CN101946643B

CN101946643B - 作物需水状态检测方法

Info

Publication number: CN101946643B
Application number: CN2010102563830A
Authority: CN
Inventors: 王忠义; 黄岚; 文星; 师玉玲; 秦杨
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-08-18
Also published as: CN101946643A

Abstract

本发明公开了一种作物需水状态检测方法，包括：检测作物的茎秆直径的变化，统计茎秆的直径值，记录茎秆直径是否出现负增长；在检测直径变化的同时检测作物的茎流变化，记录茎流减小量是否超过预定值；根据作物茎秆的负增长状态和茎流变化状态判断作物的需水程度。本发明能够准确地、快速地且非破坏性地检测作物的水分状态。

Description

作物需水状态检测方法

技术领域

本发明涉及农业技术中作物水分检测技术领域，特别涉及一种作物需水状态检测方法。

背景技术

根据作物缺水信息实施精量灌溉控制是提高水的利用率和生产效率的重要途径之一。目前国内作物缺水状况的诊断主要是以一些传统的方法为主，如依据土壤水分、叶水势、叶片相对含水量等指标，但这些指标都存在各种各样的缺陷。土壤水分仅仅反映了作物的水分供应情况，并不能直接反映作物自身的水分状况；叶水势、叶片相对含水量等生理指标虽然从本质上反映了作物缺水程度，由于指标测定对样品具有破坏性，目前也缺乏能自动监测的仪器，难以提供适时、准确的作物需水信息。

近年来，许多先进的作物水分自动监测方法，特别是作物生理特征反映作物缺水状况的方法受到关注，如利用热脉冲法测定作物蒸腾量、利用红外测温技术诊断作物水分状况等，就这些单一监测方法在国外已形成相对成熟的技术，并在一些商业果园和温室的灌溉系统中得到广泛应用。

然而，就单一监测方法而言，只能从一个方面反映水分状况，例如采用热脉冲法测定作物蒸腾量，是通过测量植物木质部位上升液流动速度及流量来确定树冠蒸腾耗水量，从而间接反映植物内部的水分状况，其准确度并不高；而利用红外测温技术诊断水分状况是通过测量叶气温差来推断的，其各种环境因素产生的辐射和热传导都会造成误差，并且就其单一的监测方法而言，其准确度有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现准确地、快速地且非破坏性地检测作物的水分状态。

(二)技术方案

一种作物需水状态检测方法，包括以下步骤：

S1：检测作物的茎杆直径的变化，统计茎杆的直径值，记录茎杆直径是否出现负增长；

S2：在检测直径变化的同时检测作物的茎流变化，记录茎流减小量是否超过预定值；

S3：根据作物茎杆的负增长和茎流变化判断作物的需水程度。

其中，所述步骤S1中采用茎杆直径传感器来检测所述作物的茎秆直径，所述茎杆直径传感器的铁心通过触头与作物茎杆接触，当茎杆直径变化时触头使铁心发生位移，茎杆直径传感器中差动变压器的次级线圈输出电压V_A，根据公式：l＝kV_A计算出茎杆直径的变化值l，其中，k为茎杆直径传感器的标定常数。

其中，所述负增长为：当天测得的茎杆直径最大值小于前一天的最大值。

其中，所述步骤S2中利用茎流传感器中热电偶接触作物茎杆，根据作物茎杆中液流运动产生的热传输和散发至周围的辐射热通量输出电压U_tec，根据公式：f＝KU_tec+B计算出作物茎流f，其中，K和B为茎流传感器标定系数。

其中，所述预定值为当太阳总辐射在90～1800W·m^-2变化时，作物最大茎流的20％。

其中，所述步骤S3具体判断方式为：若直径没出现负增长并茎流减小量未超过预定值，则作物水分含量正常，否则需要水分。

(三)有益效果

本发明通过检测作物茎秆直径和茎流两种方式结合能够更准确的检测作物的水分状态，并且采用茎杆直径传感器和茎流传感器对作物进行水分状态进行检测，达到了快速地且非破坏性地检测，检测时间小于60秒，并且稳定可靠，专一性强，适合于现场长期监测。

