CN104297450B - 实时灌溉监测点位置的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时灌溉监测点位置的确定方法，在作物根区埋设土壤水分监测探头，监测灌水周期内根区各监测点土壤体积含水量和根区土体内的储水量的变化特征，分析土壤水分监测点与作物耗水量之间的关系，确定实时灌溉监测点。本发明实时灌溉监测点位置的确定方法，能够简单、快速、有效的确定监测点，为实时适量灌溉研究提供帮助。

Description

实时灌溉监测点位置的确定方法

技术领域

本发明属于农业灌溉技术领域，具体涉及一种实时灌溉监测点位置的确定方法。

背景技术

对于实时滴灌，如何选择探头的埋设位置是实时灌溉的关键。一个点要作为实时灌溉土壤水分监测点，该点的含水量在灌水周期内的变化必须不能太剧烈，也不能太缓慢，并且能反映出土体中整体(湿润体)的平均含水量变化特征。监测点如果分布在根系质量分布很大的地方，会导致实时灌溉的灌水量和灌水频率增大，浪费水资源，达不到节水效果，反之，会使实时灌溉的灌水量和灌水频率减小，不能满足作物正常生长。探头的埋设位置的确定是一个很复杂的过程，受诸多因素影响，例如作物根系的分布、根系长度、灌溉制度等。作物的耗水量主要取决于土壤蒸发和作物蒸腾作用，其中作物蒸腾量和根系吸水之间有着密切关系，因此，根系在土壤中的分布在一定程度上决定了根区土壤含水量的变化，从而影响土体中储水量的变化，而根系质量重心则能代表根系整体分布情况。因此，监测点的位置一般是根系质量的重心位置，然而根系分布特征通常是未知的，无法确定根系质量重心。目前，人们通常采取的方法是直观上将根系的平均深度作为探头的埋设深度，但是此方法无法准确确定最佳的灌溉监测点，不能反映出土体中整体(湿润体)的平均含水量变化特征，另外通过设定不同灌溉制度的试验，分析不同深度土壤含水量变化特征来确定监测点，但此方法具有一定复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时灌溉监测点位置的确定方法，能够简单、快速、有效的确定不同作物的实时灌溉监测点。

本发明所采用的技术方案是：实时灌溉监测点位置的确定方法，在作物根区埋设土壤水分监测探头，监测灌水周期内根区各监测点土壤体积含水量和根区土体内的储水量的变化特征，分析土壤水分监测点与作物耗水量之间的关系，确定实时灌溉监测点。

本发明的特点还在于，

具体包括以下步骤：

步骤1：以作物主根与地面交接点为原点(0,0)，以Lx为水平步长、Lz为垂直步长，分别沿水平方向和垂直方向划分网格，并采用CampbellTDR土壤水分测量系统监测网格监测点T_m,n处土壤体积含水量θ_mn；

步骤2：在灌水周期内，连续监测土壤体积含水量的日变化，并根据各个监测点每天的土壤体积含水量θ_mn，计算每天土体内的储水量I；

$I=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mn}}\×L_x\×L_z)---\left(1\right)$

式中，θ_mn为监测点T_m,n处的土壤体积含水量，单位为cm³/cm³；m＝1,2,3,…,M，表示监测点垂直方向位置；n＝1,2,3,…,N，表示监测点水平方向位置；Lx为水平步长；Lz为垂直步长；

步骤3：根据CampbellTDR土壤水分测量系统采集的各监测点每天土壤体积含水量，分析灌水周期内根区各个监测点的土壤体积含水量θ_mn日变化特征，并采用二次多项式拟合各个监测点土壤体积含水量日变化趋势：

θ_mn＝a_mn2t²+a_mn1t+a_mn0,1≤t≤T(2)

式中：θ_mn为监测点T_m,n处的土壤体积含水量，单位为cm³/cm³；T为灌水周期，单位为天；t为灌水后天数，单位为天；a_mn2、a_mn1和a_mn0为T_m,n处的土壤体积含水量拟合参数，采用最小二乘法拟合得到；

步骤4：分析灌水周期内土体内的储水量I的日变化特征，并采用二次多项式拟合土体内的储水量的日变化趋势：

I＝A₂t²+A₁t+A₀,1≤t≤T(3)

式中：I为土体内的储水量，单位为mm；T为灌水周期，单位为天；t为灌水后天数，单位为天；A₂、A₁和A₀为拟合参数，采用最小二乘法拟合得到；

步骤5：为了确定最佳监测点位置，需要进一步分析监测点处的土壤体积含水量θ_mn和土体内的储水量I的变化特征，分别对式(2)和式(3)求一阶导数：

D_θmn＝a_mnt+a_mn1,1≤t≤T(4)

D_I＝At+A₁,1≤t≤T(5)

式中：D_θmn表示T_m,n处的土壤体积含水量θ_mn的一阶导数；D_I表示土体内的储水量I的一阶导数；其中a_mn＝2a_mn2，A＝2A₂；

D_θmn和D_I分别反应了监测点T_m,n处土壤体积含水量和土体内的储水量的变化速率，D_θmn与D_I相等，则认为T_m,n处土壤体积含水量的变化趋势可以最准确地反应土体内的储水量的变化趋势，即监测点T_m,n即为最佳监测点；

