CN103461077B - 确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和烟田灌溉指导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和烟田灌溉指导装置,能够针对不同“烤烟生育期—土壤质地种类”现场测定土壤水分并计算出当前持水率和所需灌水量,结合预报近期降雨情况计算出指导灌水量,还可以根据灌溉方式计算出建议灌水量。本发明的烟田灌溉指导装置包括依次相连接的土壤水分传感器(1)、数据采集器(2)和便携式智能终端(3),还包括数据采集通讯程序模块(25)和灌溉指导程序模块(31),该灌溉指导程序模块(31)采用本发明的计算方法对理论灌水量进行计算。本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和烟田灌溉指导装置具有方法科学、结果定量、结构简单、携带方便等特点,适合广大烟农和烤烟生产领域技术人员使用。

Description

确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和烟田灌溉指导装置
技术领域
本发明涉及一种确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和应用该方法进行烟田灌溉指导的装置,尤其是一种可实现对烟田土壤水分进行现场测定并根据测定的土壤水分结合烤烟生育期、土壤质地种类、预报的降雨情况和灌溉方式对灌溉的灌溉的理论灌水量进行计算确定的方法和烟田灌溉指导的装置。
背景技术
烤烟植株较高,叶片较大,组织柔嫩,含水量多,田间需水量大。研究表明,植烟土壤水分不足将大大降低烟叶产量和质量,同时,也不是土壤水分越多越好。就灌溉而言,土壤水分过多一方面会限制烤烟根系发育,对烟叶产量、尤其是质量产生不良影响,另一方面,也势必造成水资源的无谓浪费。因此,在烤烟大田生长阶段,当土壤水分不能完全满足烟株生长发育和烟叶产量、品质形成需要时,适时适量灌溉是获得烟叶优质高产的有效措施之一。
与此同时,烟田灌水时机和灌水量的确定要考虑许多因素,如烤烟在不同生育期的需水规律、土壤含水量、灌溉方式和气候条件等,其中烤烟在不同生育期的需水规律和土壤的含水量是确定烟田灌水时机和灌水量的主要依据。据研究,烤烟在不同的生育期对土壤含水量的要求是不一样的,如团棵期烤烟对水分的需要量相对较小,阶段耗水量约占全生育期耗水总量的16%~20%,此期土壤含水量轻度低一些可以促进烟株根系的发育,而对烟叶产量和质量没有明显的不良影响;旺长期烤烟对水分的需要量最大并且反应最敏感,阶段耗水量约占全生育期耗水总量的44%~46%,此期干旱对烟叶产量的影响最大;成熟期烤烟对水分的需要量又趋减少,阶段耗水量约占全生育期耗水总量的35%~37%,但此期干旱对烟叶品质乃至易烤性的影响较为显著。
因此,烟田灌水时机和灌水量的确定是烟田生产过程中的一个十分重要和突出的问题,更是提高烟叶产量和质量的主要技术措施与途径。
目前,在我国烤烟产区常用的灌溉指导方法有“看天、看地、看烟株(苗)”方法。所谓“看天”是看降雨情况,长时间不下雨就需要灌溉;所谓“看地”是看土壤含水量情况,用手抓烟株根际10cm左右的土壤,若手握成团,掉下散开,说明土壤水分适宜,若手握不能成团,则需要灌溉;所谓“看烟株(苗)”是根据苗情进行直观判断是否需要灌溉,通常的做法是观察中午12:00~14:00叶片情况,如此时烟株叶片出现凋萎,傍晚也不能恢复正常,表明土壤缺水,应及时灌水。
上述常用的灌溉指导方法往往是以人为经验为主,口口相传,判断时模糊度过大、影响因子众多,方法本身也太过粗放、不够严谨,在一定程度上对灌溉时机尤其是灌水量的判断人为因素影响较大,更谈不上定量,不应是指导烤烟灌溉的较为理想的方法。另据研究,当烟株叶片出现凋萎时再灌水,以生理需水来说已经稍迟。
中国发明专利申请CN200910102684.5“制作图谱指导烤烟灌溉的方法”也是基于通过观察苗情变化(形态变化)来指导灌溉,具体为通过实验手段、在特定条件下建立烤烟形态变化图谱(图片)与土壤水分的关系,试图透过图谱(图片)来反映土壤水分并在一定程度上给出灌水量。