CN103493715B - 基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统。该方法包括：设置参数，监测根区各土层土壤含水量，基于相对根长密度分布计算根区加权平均土壤含水量，计算作物水分胁迫指数CWSI，当CWSI计算值大于预定的CWSI临界值时，开始灌水；还可以根据计划湿润层土壤含水量计算理论灌水量，当实际灌水量达到理论灌水量时，停止灌水。本发明能更加准确、便捷地估算作物所受到的水分胁迫程度，以此为依据控制灌溉时既考虑了根区土壤水分状况又考虑了作物水分状况，可为节水、增产目标的实现提供有效工具。

Description

基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术，更具体涉及基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统。

背景技术

通过灌溉适时调节旱作物根区土壤水分状况，使其既有利于作物吸收利用又能减少土面蒸发与深层渗漏等损失，是实现节水、增产目标的关键。因此，推广农田自动灌溉控制系统具有十分重要的意义，而灌溉控制方法则是其核心所在。

迄今为止，已有的灌溉控制方法大概可分为以下两类。第一类灌溉控制方法借助作物对水分胁迫的生理响应（比如冠层温度、叶水势、气孔导度等生理指标的变化）来估算作物所受到的水分胁迫程度，并据此判断灌水时间，其中基于作物冠层温度估算作物水分胁迫指数（CWSI，表示因水分胁迫所导致的作物蒸散速率降低的程度）的方法较为常见。由于作物冠层温度在光照期间很容易随时间动态变化，并且受气候环境以及观测视野内土壤与作物枝干的影响较大，所以该方法存在稳定性与代表性较差的问题，在作物生长早期冠层较为稀疏时表现得尤为突出。其次，绝大多数情况下单纯依靠CWSI只能判断灌水时间，为确定灌水定额，仍需借助实测的土壤含水量剖面，除增加前期成本投入外，还给实际应用带来不便。另外，基于作物生理响应估算CWSI并确定灌水时间时，作物往往已经受到了一定程度的水分胁迫，所以很难实现真正意义上的充分灌溉。因此，绝大多数灌溉控制方法（第二类）都基于充分灌溉原理，将根区土壤含水量算术平均值（简称为根区算术平均土壤含水量）或根区某深度处的土壤含水量（或土壤水基质势）作为灌水控制指标，当其低于最适宜作物生长的土壤含水量下限时开始灌溉，直到其达到最适宜作物生长的土壤含水量上限。然而，因根区内土壤水分分布无统一规律，在绝大多数情况下，根区算术平均土壤含水量或根区某深度处的土壤含水量都不能真实代表根区土壤水分状况。而且，在一定的气候条件下，除土壤水分分布外，根系生长分布也是影响作物根系吸水与蒸腾的重要因素。因此，在评价作物水分状况即估算CWSI时，脱离土壤水分分布与根系生长分布而只考虑根区算术平均土壤含水量或根区某深度处的土壤含水量是不合理的。由此可见，第二类灌溉控制方法在科学性方面存在明显缺陷，用该方法来判断灌水时间将带来较大偏差，从而影响作物生长以及灌溉水利用效率。

综上所述，作物水分状况是判断灌水时间的主要依据，而根区土壤水分状况是确定灌水定额的基础。因此，如何根据根区土壤水分分布与根系生长分布准确估算CWSI并进一步控制灌溉是目前亟待解决的问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题为：如何根据根区土壤水分分布与根系生长分布准确估算作物水分胁迫指数CWSI并进一步控制灌溉。

（二）技术方案

为了解决该技术问题，根据本发明的一方面，提出了一种基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法包括：

将灌溉区域的土壤从表层至最大扎根深度L_r处依次分为若干层，层数记为k，用每层土壤的平均深度z_i除以L_r，得到每层土壤的相对深度z_ri，用每层土壤的厚度h_i除以L_r，得到每层土壤的相对厚度Δz_ri，设定作物在每层土壤中的相对根长密度L_nrd(z_ri)、萎焉系数θ_W、饱和土壤含水量θ_S、最适宜作物生长的土壤含水量上限θ_H与下限θ_L；

测量每层土壤的含水量θ_i；

计算根区加权平均土壤含水量 且当θ_H＜θ_i≤θ_S或θ_i≤θ_W时，令θ_i等于θ_W；当θ_L＜θ_i≤θ_H时，令θ_i等于θ_L；

计算作物水分胁迫指数CWSI：其中取 $a=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_L-{\mathrm{\θ}}_W},b=\frac{{-\mathrm{\θ}}_W}{{\mathrm{\θ}}_L-{\mathrm{\θ}}_W},$ 且当或时，令等于θW；当时，令等于θ_L；

