4分硬质PVC管。
3.根据权利要求1所述的一种植物叶片膨压感应节水灌溉自动控制方法，其特征在于：步骤(2)所述的L为22-24厘米，所述的H为1厘米。
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