应该承认,该申请将常用的灌溉指导方法进行了改进,具有一定的科学性,但是仍然存在着出现了凋萎再灌水已经对烟株生理需水造成了不利影响,同时还存在诸如方法粗放,通过实验手段、在特定条件下建立烤烟形态变化图谱(图片)与土壤水分的关系与大田的一致性存在问题,受烤烟种植地域气候影响大,与图谱(图片)不同的烤烟品种、不同的生育期、不同的土壤质地种类产生一定影响等情况,尚不能准确和客观地反映烤烟需水情况,不能根据烤烟不同的生育期、不同的土壤质地种类、变化的当前土壤水分等因素计算灌水量,更不能结合近期降雨预报等级科学计算灌水量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是发明一种确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和一种应用该方法进行理论灌水量计算确定的田间灌溉指导装置,该方法和装置能够采集土壤水分传感器输出的当前烟田土壤水分数据,针对不同“烤烟生育期—土壤质地种类”的期望田间持水率,在烤烟种植大田现场计算出当前持水率,进而计算出灌溉的所需灌水量,结合预报近期降雨情况对所需灌水量进一步修正,得出灌溉的指导灌水量,还可以再根据灌溉方式的选择或田间灌溉水利用系数的输入来计算灌溉的建议灌水量,用于指导灌溉。
本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法所述的理论灌水量包括所需灌水量、指导灌水量和建议灌水量,其确定方法包括以下步骤:
采集土壤水分传感器输出的以体积百分比为单位的当前烟田土壤水分数据;
确定所述所需灌水量
Vi=V0×m÷p
V=Vi÷Vmax
Wi=(Vh-V) ÷(m÷p)×Vmax×Ui=(Vh-V) ×(p÷m)×Vmax×Ui                        
式中:V0代表以体积百分比为单位的土壤水分,m代表水的密度,p代表土壤容重,Vi代表以质量百分比为单位的土壤水分,Vmax代表田间最大持水量,V代表当前持水率,Vh代表典型期望田间持水率,Ui代表烤烟根系活动层土壤体积,Wi代表所需灌水量;
确定所述指导灌水量
Wg=Wi×k 或者Wg= Wi–θ                                 
式中:Wg代表指导灌水量,Wi代表所述所需灌水量,k代表降雨修正系数并且0≤k≤1,θ代表不同生育期对应近期降雨预报等级的降雨因素减少修正值并且0≤θ≤Wi。
还可以包括以下步骤:
显示和/或通过短信传送和/或打印所述当前持水率和所述理论灌水量。
还可以在上述③之后                                                之前包括确定建议灌水量的步骤:
-计算所述建议灌水量
Ws=Wg÷(η×σ) 
式中:Ws代表建议灌水量,Wg代表所述指导灌水量,η代表田间灌溉水利用系数并且0.7≤η≤0.99,σ代表灌溉有效湿润面积比并且2%≤σ≤100%。
本发明的烟田灌溉指导装置包括依次相连接的土壤水分传感器、数据采集器和便携式智能终端;所述土壤水分传感器用于测量以体积百分比为单位的当前烟田土壤水分,所述数据采集器用于将当前以体积百分比为单位的土壤水分进行数据采集并将数据发送给所述便携式智能终端;所述便携式智能终端用于完成所述当前持水率和所述理论灌水量的确定、显示和/或通过短信传送和/或打印。进一步,还包括位于所述数据采集器内的数据采集通讯程序模块和位于所述便携式智能终端内的灌溉指导程序模块。
本发明的烟田灌溉指导装置中的数据采集器包括单片机、与所述单片机通过RS232口相连接并且与所述便携式智能终端通过USB口相连接的USB通讯电路模块、将所述土壤水分传感器输出的电压或电流信号进行适应性调理以满足单片机数据采集要求的信号调理电路模块和向所述土壤水分传感器、单片机、USB通讯电路模块、信号调理电路模块供电的供电电路模块以及完成数据采集、数据发送的数据采集通讯程序模块。
本发明的烟田灌溉指导装置的灌溉指导程序模块设置有典型土壤质地种类对应的土壤容重(g/cm3)—田间最大持水量(质量%)数据、烤烟生育期对应的根系活动层土壤体积和典型期望田间持水率数据、近期降雨预报等级对应的降雨修正系数和与生育期对应的降雨因素减少修正值数据以及灌溉方式对应的灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比数据;灌溉指导程序模块还设置有典型土壤质地种类、烤烟生育期、近期降雨预报等级以及灌溉方式选择菜单,在用户对所述烤烟生育期、土壤质地种类、近期降雨预报等级和灌溉方式作出了选择后,灌溉指导程序模块能够查找出土壤容重(g/cm3)—田间最大持水量(质量%)数据、烤烟生育期对应的根系活动层土壤体积和典型期望田间持水率数据、近期降雨预报等级对应的降雨修正系数和与生育期对应的降雨因素减少修正值数据以及灌溉方式对应的灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比数据。