当计算得到的CWSI大于预定的CWSI临界值时，开始灌水。

优选地，所述测量每层土壤的含水量θ_i，是将土壤水分探针垂直插入根区土壤，并在土壤水分探针上对应的各土层深度处设有一个土壤水分传感器，从而测得每层土壤的含水量θ_i。

优选地，所述测得每层土壤的含水量θ_i，是将分布在灌溉区域内的多根土壤水分探针上相同土层深度处的土壤水分传感器的测量值取平均而获得。

优选地，该方法还包括：

在所述最大扎根深度范围内设定计划湿润层深度，记录从表层到计划湿润层深度的土壤层数n，设定田间持水量θ_f、土壤灌溉湿润比p、田间水分有效利用系数η和灌溉面积A，按下式计算单位面积的灌水定额M：然后用M乘以A，得到理论灌水量；

当实际灌水量达到理论灌水量时，停止灌水。

优选地，该方法还包括：

当计算得到的CWSI大于预定的临界值时，若预报在设定的时间区间内有降雨，则不灌水，否则开始灌水。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，该系统包括参数输入子系统、土壤水分采集子系统、中央决策子系统和灌水控制子系统：

参数输入子系统，用于设定作物的最大扎根深度L_r，灌溉区域内从土壤表层至最大扎根深度L_r处所分的层数k，每层土壤的平均深度z_i以及厚度h_i，作物在每层土壤中的相对根长密度L_nrd(z_ri)、萎焉系数θ_W、饱和土壤含水量θ_S、最适宜作物生长的土壤含水量上限θ_H与下限θ_L，以及CWSI临界值；

土壤水分采集子系统，用于测量每层土壤的含水量θ_i，并发送给中央决策子系统；

中央决策子系统，包括计算模块、天气预报模块和决策模块；

计算模块，用z_i除以L_r，得到每层土壤的相对深度z_ri；用h_i除以L_r，得到每层土壤的相对厚度△z_i；然后计算根区加权平均土壤含水量 且当θ_H＜θ_i≤θ_S或θ_i≤θ_W时，令θ_i等于θ_W，当θ_L＜θ_i≤θ_H时，令θ_i等于θ_L；计算作物水分胁迫指数CWSI： $\mathrm{CWSI}=1-(\stackrel{=}{\mathrm{a\θ}}+b),$ 其中取 $a=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_L-{\mathrm{\θ}}_W},b=\frac{{-\mathrm{\θ}}_W}{{\mathrm{\θ}}_L-{\mathrm{\θ}}_W},$ 且当或时，令等于θ_W，当时，令等于θ_L；

决策模块，比较计算得到的CWSI是否大于预定的CWSI临界值，当大于时，则向灌水控制子系统发出开始灌水的指令。

灌水控制子系统，包括灌溉控制模块，当收到开始灌水的指令时，控制阀门开启而开始灌水。

优选地，所述土壤水分采集子系统，包括土壤水分探针，土壤水分探针上对应每层土壤设有一个土壤水分传感器，通过将土壤水分探针垂直插入根区土壤，从而测得每层土壤的含水量θ_i。

优选地，在灌溉控制区域内，所述土壤水分探针为多根，所述测得每层土壤的含水量θ_i，是将灌溉区域内的多根土壤水分探针上相同土层深度处的土壤水分传感器的测量值取平均而获得。

优选地，参数输入子系统，还用于输入从表层到计划湿润层深度的土壤层数n，并设定田间持水量θ_f、土壤灌溉湿润比p、田间水分有效利用系数η和灌溉面积A；

中央决策子系统的计算模块还计算单位面积的灌水定额M：然后用M乘以A，得到理论灌水量；

中央决策子系统的决策模块还包括比较实际灌水量与理论灌水量，当实际灌水量达到理论灌水量时，则向灌水控制子系统发出停止灌水的指令；灌水控制子系统，还包括灌水计量模块，用于计量实际灌水量并发送给中央决策子系统；灌溉控制模块还用于在收到停止灌水的指令时，关闭控制阀门而停止灌水。

优选地，中央决策子系统还包括天气预报模块，用于接收天气预报，当预报在设定的时间区间内有降雨时，则决策模块不发出开始灌水的指令。

（三）有益效果

相对于其它第二类自动灌溉控制方法所采用的根区算术平均土壤含水量，本发明所采用的基于作物相对根长密度分布计算获得的根区加权平均土壤含水量能更加准确地估算作物所受到的水分胁迫程度，以此为依据控制灌溉时既考虑了根区土壤水分状况又考虑了作物水分状况，可为节水、增产目标的实现提供有效工具。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是表示土壤水分胁迫修正系数与土壤含水量各临界值之间关系的函数图。