附图说明

图1是本发明实施例的作物需水状态检测方法流程图；

图2是图1方法中使用茎杆直径传感器和茎流传感器检测示意图；

图3是图2中使用茎杆直径传感器检测作物茎杆直径的示意图；

图4是图2中使用茎流传感器检测作物茎流的示意图；

图5对图4中茎流传感器标定实验示意图。

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详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了进一步提高水分检测的准确度，本发明将利用作物茎秆直径和作物茎流传感器进行数据融合，形成新指标并作为一种更有效的作物需水状态检测方法，识别出水分胁迫(需要水的迫切程度)的发生。

如图1所示，为本发明实施例的作物需水状态检测方法流程图，包括以下步骤：

步骤S101，检测作物的茎杆直径的变化，统计茎杆的直径值，记录茎杆直径是否出现负增长。可以天为单位对作物直径进行统计，记录一天中直径的最大值，当该最大值小于前一天的最大值，则说明茎杆直径出现了负增长，表明作物水分含量相对减少。将负增长的状态作为一个判断作物水分状态的指标，记为P，若有负增长。则P＝1，否则P＝0。

步骤S102，在检测直径变化的同时检测作物的茎流变化，并记录茎流的变化状态，将茎流变化状态也作为一个判断作物水分状态的指标，记为Q。，当太阳总辐射在90～1800W·m^-2变化时，若茎流减小量不超过预定值，如作物最大茎流的20％，表明作物水分含量相对减少，则Q＝1，否则Q＝0。所述作物最大茎流的20％是长期的实验得出的判断作物水分含量相对减少的阈值，本领域技术人员可以根据实验和实际环境情况取其它合理的判断作物水分含量相对减少的阈值，如10％～30％。

步骤S103，根据作物茎杆的负增长状态(指标P)和茎流变化状态(指标Q)判断作物的需水程度。若直径没出现负增长并茎流减小量未超过预定值，则作物水分含量正常，否则需要水分。即用指标判断为：

当P＝0，Q＝0，时作物水分状态良好，不需要水分，否则(【P＝1，Q＝0】、【P＝0，Q＝1】和【P＝1，Q＝1】)作物需要及时补充水分。

在本实施例中，步骤S101中测量作物茎杆直径时优选使用茎杆直径传感器，步骤S102中测量作物茎流时优选使用茎流传感器，两传感器都与作物茎杆接触，如图2所示。

如图3所示，步骤S101中采用茎杆直径传感器检测茎杆直径的示意图，激励源301产生1kHz的幅度为1V的正弦信号V_B，输入到差动变压器302的初级线圈，差动变压器中央铁心一端连接弹簧，一端连接于作物茎秆接触的触头。当铁芯由于作物茎杆直径变化而产生位移时，差动变压器的次级线圈输出电压为V_A，将V_A、V_B分别连到检测单元303，检测单元303输出电压：

U = 0.7 \frac{V_{A}}{V_{B}} = 0.7 V_{A}

直径计算公式为：l＝kV_A，l为直径的改变，k是标定后的一个常数；此实施例中激励源301和检测单元303有集成芯片AD698中不同组成部分实现；作为实施例，差动变压器302选择10mm量程的GGD19回弹式LVDT位移传感器，检测单元303输出电压U输入到信号处理单元304，信号处理单元304将模拟信号转换为数字量，装换结果由中央处理单元305计算处理，计算出茎杆直径并将计算结果保存到存储单元306中，在本实施例采用了一片微控制器C8051F020，中央处理单元305由微控制器C8051F020所含的微处理器实现，信号处理单元304由微控制器C8051F020所含的12位模拟数字转换器实现，存储单元306由微控制器C8051F020所含的RAM和ROM；输入输出单元307为键盘和显示器。