为更好地适应不同土壤质地种类和不同灌溉方式的需要,灌溉指导程序模块还可以设置有所述土壤容重(g/cm3)—田间最大持水量(质量%)以及所述的灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比的数据输入窗口,在用户输入了土壤容重(g/cm3)—田间最大持水量(质量%)数据以及灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比数据后,灌溉指导程序模块保存所述输入的数据。
对当前持水率以及包括所需灌水量、指导灌水量和建议灌水量等的理论灌水量的计算可以按天为时间间隔滚动进行。
为充分适应实际应用情况,本发明的烟田灌溉指导装置的灌溉指导程序模块设置的典型土壤质地种类包括典型的砂土、砂壤土、壤土和黏土,对应上述典型土壤质地种类“土壤容重(g/cm3)—田间最大持水量(质量%)”数据分别取值为“1.4~1.6—9~11”、“1.3~1.5—19~21”、“1.3~1.5—24~26”和“1.2~1.4—29~31”;设置的典型期望田间持水率根据选择的烤烟生育期不同而取值范围不同,其对应所述团棵期、旺长期和成熟期的所述典型期望田间持水率取值范围分别为60%~65%、80%~85%和65%~70%;设置的烤烟根系活动层土壤体积按照正方体计算,根据所述用户选择的烤烟生育期不同而取值范围不同,其对应所述团棵期、旺长期和成熟期的所述长、宽、高的取值范围分别为5~20cm、20~35cm和35~45cm;设置的田间灌溉水利用系数η对应滴灌、喷灌、沟灌和漫灌方式分别取值为0.99~0.95、0.95~0.90、0.90~0.80和0.80~0.70;设置的不同灌溉方式的灌溉有效湿润面积比取值2%~100%。
本发明的烟田灌溉指导装置的便携式智能终端为具有标准USB接口的便携式计算机或者具有标准USB接口的平板电脑,还可以为具有MiniUSB口的平板电脑或者配置有触摸屏和MiniUSB口的智能手机,便携式智能终端内安装有windows、andriod或者ios智能操作系统。
本发明的有益效果在于能够现场直接测定烟田当前土壤水分,在烟田现场计算出当前持水率,确定灌溉的所需灌水量,再结合近期预报降雨情况对所需灌水量进一步修正,得出灌溉的指导灌水量,还可以根据灌溉方式计算出灌溉的建议灌水量,达到灌溉指导的目的。本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置克服了现有技术的不能定量指导灌溉、未能结合预报近期降雨情况和灌溉方式定量指导灌溉或者不能在烟田现场即时指导灌溉等不足,具有方法科学、结果定量、结构简单、携带方便等特点,顺应了现代烟草农业和节水灌溉的发展需求,不仅适合广大烟农使用,也同样适合烤烟生产领域技术人员进行烟田生产技术指导时使用。
附图说明
下面结合附图对本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置作进一步说明。
图1为本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置的采用USB口直接供电模式的总体构成示意图。
图2为本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置的采用蓄电池供电模式的总体构成示意图。
图3为本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置的数据采集通讯程序模块的流程图。
图4和图5为本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置的灌溉指导程序模块流程图。
上述图中:
1—土壤水分传感器     2—数据采集器             3—便携式智能终端
21—单片机            22—USB通讯转换电路模块   23—供电电路模块
24—信号调理电路模块  25—数据采集通讯程序模块
26—蓄电池            31灌溉指导程序模块
具体实施方式
通常,土壤水分传感器直接测量的含水量的单位是体积百分比,亦即每单位体积土壤中含有的水分体积,而目前据研究所公知的烤烟的典型期望田间持水率为期望的土壤含水量占田间最大持水量的百分比,其中田间最大持水量的单位为质量百分比。
设土壤水分传感器直接测量的以体积百分比为单位的土壤水分为V0,水的密度为m,土壤容重为p,以质量百分比为单位的土壤水分为Vi,则:
Vi=V0×m÷p                                (1)
设田间最大持水量为Vmax,则当前持水率V:
V=Vi÷Vmax                                 (2)
设期望的土壤持水率为Vh,当前烤烟根系活动层土壤体积为Ui,则所需灌水量Wi由下式计算:
Wi=(Vh-V) ÷(m÷p)×Vmax×Ui
=(Vh-V) ×(p÷m)×Vmax×Ui              (3)
由式(3)计算所需灌水量的过程可描述为按照用户选择的烤烟生育期的典型期望田间持水率与当前持水率的差值再乘以土壤容重与田间最大持水量的积后再乘以对应的烤烟根系活动层土壤体积来计算,若烤烟根系活动层土壤体积Ui的单位为cm3,则所需灌水量Wi的单位为g/株。
针对的典型土壤质地种类,包括典型的砂土、砂壤土、壤土和黏土,经对这4种典型土壤取样分析,得出对应上述典型土壤质地种类“土壤容重p(g/cm3)—田间最大持水量Vmax(质量%)”取值分别为“1.4~1.6—9~11”、“1.3~1.5—19~21”、“1.3~1.5—24~26”和“1.2~1.4—29~31”。
烤烟生育期包括团棵期、旺长期和成熟期,根据经验并结合现有技术,针对不同生育期的典型期望田间持水率和与其对应的根系活动层土壤体积数据,其对应关系表1所示。
表1:不同生育期的典型期望田间持水率和与其对应的根系活动层土壤体积
生育期         期望田间持水率(%) 根系活动层土壤体积范围(长×宽×深,单位cm3
团棵期 60~65 5~20,125~8000
旺长期 80~85 20~35,8000~42875
成熟期 65~70 35~45,42875~91125
表1中,对应团棵期、旺长期和成熟期的烤烟根系活动层土壤体积(长×宽×深,单位cm3)均简化为长、宽和深相等的正方体,单位为cm,通常可以简化取体积的中间某一近似值,如作为一种实施方式,对应团棵期、旺长期和成熟期的烤烟根系活动层土壤体积取值为5000、30000和45000。
由此,灌溉指导程序模块31设置的典型期望田间持水率对应团棵期、旺长期和成熟期的取值,其总体取值范围为60%~85%;烤烟根系活动层土壤体积对应团棵期、旺长期和成熟期的取值,其长、宽、高的总体取值范围分别为5~45cm,对应体积125~91125 cm3
为了避免在权威部门已经发出未来有降雨的预报而在即将发生降雨之前仍然进行灌溉所带来的明显灌溉不合理性、避免水资源的浪费,本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置可进一步计算出指导灌水量Wg,计算主要根据权威部门发布的近期降雨预报情况,其作用主要是为了尽量避免仅根据当前土壤水分情况进行灌溉而近期(尤其是未来12~48小时内)又极有可能发生降雨造成的无效灌溉及浪费。具体计算方法为:
Wg=Wi×k                                   (4)
 
式(4)中,k为降雨修正系数,式(5)给出了k的取值,其中R代表权威部门预报的近期降雨预报等级,R=O代表预报无降雨,R=S代表预报有小雨,R=M代表预报有中雨,R=L代表当预报有大雨以上时。当R=S、R=M时,之所以k的取值有较大范围,是因为为简便起见,对降雨等级的划分进行了简化,事实上,降雨等级划分要细化得多,且对应降雨量的变化范围也比较大。
式(4)及式(5)采用了比例系数修正法,还可以采用降雨因素减少修正法:
Wg= Wi–θ                                 (6)
式(6)中θ代表不同生育期对应不同降雨量的降雨因素减少修正值,参考降雨量等级对应预报近期降雨量预报的数值,如θ可以如表2取值:
表2:不同生育期对应不同降雨量的降雨因素减少修正值
下面对表中θ的取值计算过程进行以下几点简单说明:
降雨等级R对应降雨量r取值
为简明起见,简化降雨等级所对应的降雨量取值,如表3所示。
表3:降雨等级对应降雨量的取值
降雨等级R 无雨(O) 小雨(S) 中雨(M) 大雨(L)
有效降雨量r(mm) 0 10 20 40
不同生育期对应近期降雨预报等级的降雨因素减少修正值计算举例
将对应降雨量可以看成是烤烟根系活动层土壤体积的深度方向的等效减小来计算不同生育期对应不同降雨量的降雨因素减少修正值,考虑到烟叶叶片对直接降到烟株根际区域的有效降雨进一步产生的影响,其中等效减小因子在团棵期、旺长期和成熟期可以分别取值范围为3/4~2/3、2/3~1/2和1/3~1/4进行修正。
θ值计算举例如下:
团棵期
对应小雨
θ=[(5000)-3]2×r×2/3≈17×17×1×2/3≈192≈200( g/株)
θ=[(5000)-3]2×r×3/4≈17×17×1×3/4≈216≈200( g/株)
对应中雨
θ=[(5000)-3]2×r×2/3≈17×17×2×2/3≈385≈400( g/株)
θ=[(5000)-3]2×r×3/4≈17×17×2×3/4≈433≈400( g/株)
旺长期
对应小雨