图2是根据本发明一个较佳实施例的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法的流程图。

图3是土壤水分采集子系统一个优选实施例的结构示意图。

图4是灌水控制子系统一个优选实施例的结构示意图。

图5是各情形下基于土层相对深度（z_r）的土壤含水量（θ）分布。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

首先说明本发明所采用的计算作物水分胁迫指数CWSI的原理。

由定义可知，作物水分胁迫指数（CWSI）可用水分胁迫所导致的作物蒸散速率降低的程度来表征：

$\mathrm{CWSI}=1-\frac{{\mathrm{ET}}_a}{{\mathrm{ET}}_p}=1-\frac{T_a+E_a}{T_p+E_p}---\left[1\right]$

式中ET_a为作物实际蒸散速率，cm d^-1；ET_p为作物潜在蒸散速率，cm d^-1；T_a为作物实际蒸腾速率，cm d^-1；T_p为作物潜在蒸腾速率，cm d^-1；E_a为实际土面蒸发速率，cm d^-1；E_p为潜在土面蒸发速率，cm d^-1。一般情况下，相对于旱地作物蒸腾强度而言，农田土面蒸发强度都比较小，当作物叶片生长茂盛时更是如此，因此常被忽略。于是，式[1]可简化为：

$\mathrm{CWSI}\≈1-\frac{T_a}{T_p}---\left[2\right]$

1）传统方法：基于根区算术平均土壤含水量估算CWSI

在农田土壤条件下，由于很难快速、准确地获得作物实际蒸散速率与潜在蒸散速率，所以一般都采用根区算术平均土壤含水量（cm³cm^-3）来估算（也可类似地用根区算术平均土壤水基质势来表征，

但本发明仅以土壤含水量为例进行阐述，下同），从而可将式[2]表示为：

$\mathrm{CWSI}\≈1-\mathrm{\γ}\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}\right)---\left[3\right]$

式中γ为基于根区算术平均土壤含水量计算的土壤水分胁迫修正系数。

2）改进方法：基于根区土壤水分与作物根系分布估算CWSI

以已有的根系吸水模型为理论基础，本发明推导了CWSI与土壤水分分布、根系生长分布之间的定量关系，简要过程如下：

$S\left(z\right)=\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\θ}\right)S_{\max }\left(z\right)=\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\θ}\right)\frac{T_p{L}_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right)}{L_r}---\left[4\right]$

式中z为垂直坐标，取地表为原点，向下为正，cm；S(z)为根系吸水速率，cm³cm^-3d^-1；θ为土壤体积含水量，cm³cm^-3；S_max(z)为最大根系吸水速率，表示在最优土壤水分条件下的根系吸水速率，cm³cm^-3d^-1；L_r为最大扎根深度，cm；z_r（=z/L_r）为土层相对深度；L_nrd(z_r)为相对根长密度，其中L_d(z_r)为根长密度，cmcm^-3。当忽略作物体内水分含量变化时，作物实际蒸腾速率可按下式进行估算：

$T_a\≈{\∫}_0^{L_r}S\left(z\right)\mathrm{dz}---\left[5\right]$

将式[4]代入式[5]，可得：

$\begin{array}{c}{T}_a\≈\frac{T_p}{L_r}{\∫}_0^{L_r}\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\θ}\right)L_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right)\mathrm{dz}\\ =T_p{\∫}_0^1\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\θ}\right)L_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right){\mathrm{dz}}_r\end{array},---\left[6\right]$

将式[6]代入式[2]，可得：

由大量相关研究结果表明，土壤水分胁迫修正系数γ(θ)可表示为土壤含水量的分段线性函数：

式中a与b分别为系数；θ_S为饱和土壤含水量，cm³cm^-3；θ_W为萎焉系数，cm³cm^-3；θ_H与θ_L分别为最适宜作物生长或根系吸水的土壤含水量上限与下限，cm³cm^-3。式[8]表明（如图1所示）：当θ_H<θ≤θ_S时，由于土壤含水量太高，土壤通气性太差，作物根系无法吸水，γ(θ)=0；当θ≤θ_W时，由于土壤含水量太低，作物根系也无法吸水，γ(θ)=0；当θ_L<θ≤θ_H时，最适宜作物根系吸水，γ(θ)=1；当θ_W<θ≤θ_L时，作物根系吸水速率随着土壤含水量的降低而线性递减，γ(θ)由1递减为0。