步骤6：由于截距a_mn1≠A₁，因此需要对式(4)进行放缩，使得式(4)与式(5)的截距相等，从而更好的确定监测点位置，将式(4)放缩为：

$D_{\mathrm{\θmn}}^{\′}=D_{\mathrm{\θmn}}\frac{A_1}{a_{\mathrm{mn}1}}t=a_{\mathrm{mn}}\·\frac{A_1}{a_{\mathrm{mn}1}}t+A_1,1\≤t\≤T---\left(6\right)$

令： $k_{\mathrm{mn}}=a_{\mathrm{mn}}\·\frac{A_1}{a_{\mathrm{mn}1}}$

k_mn表示放缩到土体储水量水平上各监测点含水量变化速率；

分别计算各监测点T_m,n处k_mn，并与式(5)中的A进行比较：如果k_m-1,n≤A≤k_m,n，k_m,n-1≤A≤k_m,n，则确定最佳监测点T_op在T_m-1,n-1、T_m-1,n、T_m,n-1和T_m,n四个点围成的范围之内，即最佳监测点T_op的水平坐标x∈[(m-1)·Lx,m·Lx]，垂直坐标z∈[(n-1)·Lz,n·Lz]。

步骤1中水平步长Lx和垂直步长Lz，根据作物根区范围选择20cm～40cm。

本发明的有益效果是：本发明实时灌溉监测点位置的确定方法，通过在作物根区埋设土壤水分监测探头，监测灌水周期内根区土壤体积含水量和根区土体内的储水量的变化特征，分析土壤水分监测点与作物耗水量之间的关系，确定实时灌溉监测点，能够简单、快速、有效的确定不同作物的实时灌溉监测点，为实时适量灌溉研究提供帮助。

附图说明

图1是本发明实时灌溉监测点位置的确定方法土壤含水量监测点网格分布示意图；

图2是本发明实施例试验地葡萄种植方式示意图；

图3是本发明实施例的TDR100探头分布示意图；

图4是本发明实施例灌水周期内不同深度土壤水分变化图；

图5是本发明实施例监测点土壤体积含水量变化速率与土体内的储水量变化速率比较图；

图6是本发明实施例葡萄根系质点位置分布示意图；

图7是本发明实施例葡萄根系取样单元格示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实时灌溉监测点位置的确定方法，具体包括以下步骤：

步骤1：如图1所示，以作物主根与地面交接点为原点(0,0)，以Lx为水平步长、Lz为垂直步长，分别沿水平方向和垂直方向划分网格，水平步长Lx和垂直步长Lz根据作物根区范围选择20cm～40cm，并采用CampbellTDR土壤水分测量系统监测网格监测点T_m,n处土壤含水量θ_mn；

步骤2：在灌水周期内，连续监测土壤体积含水量的日变化，并根据各个监测点每天的土壤体积含水量θ_mn计算每天土体内的储水量I；

$I=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mn}}\×L_x\×L_z)---\left(1\right)$

式中，θ_mn为监测点T_m,n处的土壤体积含水量，单位为cm³/cm³；m＝1,2,3,…,M，表示监测点垂直方向位置；n＝1,2,3,…,N，表示监测点水平方向位置；Lx为水平步长；Lz为垂直步长；

步骤3：根据CampbellTDR土壤水分测量系统采集的各监测点每天土壤体积含水量，分析灌水周期内根区各个监测点的土壤体积含水量θ_mn日变化特征，并采用二次多项式拟合各个监测点土壤体积含水量日变化趋势：

θ_mn＝a_mn2t²+a_mn1t+a_mn0，1≤t≤T(2)

式中：θ_mn为监测点T_m,n处的土壤体积含水量，单位为cm³/cm³；T为灌水周期，单位为天；t为灌水后天数，单位为天；a_mn2、a_mn1和a_mn0为T_m,n处的土壤体积含水量拟合参数，根据试验数据采用最小二乘法拟合得到；

步骤4：分析灌水周期内土体内的储水量I的日变化特征，并采用二次多项式拟合土体内的储水量的日变化趋势：

I＝A₂t²+A₁t+A₀,1≤t≤T(3)

式中：I为土体内的储水量，单位为mm；T为灌水周期，单位为天；t为灌水后天数，单位为天；A₂、A₁和A₀为拟合参数，根据试验数据采用最小二乘法拟合得到；

步骤5：为了确定最佳监测点位置，需要进一步分析监测点处的土壤体积含水量θ_mn和土体内的储水量I的变化特征，分别对式(2)和式(3)求一阶导数：

D_θmn＝a_mnt+a_mn1,1≤t≤T(4)

D_I＝At+A₁,1≤t≤T(5)