θ=[(30000)-3]2×r×1/2≈31×31×1×1/2≈480≈500( g/株)
θ=[(30000)-3]2×r×2/3≈31×31×1×2/3≈640≈600( g/株)
对应中雨
θ=[(30000)-3]2×r×1/2≈31×31×2×1/2≈960≈1000( g/株)
θ=[(30000)-3]2×r×2/3≈31×31×2×2/3≈1280≈1200( g/株)
成熟期
对应小雨
θ=[(450000)-3]2×r×1/3≈35×35×1×1/3≈408≈400( g/株)
θ=[(450000)-3]2×r×1/4≈35×35×1×1/4≈306≈300( g/株)
对应中雨
θ=[(450000)-3]2×r×1/3≈35×35×2×1/3≈817≈800( g/株)
θ=[(450000)-3]2×r×1/4≈35×35×2×1/4≈612≈600( g/株)
各生育期对应大雨及以上
θ= Wi。
归纳如表4所示。
表4:不同生育期对应近期降雨预报等级的降雨因素减少修正值θ取值
对表4的不同等效减小因子θ值取中间值如表6所示(即得出表2)。
表6:等效减小因子θ值取值
例如在旺长期,取水的密度m=1.0(g/ cm3),p=1.4(g/ cm3),V0=18%,Vmax=20%,则:
V=0.18÷(1.4×0.2)=64.3%
假设Vh=80%,Ui=30000cm3 ,则:
 Wi=(0.8×1.4×0.2-0.18) ×30000=1320( g/株)
又假设R=M,采用比例修正法,设k=0.2,则有:
Wg=1320×0.2=264( g/株)≈0.3(升/株)
采用降雨因素减少修正法,θ=1100,Wg=1320-1100=220( g/株)≈0.2(升/株)。
又例如在成熟期,取水的密度m=1.0(g/ cm3),p=1.4(g/ cm3),V0=18%,Vmax=20%,则:
V=0.18÷(1.4×0.2)=64.3%
假设Vh=70%,Ui=450000cm3 ,则:
Wi=(0.7×1.4×0.2-0.18) ×450000=720( g/株)
又假设R=M,采用比例修正法,设k=0.2,则有:
Wg=720×0.2=144( g/株)≈0.1(升/株)
采用降雨因素减少修正法,θ=700,Wg=720-700=20( g/株)≈0 (升/株)。
又例如团棵期,取水的密度m=1.0(g/ cm3),p=1.4(g/ cm3),V0=12%,Vmax=20%,则: V=0.12÷(1.4×0.2)=42.9%
假设Vh=60%,Ui=5000cm3 ,则:
Wi=(0.6×1.4×0.2-0.12) ×5000=240( g/株)
又假设R=S,采用比例修正法,设k=0.5,则有:
Wg=240×0.5=120( g/株) ≈0.1(升/株)
采用降雨因素减少修正法,θ=200,Wg=240-200=40g/cm3≈0 (升/株)。
计算结果表明,在当前持水率为64.3%、该烤烟生育期为旺长期(期望持水率为80%、根系活动层土壤体积为30000 cm3)、近期降雨预报等级为中雨的情况下,每株烟所需灌水量大约为1.3升,而指导灌水量大约为0.3升。在当前持水率为64.3%、该烤烟生育期为成熟期(期望持水率为70%、根系活动层土壤体积为45000 cm3)、近期降雨预报等级为中雨的情况下,每株烟所需灌水量大约为0.7升,而指导灌水量大约为<0.2升。在当前持水率为43.9%、该烤烟生育期为团棵期(期望持水率为60%、根系活动层土壤体积为5000 cm3)、近期降雨预报等级为小雨的情况下,每柱烟所需灌水量大约为0.2升,而指导灌水量大约为<0.1升。
本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置所述的近期降雨预报等级、近期降雨预报、近期降雨情况或者近期降雨量等是指未来3天内的降雨预报,尤其是指未来12~48小时的降雨预报。
再进一步,可根据灌溉方式不同,结合其田间灌溉水利用系数η和灌溉有效湿润面积比σ,可以进一步计算出该烟田的建议灌水量Ws,如下式所示:
Ws=Wg÷(η×σ)  (0<η<1,0%<σ≤100%) 
例如,滴灌、喷灌、沟灌和漫灌的系数η分别为表7所示。
表7:不同灌溉方式的田间灌溉水利用系数η取值范围
灌溉方式 滴灌 喷灌 沟灌 漫灌
系数η 0.99~0.95 0.95~0.90 0.90~0.80 0.80~0.70
系数σ根据不同生育阶段取值如表8所示。
表8:不同灌溉方式和生育期的灌溉有效湿润面积比σ取值范围
表8中系数σ根据不同生育期取值范围的计算过程为(设烟株间距为50cm,行距(墒距)为100cm):
1)各生育期滴灌方式的σ值