将式[8]代入式[7]可得：

$\mathrm{CWSI}\&ap;1-{\&Integral;}_0^1(a{\mathrm{\&theta;L}}_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right)+{\mathrm{bL}}_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right)){\mathrm{dz}}_r---\left[9\right]$

由式[8]可知，式[9]中的系数a与b在根区内可能不是常数，会随各土层深度处的土壤含水量发生改变。为了让无量纲系数a与b在根区范围内为常数（便于计算），在保证不改变原有方程结果（图1）的

基础之上，本发明将式[8]改写为：

基于式[10]，式[9]可表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{CWSI}\&ap;1-(a{\&Integral;}_0^1{\mathrm{\&theta;L}}_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right){\mathrm{dz}}_r+b{\&Integral;}_0^1{L}_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right){\mathrm{dz}}_r)\\ \&ap;1-(a{\&Integral;}_0^1{\mathrm{\&theta;L}}_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right){\mathrm{dz}}_r+b)\\ \&ap;1-(a\frac{{\&Integral;}_0^1{\mathrm{\&theta;L}}_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right){\mathrm{dz}}_r}{{\&Integral;}_0^1{L}_{\mathrm{nrd}}\left(z_r\right){\mathrm{dz}}_r}+b)\\ \&ap;1-\mathrm{\&gamma;}\stackrel{=}{\left(\mathrm{\&theta;}\right)}\\ \&ap;1-(a\stackrel{=}{\mathrm{\&theta;}}+b)\end{array}---\left[11\right]$

其中：

$\stackrel{=}{\mathrm{\&theta;}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&theta;}}_i\&times;L_{\mathrm{nrd}}\left(z_{\mathrm{ri}}\right)\mathrm{\&Delta;}{z}_{\mathrm{ri}}}{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_{\mathrm{nrd}}\left(z_{\mathrm{ri}}\right)\mathrm{\&Delta;}{z}_{\mathrm{ri}}}---\left[12\right]$

式中为基于相对根长密度分布计算的根区土壤含水量加权平均值，简称为根区加权平均土壤含水量，cm³cm^-3；i为根区土层编号，从表层至最大扎根深度处依次为第1层、第2层、第3层……第k层；θ_i为第i层土壤的含水量，cm³cm^-3；z_ri为第i层土壤的相对深度；△z_ri为第i层土壤的相对厚度，由第i层土壤的厚度h_i除以最大扎根深度L_r得到。由此可见，当土壤水分胁迫修正系数用土壤含水量的线性函数表达时，CWSI可表示为的线性函数。

上面介绍了本发明CWSI计算公式的推导过程，下面通过一个较佳实施例介绍本发明的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法。图2是本发明一个较佳实施例的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法的流程图：

在步骤S1，设置参数，具体可以包括：将灌溉区域从土壤表层至最大扎根深度L_r处依次分为若干层，层数记为k，用每层土壤的深度z_i除以L_r，得到每层土壤的相对深度z_ri，用每层土壤的厚度h_i除以L_r，得到每层土壤的相对厚度Δz_ri，设定作物在每层土壤中的相对根长密度L_nrd(z_ri)、萎焉系数θ_W、饱和土壤含水量θ_S、最适宜作物生长的土壤含水量上限θ_H与下限θ_L；

在步骤S2，测量每层土壤的含水量θ_i。其中一种优选的测量方式是：将土壤水分探针垂直插入根区土壤，土壤水分探针上对应每层土壤设有一个土壤水分传感器，从而测得每层土壤的含水量θ_i；并且进一步将灌溉区域内的多根土壤水分探针上相同土层深度处的土壤水分传感器的测量值取平均，获得各层土壤含水量的平均值。

在步骤S3，基于相对根长密度分布计算根区加权平均土壤含水量 且当θ_H＜θ_i≤θ_S或θ_i≤θ_W时，令θ_i等于θ_W，当θ_L＜θ_i≤θ_H时，令θ_i等于θ_L；

在步骤S4，计算作物水分胁迫指数CWSI：其中取 $a=\frac{1}{{\mathrm{\&theta;}}_L-{\mathrm{\&theta;}}_W},b=\frac{{-\mathrm{\&theta;}}_W}{{\mathrm{\&theta;}}_L-{\mathrm{\&theta;}}_W},$ 且当或时，令等于θ_W，当时，令等于θ_L；