如图4所示，步骤S102中采用茎流传感器检测作物的茎流。茎流传感器中4011、4012分别是热电偶的两个输出端，经导线4041、导线4043将连到数据采集与控制单元403上，数据采集与控制单元403，还负责对加热器402进行控制，控制信息由导线4042传送；数据采集与控制单元403中含有热电偶放大器、12位模拟数字转器、8位微控制器、32Kflash ROM和4KRAM，数据采集与控制单元可以计算出作物茎流值。

图5为本发明涉及的作物茎流传感器标定实验结构示意图，以番茄茎杆为例来说明该标定实验。实验中用到的器材包括：2个用导管连通的容量瓶，1个2ml量筒，1个空瓶，番茄茎杆若干，Hoagland溶液，导管若干，茎流传感器，硅胶，生料带，密封胶等。

按照如图5所示连接装置，其中容器501和输液瓶503之间通过橡皮导管502连通，容器501中的植物营养液为Hoagland溶液。通过输液瓶503的高度调整或导管502上调速开关改变容器501内的压强，容器501内压强的变化将会导致番茄茎杆的茎流速度变化；容器501有一个带塞子的开口，在塞子上打一个孔径稍大于番茄茎杆直径的小孔以备番茄茎杆插入；采用倒立的空瓶504，番茄茎杆的上端插入空瓶504内，量筒506和空瓶504通过导管505相连，通过测量量筒在一定时间段里的液体质量计算出茎流速率。

在实验过程中需要注意保持各个容器具有良好的密封性，特别是容器501和空瓶504与番茄茎杆的接口处需要很好的密封性。为增强容器501和空瓶504的密闭性，在不伤害番茄茎杆的前提下，涂抹少量的硅胶在茎杆的凹槽中，然后用生料带防水胶布将茎杆包裹，将茎杆两端分别插对应的容器的塞子中。在塞子与茎杆接触的内侧与外侧分别涂上密封胶，阻止液体从茎杆的表面或者塞缝中流出，确保容积具有可靠的密闭性。

用所述的茎流传感器对该番茄茎杆进行测试，保持环境温度、湿度稳定，每0.5小时，读出传感器输出值，并记录量筒的溶液变化量，记录不少于2.5小时；用实测的得到的f值和U_tec值进行回归，获得参数K和B。将实验数据记录在表1中，则K＝0.006m1·h^-1·mV^-1，B＝-1.9781ml/h。

表1茎流传感器标定时的实验数据

作为实施效果，当采用负水头设定供水吸力值为9kPa，为供水不充分，当出现当茎干直径出现负增长(某一天的茎直径最大值小于前一天的最大值)时，且茎流传感器监测作物茎流，当太阳总辐射90～1800W·m^-2变化时，若茎流减小量超过最大茎流的20％，则作物水分胁迫发生率为95％。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种作物需水状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2：在检测直径变化的同时检测作物的茎流变化，记录茎流减小量是否超过预定值，所述预定值为当太阳总辐射在90～1800W·m^-2变化时，作物最大茎流的20％；

2.如权利要求1所述的作物需水状态检测方法，其特征在于，所述步骤S1中采用茎杆直径传感器来检测所述作物的茎秆直径，所述茎杆直径传感器的铁心通过触头与作物茎杆接触，当茎杆直径变化时触头使铁心发生位移，茎杆直径传感器中差动变压器的次级线圈输出电压V_A，根据公式：l＝kV_A计算出茎杆直径的变化值l，其中，k为茎杆直径传感器的标定常数。

3.如权利要求1或2所述的作物需水状态检测方法，其特征在于，所述负增长为：当天测得的茎杆直径最大值小于前一天的最大值。

4.如权利要求1所述的作物需水状态检测方法，其特征在于，所述步骤S2中利用茎流传感器中热电偶接触作物茎杆，根据作物茎杆中液流运动产生的热传输和散发至周围的辐射热通量输出电压U_tec，根据公式：f＝KU_tec+B计算出作物茎流f，其中，K和B为茎流传感器标定系数。

5.如权利要求1所述的作物需水状态检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体判断方式为：若直径没出现负增长并茎流减小量未超过预定值，则作物水分含量正常，否则需要水分。