由于滴灌直接灌水于烟株的根际,又假设滴灌系统的滴速为不高于形成径流的滴速,故σ=100%。
2)团棵期的喷灌、沟灌和漫灌方式的σ值
根据表1中不同生育期的典型期望田间持水率和与其对应的根系活动层土壤体积数据,团棵期的根系平面面积范围为5×5~20×20(25~400 cm2),而喷灌、沟灌和漫灌方式的覆盖面积为25×50(1250 cm2),故σ=2~32%。
3)旺长期的喷灌、沟灌和漫灌方式的σ值
根据表1中不同生育期的典型期望田间持水率和与其对应的根系活动层土壤体积数据,团棵期的根系平面面积范围为20×20~35×35(400~1225 cm2),考虑到烟株间距为25cm,由此平面面积范围为20×20~25×35(400~875 cm2)而喷灌、沟灌和漫灌方式的覆盖面积为25×50(1250 cm2),故σ=32~70%。
4)成熟期的喷灌、沟灌和漫灌方式的σ值
根据表1中不同生育期的典型期望田间持水率和与其对应的根系活动层土壤体积数据,团棵期的根系平面面积范围为35×35~45×45(1225~2025 cm2),考虑到烟株间距为25cm,由此平面面积范围为25×35~25×45(875~1125 cm2)而喷灌、沟灌和漫灌方式的覆盖面积为25×50(1250 cm2),故σ=70~90%。
如针对上述旺长期的情况,计算得出的指导灌水量为0.3升/株,按照每亩烟田1100株烤烟计算,若采用喷灌方式,最终每亩烟田建议灌水量为:Ws=Wg÷(η×σ)=1100×0.3÷(0.9×0.7)=523≈550升;若采用滴灌方式,最终每亩烟田建议灌水量为:Ws=Wg÷(η×σ)=1100×0.3÷(0.95×1)=347≈350升。
本发明的烟田灌溉指导装置具体实施时,其土壤水分传感器1、数据采集器2和便携式智能终端3包括了不同的实施方式。如土壤水分传感器1可以采用市场上常见的方便插入的土壤水分传感器,包括TDR或者FDR式的、采用5~12V直流供电、输出信号可以为4~20mA电流环输出或者0~5VDC输出。当便携式智能终端3为具有标准USB接口或者具有OTG功能的MiniUSB口的便携式计算机或者平板电脑或者配置有触摸屏智能手机时,可采用图1所示的USB口供电,也可采用图2所示的蓄电池26供电。当便携式智能终端3为不具有OTG功能的MiniUSB口的平板电脑或者配置有触摸屏和口的智能手机时,可采用图2所示的蓄电池26供电。智能终端内安装的操作系统可以为windows、andriod或者ios等智能操作系统。
图1中,数据采集器2由便携式智能终端3通过USB口供电,供电电压为5VDC。图2中,数据采集器2由蓄电池26供电,供电电压为5VDC以上。
具体的,数据采集器2包括单片机21、与所述单片机21通过RS232口相连接并且与所述便携式智能终端3通过USB口相连接的USB通讯电路模块22、将所述土壤水分传感器1输出的电压或电流信号进行适应性调理以满足单片机数据采集要求的信号调理电路模块24和向所述土壤水分传感器1、单片机21、USB通讯电路模块22、信号调理电路模块24供电的供电电路模块23以及完成数据采集、数据发送的数据采集通讯程序模块25。
图1和图2中,数据采集器2中的单片机21、将单片机21的RS232口转换成USB通讯口的USB通讯转换电路模块22、将土壤水分传感器1输出4~20mA信号变换成1~5VDC的信号调理电路模块24(调理后的电压信号适合单片机21进行A/D转换、数据采集,并且能够获得更好的数据采集精度)、将采用USB口作为电源的将5VDC电压升压至9VDC向土壤水份传感器1、稳压至3.3VDC后向单片机21、稳压至5VDC向USB通讯转换电路模块22和信号调理电路模块24供电的供电电路模块23亦或是由5VDC以上电压的蓄电池26供电的将电压升压至9VDC向土壤水份传感器1、稳压至3.3VDC后向单片机21、稳压至5VDC向USB通讯转换电路模块22和信号调理电路模块24供电的供电电路模块23等均为现有技术,在此不再赘述。
当然,还可以将上述数据采集器2的全部或者部分模块置于土壤水份传感器1内。譬如,当将数据采集器2的全部模块置于土壤水份传感器1内时,此时土壤水份传感器1通过USB口与便携式智能终端3连接;而当采用蓄电池26供电时,可以仅将蓄电池26置于外部。
图3示出了数据采集通讯程序模块25的流程图,其要点在于实现对土壤水分传感器1测量的当前以体积百分比为单位的土壤水分信号进行数据采集,还可以进行平均处理,然后发送给所述便携式智能终端3,具体为当便携式智能终端3向数据采集器2发出了采集当前土壤水分的命令后,数据采集器2响应该命令,由单片机21实现对土壤水分传感器1输出的经信号调理电路模块24处理的当前以体积百分比为单位的土壤水分信号模拟量进行A/D转换,一次以固定时间间隔采集一组以上土壤水分数据,当采集数据为二组以上时进行平均处理,然后再通过USB口发送给便携式智能终端3。这里进行平均处理的算法可以是现有技术中的剔除野值、多点平均或者滤波平滑算法等常用的数值处理方法。