在步骤S5：当计算得到的CWSI大于预定的CWSI临界值，开始灌水。在作物生育期内，可以根据作物各生长发育阶段以及具体的灌溉要求（充分灌溉或非充分灌溉）设定启动灌水的CWSI临界值，甚至可以通过调整最适宜作物生长或根系吸水的土壤含水量下限值来达到某些特殊灌水要求。优选地，还需要根据天气预报得到的未来天气决定是否开始灌溉，即当预报在设定的时间区间内有降雨时则不开始灌水，以避免水资源浪费，设定的时间区间例如为一至三天。

进一步，还可以确定灌水定额，并计算理论灌水量，从而判断灌水终止时间。

根据下式确定灌水定额：

$M=6.67p\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_i({\mathrm{\&theta;}}_f-{\mathrm{\&theta;}}_i)/\mathrm{\&eta;}---\left[13\right]$

式中M为灌水定额，m³亩^-1；n为从表层到计划湿润层深度的土壤层数，计划湿润层深度在所述最大扎根深度范围内选定；h_i为第i层土壤的土层厚度，cm；θ_i为灌水前测得的第i层土壤的土壤含水量，cm³cm^-3；θ_f为田间持水量，对于砂土、壤土、粘土可分别取为土壤水基质势-100cm、-200cm、-300cm所对应的土壤含水量，cm³cm^-3；p为土壤灌溉湿润比；η为田间水分有效利用系数。土壤从表层到最大扎根深度分为k层，因为作物根系主要汇集在浅层土壤中，为了防止深层渗漏，一般取计划湿润层深度小于最大扎根深度，即n≤k。

理论灌水量计算公式如下：

Q_理＝MA           [14]式中Q_理为理论灌水量，m³；A为控制灌溉面积，亩。当实际灌水量达到理论灌水量Q_理时，则停止灌水。

下面介绍本发明一个实施例的自动灌溉控制系统，该系统包括参数输入子系统、土壤水分采集子系统、中央决策子系统和灌水控制子系统。

参数输入子系统，用于设定作物的最大扎根深度L_r，灌溉区域的土壤从表层至最大扎根深度L_r所分的层数k，每层土壤的平均深度z_i以及厚度h_i，需要灌溉的作物每层的相对根长密度L_nrd(z_ri)、萎焉系数θ_W、饱和土壤含水量θ_S、最适宜作物生长的土壤含水量上限θ_H与下限θ_L，以及CWSI临界值；

为了计算理论灌水量，参数输入子系统还包括输入从表层到计划湿润层深度的土壤层数n、田间持水量θ_f、土壤灌溉湿润比p和田间水分有效利用系数η、灌溉面积A。

上述参数，可以使用现有的经验数据，也可以输入实测数据，比如：

需根据作物耗水规律输入最适宜作物生长或根系吸水的土壤含水量上限与下限，对于不同作物甚至作物不同生育阶段，其值可能存在差异。另外，模块中需输入的萎焉系数一般取为土壤水基质势-15000cm所对应的土壤含水量。

可以通过以下三种方式获取最大扎根深度：1）输入实测数据；2）根据经验关系式进行估算；3）利用作物扎根深度模型进行模拟。相对根长密度分布资料可以直接输入实测数据，也可利用一些已公开发表的简化关系式（比如将相对根长密度表达为相对深度的1次、2次或3次函数关系）或特定作物的统计结果进行估算，比如对于小麦，可通过下式进行估算：L_nrd(z_r)＝4.522(1-z_r)^5.228exp(9.644z_r ^2.426)。

对于计划湿润层深度，在作物生长苗期，一般使其等于最大扎根深度；在作物生长中后期，可让其小于最大扎根深度，一般在0.4-0.6m之间取值。

根据作物耗水规律与实际灌水要求输入启动灌水的CWSI临界值：对于充分灌溉，可将CWSI临界值设为0.001，对于非充分灌溉，则需根据每次灌水的实际要求而定。需根据灌水方式与作物种植株行距等资料输入土壤灌溉湿润比（p），对于全面灌溉（畦灌、沟灌、喷灌等），p=1,对于局部灌溉（微喷灌、滴灌等），p<1。另外，需根据灌水方法以及一些经验资料，输入田间水分有效利用系数，灌水方法越先进，其值就越高。

土壤水分采集子系统，用于测量最大扎根深度范围内每层土壤的含水量θ_i，并发送给中央决策子系统，优选为分布在灌溉区域内的多根土壤水分探针，土壤水分探针上对应每层土壤设有一个土壤水分传感器，将土壤水分探针垂直插入根区土壤，从而测得每层土壤的含水量θi，并将相同土层深度处的土壤水分传感器的测量值取平均。土壤水分探针可按实际要求调整自动采集数据的时间间隔（时间步长，如0.5h或1.0h等）。土壤水分探针内埋设的土壤水分传感器数量以及垂直方向间距（空间步长）也可根据实际情况（如作物全生育期内最大扎根深度）进行调整，一般从地表以下5cm开始，以10-20cm为空间步长向下添加土壤水分传感器。为了减少土壤含水量空间变异所带来的影响，可以根据具体要求设定灌溉区域内土壤水分探针的数量。

图3示出了土壤水分采集子系统一个优选实施例的结构示意图，其中11为土壤水分探针，插入土壤中；12为土壤水分传感器，按照土壤分层数和土层厚度设置在土壤水分探针上；13为无线传输装置，用于将土壤水分传感器12的测量值发送给中央决策子系统。14为GPS定位装置；15为太阳能板，用于供电；16为支架，支撑太阳能板14。

中央决策子系统，包括计算模块和决策模块；计算模块，用zi除以L_r，得到每层土壤的相对深度z_ri；计算根区加权平均土壤含水量 且当θ_H＜θ_i≤θ_S或θ_i≤θ_W时，令θ_i等于θ_W，当θ_L＜θ_i≤θ_H时，令θ_i等于θ_L；计算作物水分胁迫指数CWSI： $\mathrm{CWSI}=1-(\stackrel{=}{\mathrm{a\&theta;}}+b),$ 其中取 $a=\frac{1}{{\mathrm{\&theta;}}_L-{\mathrm{\&theta;}}_W},b=\frac{{-\mathrm{\&theta;}}_W}{{\mathrm{\&theta;}}_L-{\mathrm{\&theta;}}_W},$ 且当或时，令等于θ_W，当时，令等于θ_L；计算理论灌水量Q_理：

决策模块，比较计算得到的CWSI是否大于预定的CWSI临界值时，当大于时，则向灌水控制子系统发出开始灌水的指令。

为了计算灌水定额和理论灌水量，中中央决策子系统的计算模块还计算单位面积的灌水定额M：然后用M乘以A，得到理论灌水量Q_理；此时，中央决策子系统的决策模块还包括比较实际灌水量与理论灌水量，当实际灌水量达到理论灌水量时，则向灌水控制子系统发出停止灌水的指令。

中央决策子系统还可包括天气预报模块，用于接收天气预报，当预报设定的时间区间内比如一至三天内有降雨时，决策模块不发出开始灌水的指令，以避免灌水后短时间内又出现较大降雨的情况，从而提高水分利用效率。

中央决策子系统例如可由计算机构成，并包括用于接收和传送数据的无线传输装置。对于小型灌区，可将中央决策子系统中所需的相关软件或程序直接集成到灌水控制子系统中，从而将其置于灌溉控制单元田块内部，无需再配置专用计算机。

灌水控制子系统，包括灌溉控制模块，当收到开始灌水的指令时，则控制阀门开启而灌水。灌水控制子系统还可以包括灌水计量模块，用于计量实际灌水量并发送给中央中央决策子系统。灌溉控制模块还用于在收到终止灌水的指令时，关闭控制阀门而停止灌水。

图4示出了灌水控制子系统一个优选实施例的结构示意图，灌水控制子系统可位于其控制的灌概控制单元26（即控制的灌溉区域中的灌溉管道装置）中，包括电磁阀21、智能水表22、无线传输装置23、GPS定位装置24和太阳能供电装置25，在无线传输装置23接到中央决策子系统所发送的灌水指令后，控制电磁阀21开启实施灌溉，智能水表22记录动态灌水量，并将数据通过无线传输装置23传送给中央决策子系统。当实际灌水量达到理论灌水量时，无线传输装置23接到中央决策子系统所发送的终止灌水指令，控制电磁阀21关闭，停止灌溉。在这里也可以包括一个与无线传输装置23相连的例如为单片机形式的灌溉控制器件（图中未示出），接收包括理论灌水量的灌水指令并实时获得动态灌水量，从而控制开始灌水和停止灌水，此时就不需要将实际灌水量发送到中央决策子系统。GPS定位装置24主要用于确定、跟踪灌水控制子系统的具体位置，便于管理。电磁阀21、智能水表22以及无线传输装置23和GPS定位装置24所需电能均由太阳能供电装置25提供。

为了验证本发明关键技术，特设置了一个数值试验：保持根区算术平均土壤含水量、相对根长密度分布等条件不变，对比分析各土壤水分分布方式下两种方法（传统方法与改进方法）所估算的CWSI及其与理论值之间的相对误差。