灌溉指导程序模块31的具体实施方式如图4和图5所示。
如图4所示,灌溉指导程序模块31设置有典型土壤质地种类,包括典型的砂土、砂壤土、壤土和黏土,作为实施例,对应上述典型土壤质地种类“土壤容重(g/cm3)—田间最大持水量(质量%)”取值分别为“1.4~1.6—9~11”、“1.3~1.5—19~21”、“1.3~1.5—24~26”和“1.2~1.4—29~31”,将该土壤特性数组内置于灌溉指导程序模块31供计算使用。
灌溉指导程序模块31还设置有表1所述的在不同生育期的典型期望田间持水率和与其对应的根系活动层土壤体积数据
根据图4的流程,灌溉指导程序模块完成对当前持水率以及包括所需灌水量、指导灌水量和建议灌水量等理论灌水量进行计算后,对计算结果采用显示屏显示输出和/或利用现有技术通过短信、微信等方式进行传送,当然还可以通过通用的微型串口打印机将结果打印输出。
图5与图4基本相同,不同之处仅在于采用用户输入“土壤容重—田间最大持水量”、“典型期望田间持水率”数据以及用户输入“田间灌溉水利用系数”和“灌溉有效湿润面积比”等数据替代图4中的采用用户选择“土壤质地种类”和“灌溉方式”生成“土壤容重—田间最大持水量”、“典型期望田间持水率”以及 “田间灌溉水利用系数”和“灌溉有效湿润面积比”数据。
毫无疑问,本发明的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法和田间灌溉指导装置还有其他实施方式,如根据现有技术进一步细分土壤质地种类对应的土壤容重和田间最大持水量—烤烟生育期—对应生育期的期望持水率—根系活动层土壤体积的取值、针对近期降雨预报等级进行指导灌水量修正计算和对建议灌水量计算过程中的田间灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比进一步选择以及将土壤水分传感器、数据采集器和便携式智能终端等进行等同替换或进行位置变换等,这些与本发明具体实施方式列举的具有技术方案和技术效果实质相同或近似的等同替代或明显变形都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种确定烤烟灌溉理论灌水量的方法,所述理论灌水量包括所需灌水量和指导灌水量,包括以下步骤:
① 采集土壤水分传感器输出的以体积百分比为单位的当前烟田土壤水分数据;
②  确定所述所需灌水量
Vi=V0×m÷p
V=Vi÷Vmax
Wi=(Vh-V) ÷(m÷p)×Vmax×Ui=(Vh-V) ×(p÷m)×Vmax×Ui                        
    式中:V0代表以体积百分比为单位的土壤水分,m代表水的密度,p代表土壤容重,Vi代表以质量百分比为单位的土壤水分,Vmax代表田间最大持水量,V代表当前持水率,Vh代表典型期望田间持水率,Ui代表烤烟根系活动层土壤体积,Wi代表所需灌水量;
③ 确定所述指导灌水量
Wg=Wi×k 或者Wg= Wi–θ                                 
    式中:Wg代表指导灌水量,Wi代表所述所需灌水量,k代表降雨修正系数并且0≤k≤1,θ代表不同生育期对应近期降雨预报等级的降雨因素减少修正值并且0≤θ≤Wi。
2.根据权利要求1所述的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法,其特征在于:所述理论灌水量还包括建议灌水量,还可以在上述步骤③之后包括确定建议灌水量的步骤: 
Ws=Wg÷(η×σ) 
     式中:Ws代表建议灌水量,Wg代表所述指导灌水量,η代表田间灌溉水利用系数并且0.7≤η≤0.99,σ代表灌溉有效湿润面积比并且2%≤σ≤100%。
3.根据权利要求1或2所述的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法,其特征在于:所述降雨修正系数k
                                                          
4.根据权利要求1或2所述的确定烤烟灌溉理论灌水量的方法,其特征在于:所述不同生育期对应近期降雨预报等级的降雨因素减少修正值根据用户选择的烤烟生育期和近期降雨预报等级取值,当预报有小雨时的取值范围为200~550 g/株,当预报有中雨时的取值范围为400~1100 g/株,当预报无降雨时取值为0,当预报有大雨以上时取值为所述所需灌水量的值。