在该数值试验中，设土壤为粉质壤土，θ_S=0.450cm^3cm^-3；θ_r=0.067cm³cm^-3；van Genuchten（1980）土壤水分特征曲线中α=0.02，n=1.41；θ_f=0.247cm³cm^-3。设最适宜作物生长的土壤含水量上限取为土壤水基质势-50cm所对应的土壤含水量，θ_H=0.380cm³cm^-3；最适宜作物生长的土壤含水量下限取为田持的80%，即θ_L=0.197cm³cm^-3；萎焉系数取为土壤水基质势-15000cm所对应的土壤含水量，θ_W=0.104cm³cm^-3；最大扎根深度L_r=40cm；相对根长密度分布为相对土层深度的函数L_nrd(z_r)＝4.522(1-z_r)^5.228exp(9.644z_r ^2.426)；作物潜在蒸腾速率为0.60cm d^-1；潜在土面蒸发速率为0.03cm d^-1;实际土面蒸发速率根据表层土壤含水量确定，当表层土壤含水量大于田持时，实际土面蒸发速率等于潜在土面蒸发速率，当表层土壤含水量介于田间持水量与残余含水量之间时，实际土面蒸发速率由0.03cmd^-1线性递减至零。首先，设根区土壤含水量均匀分布并且=0.182cm³cm^-3，空间步长为1cm（情形0）。然后，另外又设置了10种土壤水分分布情形：以情形0为参考，以垂直方向上土壤水分线性分布以及保持根区算术平均土壤含水量不变为原则，地表处土壤有效含水量（θ_f-θ_r）分别增大或缩小0.2、0.4、0.6、0.8、1倍，最大扎根深度处土壤有效含水量则相应地缩小或增大。各情形下土壤水分分布如图5所示。

在各种土壤水分分布条件下，先按式[6]计算作物实际蒸腾速率，然后再按式[1]计算CWSI理论值；按传统方法（式[3]）与改进方法（式[11]）分别估算CWSI。各情形下CWSI理论值与估算值以及其对比关系如表1所示。表1表明：①在根区算术平均土壤含水量保持不变的情况下，作物水分状况因土壤水分分布方式存在很大差异，土壤水分分布与根系分布（表层多，深层少）越一致，CWSI越小，反之则CWSI越大；②相对于传统方法，采用改进方法能更准确地估算CWSI，相对误差小于10%。

表1各土壤含水量分布情形下CWSI的理论值与估算值之间的对比关系

采用本发明的自动灌溉方法和自动灌溉系统，基于作物根长密度分布计算根区加权平均土壤含水量，从而更加准确地估算作物所受到的水分胁迫程度，以此为依据控制灌溉时既考虑了根区土壤水分状况又考虑了作物水分状况，可为节水、增产目标的实现提供有效工具。本发明仅适合对旱作物进行灌溉控制。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法包括：

将灌溉区域的土壤从表层至最大扎根深度L_r处依次分为若干层，层数记为k，用每层土壤的平均深度z_i除以L_r，得到每层土壤的相对深度z_ri，用每层土壤的厚度h_i除以L_r，得到每层土壤的相对厚度Δz_ri，设定作物在每层土壤中的相对根长密度L_nrd(z_ri)、萎焉系数θ_W、饱和土壤含水量θ_S、最适宜作物生长的土壤含水量上限θ_H与下限θ_L；

测量每层土壤的含水量θ_i；

计算根区加权平均土壤含水量 且当θ_H＜θ_i≤θ_S或θ_i≤θ_W时，令θ_i等于θ_W；当θ_L＜θ_i≤θ_H时，令θ_i等于θ_L；

计算作物水分胁迫指数CWSI：其中取 $a=\frac{1}{{\mathrm{\&theta;}}_L-{\mathrm{\&theta;}}_W},b=\frac{-{\mathrm{\&theta;}}_W}{{\mathrm{\&theta;}}_L-{\mathrm{\&theta;}}_W},$ 且当 ${\mathrm{\&theta;}}_H<\stackrel{=}{\mathrm{\&theta;}}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_S$ 或 $\stackrel{=}{\mathrm{\&theta;}}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_W$ 时，令等于θ_W；当时，令等于θ_L；