5.根据权利要求1至4所述的任一种确定烤烟灌溉理论灌水量的方法的一种烟田灌溉指导装置,其特征在于:包括依次相连接的土壤水分传感器(1)、数据采集器(2)和便携式智能终端(3);所述土壤水分传感器(1)用于测量以体积百分比为单位的当前烟田土壤水分,所述数据采集器(2)用于将当前以体积百分比为单位的土壤水分进行数据采集并将数据发送给所述便携式智能终端(3);所述便携式智能终端(3)用于完成所述当前持水率和所述理论灌水量的确定、显示和/或通过短信传送和/或打印。
6.根据权利要求5所述的烟田灌溉指导装置,其特征在于:所述数据采集器(2)包括单片机(21)、与所述单片机(21)通过RS232口相连接并且与所述便携式智能终端(3)通过USB口相连接的USB通讯电路模块(22)、将所述土壤水分传感器(1)输出的电压或电流信号进行适应性调理以满足单片机数据采集要求的信号调理电路模块(24)和向所述土壤水分传感器(1)、单片机(21)、USB通讯电路模块(22)、信号调理电路模块(24)供电的供电电路模块(23)以及完成数据采集、数据发送的数据采集通讯程序模块(25)。
7.根据权利要求5所述的烟田灌溉指导装置,其特征在于:还包括位于所述便携式智能终端(3)内的灌溉指导程序模块(31)。
8.根据权利要求7所述的烟田灌溉指导装置,其特征在于:所述灌溉指导程序模块(31)设置有典型土壤质地种类对应的土壤容重g/cm3—田间最大持水量质量百分比数据、烤烟生育期对应的根系活动层土壤体积和典型期望田间持水率数据、近期降雨预报等级对应的降雨修正系数和与生育期对应的降雨因素减少修正值数据以及灌溉方式对应的灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比数据;所述灌溉指导程序模块(31)还设置有典型土壤质地种类、烤烟生育期、近期降雨预报等级以及灌溉方式选择菜单,在用户对所述烤烟生育期、土壤质地种类、近期降雨预报等级和灌溉方式作出了选择后,所述灌溉指导程序模块(31)能够查找出所述土壤容重g/cm3—田间最大持水量质量百分比数据、烤烟生育期对应的根系活动层土壤体积和典型期望田间持水率数据、近期降雨预报等级对应的降雨修正系数和与生育期对应的降雨因素减少修正值数据以及灌溉方式对应的灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比数据。
9.根据权利要求8所述的烟田灌溉指导装置,其特征在于:所述灌溉指导程序模块(31)还设置有所述土壤容重g/cm3—田间最大持水量质量百分比以及所述的灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比的数据输入窗口,在用户输入了所述土壤容重g/cm3—田间最大持水量质量百分比数据以及所述的灌溉水利用系数和灌溉有效湿润面积比数据后,所述灌溉指导程序模块(31)保存所述输入的数据。
10.根据权利要求8所述的烟田灌溉指导装置,其特征在于:所述灌溉指导程序模块(31)设置的典型土壤质地种类包括砂土、砂壤土、壤土和黏土,对应所述土壤容重g/cm3—田间最大持水量质量百分比数据取值分别为1.4~1.6—9~11、1.3~1.5—19~21、1.3~1.5—24~26和1.2~1.4—29~31。
11.根据权利要求8所述的烟田灌溉指导装置,其特征在于:所述灌溉指导程序模块(31)设置的烤烟生育期包括团棵期、旺长期和成熟期;所述灌溉指导程序模块(31)设置的所述典型期望田间持水率根据选择的所述烤烟生育期不同而取值范围不同,其对应所述团棵期、旺长期和成熟期的所述典型期望田间持水率取值范围分别为60%~65%、80%~85%和65%~70%;所述灌溉指导程序模块(31)设置的所述烤烟根系活动层土壤体积按照正方体计算,根据所述用户选择的烤烟生育期不同而取值范围不同,其对应所述团棵期、旺长期和成熟期的长、宽、高的取值范围分别为5~20cm、20~35cm和35~45cm。
12.根据权利要求6所述的烟田灌溉指导装置,其特征在于:所述供电电路模块(23)的电源包括由所述便携式智能终端(3)通过USB口提供或者由5VDC以上蓄电池(26)提供。
13.根据权利要求5至11所述的任一种烟田灌溉指导装置,其特征在于:所述便携式智能终端(3)为具有标准USB接口的便携式计算机或者为具有标准USB接口的平板电脑或者为具有MiniUSB口的平板电脑或者为配置有触摸屏和MiniUSB口的智能手机,所述便携式智能终端(3)内安装有windows、andriod或者ios智能操作系统。
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