当计算得到的CWSI大于预定的CWSI临界值时，开始灌水。

2.如权利要求1所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，

所述测量每层土壤的含水量θ_i，是将土壤水分探针垂直插入根区土壤，并在土壤水分探针上对应的各土层深度处设有一个土壤水分传感器，从而测得每层土壤的含水量θ_i。

3.如权利要求2所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，

所述测得每层土壤的含水量θ_i，是将分布在灌溉区域内的多根土壤水分探针上相同土层深度处的土壤水分传感器的测量值取平均而获得。

4.如权利要求1所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法还包括：

在所述最大扎根深度范围内设定计划湿润层深度，记录从表层到计划湿润层深度的土壤层数n，设定田间持水量θ_f、土壤灌溉湿润比p、田间水分有效利用系数η和灌溉面积A，按下式计算单位面积的灌水定额M：然后用M乘以A，得到理论灌水量；

当实际灌水量达到理论灌水量时，停止灌水。

5.如权利要求1至4其中任一项所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法还包括：

当计算得到的CWSI大于预定的临界值时，若预报在设定的时间区间内有降雨，则不灌水，否则开始灌水。

6.一种基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于，该系统包括参数输入子系统、土壤水分采集子系统、中央决策子系统和灌水控制子系统：

参数输入子系统，用于设定作物的最大扎根深度L_r，灌溉区域内从土壤表层至最大扎根深度L_r处所分的层数k，每层土壤的平均深度z_i以及厚度h_i，作物在每层土壤中的相对根长密度L_nrd(z_ri)、萎焉系数θ_W、饱和土壤含水量θ_S、最适宜作物生长的土壤含水量上限θ_H与下限θ_L，以及CWSI临界值；

土壤水分采集子系统，用于测量每层土壤的含水量θ_i，并发送给中央决策子系统；

中央决策子系统，包括计算模块和决策模块；

计算模块，用z_i除以L_r，得到每层土壤的相对深度z_ri；用h_i除以L_r，得到每层土壤的相对厚度Δz_i；然后计算根区加权平均土壤含水量 且当θ_H＜θ_i≤θ_S或θ_i≤θ_W时，令θ_i等于θ_W，当θ_L＜θ_i≤θ_H时，令θ_i等于θ_L；计算作物水分胁迫指数CWSI： $\mathrm{CWSI}=1-(a\stackrel{=}{\mathrm{\&theta;}}+b),$ 其中取 $a=\frac{1}{{\mathrm{\&theta;}}_L-{\mathrm{\&theta;}}_W},b=\frac{-{\mathrm{\&theta;}}_W}{{\mathrm{\&theta;}}_L-{\mathrm{\&theta;}}_W},$ 且当 ${\mathrm{\&theta;}}_H<\stackrel{=}{\mathrm{\&theta;}}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_S$ 或 $\stackrel{=}{\mathrm{\&theta;}}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_W$ 时，令等于θ_W，当 ${\mathrm{\&theta;}}_L<\stackrel{=}{\mathrm{\&theta;}}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_H$ 时，令等于θ_L；

决策模块，比较计算得到的CWSI是否大于预定的CWSI临界值，当大于时，则向灌水控制子系统发出开始灌水的指令；

灌水控制子系统，包括灌溉控制模块，当收到开始灌水的指令时，控制阀门开启而开始灌水。

7.如权利要求6所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于，

所述土壤水分采集子系统，包括土壤水分探针，土壤水分探针上对应每层土壤设有一个土壤水分传感器，通过将土壤水分探针垂直插入根区土壤，从而测得每层土壤的含水量θ_i。

8.如权利要求7所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于，

在灌溉控制区域内，所述土壤水分探针为多根，所述测得每层土壤的含水量θ_i，是将灌溉区域内的多根土壤水分探针上相同土层深度处的土壤水分传感器的测量值取平均而获得。

9.如权利要求6所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于，

参数输入子系统，还用于输入从表层到计划湿润层深度的土壤层数n，并设定田间持水量θ_f、土壤灌溉湿润比p、田间水分有效利用系数η和灌溉面积A；

中央决策子系统的计算模块还包括计算单位面积的灌水定额M：然后用M乘以A，得到理论灌水量；

中央决策子系统的决策模块，还包括比较实际灌水量与理论灌水量，当实际灌水量达到理论灌水量时，则向灌水控制子系统发出停止灌水的指令；

灌水控制子系统，还包括灌水计量模块，用于计量实际灌水量并发送给中央决策子系统；灌溉控制模块还用于在收到停止灌水的指令时，关闭控制阀门而停止灌水。

10.如权利要求6-9其中任一项所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于，

中央决策子系统还包括天气预报模块，用于接收天气预报，当预报在设定的时间区间内有降雨时，则中央决策子系统中的决策模块不发出开始灌水的指令。