式中：D_θmn表示T_m,n处的土壤体积含水量θ_mn的一阶导数；D_I表示土体内的储水量I的一阶导数；其中a_mn＝2a_mn2，A＝2A₂；

函数的一阶导数表示函数的变化率，因此D_θmn和D_I分别反应了监测点土壤体积含水量和土体内的储水量的变化速率，如果T_m,n处土壤体积含水量的变化速率D_θmn与土体内的储水量的变化速率D_I相等，则认为T_m,n处土壤体积含水量的变化趋势可以最准确地反应土体内的储水量的变化趋势，即监测点T_m,n即为最佳监测点；

步骤6：由于截距a_mn1≠A₁，因此需要对式(4)进行适当的放缩，使得式(4)与式(5)的截距相等，才能更好的确定监测点位置，将式(4)放缩为：

$D_{\mathrm{\θmn}}^{\′}=D_{\mathrm{\θmn}}\frac{A_1}{a_{\mathrm{mn}1}}t=a_{\mathrm{mn}}\·\frac{A_1}{a_{\mathrm{mn}1}}t+A_1,1\≤t\≤T---\left(6\right)$

令： $k_{\mathrm{mn}}=a_{\mathrm{mn}}\·\frac{A_1}{a_{\mathrm{mn}1}}$

k_mn表示放缩到土体储水量水平上各监测点含水量变化速率；

分别计算各监测点T_m,n处k_mn，并与式(5)中的A进行比较：如果k_m-1,n≤A≤k_m,n，k_m,n-1≤A≤k_m,n，则确定最佳监测点T_op在T_m-1,n-1、T_m-1,n、T_m,n-1和T_m,n四个点围成的范围之内，即最佳监测点T_op的水平坐标x∈[(m-1)·Lx,m·Lx]，垂直坐标z∈[(n-1)·Lz,n·Lz]。

本发明具有如下有益效果：作物根区埋设少量土壤水分监测探头，监测灌水周期内根区土壤含水量和根区储水量变化特征，通过简单地数学方法分析两者之间的关系，即可简单有效的确定实时灌溉监测点，为实时适量灌溉研究提供帮助，适用于各种作物实时灌溉监测点位置的确定。

实施例

新疆吐鲁番地区无核白葡萄实时灌溉监测点的确定

试验在新疆吐鲁番地区进行，针对10年树龄的无核白葡萄，确定实时灌溉监测点，种植方式如图2所示。土壤体积含水量的监测：采用美国CampbellScientific公司生产的时域反射仪(TimeDomainReflectometry)100，简称TDR100，探头为自制的三针式，探针长度20cm。根据根系分布特征布设了TDR探头，并在根系分布较为密集的区域进行了加密布设，具体布设如图3所示。

1.监测点含水量变化过程

图4为2#、3#、4#点的20-40cm深度处监测点含水量变化过程。由图中可看出，各点含水量在灌前灌后的变化很有规律性，在灌水周期间，各点含水量呈现周期性的波动，2#20和2#40位置是下降速率最快和最慢的点，2#20较4#20下降速率大，且垂直40cm处的下降速率都较20cm处要小，含水量大小在整体上呈现垂直40cm＞垂直30cm＞垂直20cm。

2.监测点土壤体积含水量和土体内的储水量关系

经过对土壤体积含水量在灌水周期内的变化规律分析结果可知，在水平90cm-130cm，垂直20-40cm之间有存在监测点。现对水平90cm-130cm、垂直20-40cm范围内各点土壤体积含水量和整体土体内的储水量在灌水周期内变化做进一步分析。以时间为变量，对各监测点含水量和储水量变化过程进行拟合。

2#：

20cmθ₂₂＝0.0004t²-0.01t+0.2674,R²＝0.98261≤t≤9

30cmθ₂₃＝0.0003t²-0.0065t+0.2774,R²＝0.98191≤t≤9

40cmθ₂₄＝0.000002t²-0.0019t+0.3101,R²＝0.97331≤t≤9

3#：

20cmθ₃₂＝0.00009t²-0.0046t+0.2844,R²＝0.99711≤t≤9

30cmθ₃₃＝0.00006t²-0.0047t+0.282,R²＝0.96821≤t≤9

40cmθ₃₄＝0.0003t²-0.0067t+0.2996,R²＝0.99511≤t≤9

4#：

20cmθ₄₂＝0.0003t²-0.0073t+0.2783,R²＝0.99341≤t≤9

30cmθ₄₃＝0.0001t²-0.0038t+0.3108,R²＝0.89451≤t≤9

40cmθ₄₄＝0.0004t²-0.0066t+0.3108,R²＝0.93371≤t≤9

土体内的储水量随时间变化过程为：

I＝0.2287t²-4.2902t+292.73,R²＝0.99591≤t≤9

式中：θ_mn为第m#深度为n×10cm处监测点的土壤体积含水量，单位为cm³/cm³；I为土体内的储水量，单位为mm；t为灌水后天数，单位为天。

对各监测点土壤体积含水量的函数求导，得到变化率如下：

2#：

20cmDθ₂₂＝0.008t-0.01(7)

30cmDθ₂₃＝0.0006t-0.0065(8)

40cmDθ₂₄＝0.000004t-0.0019(9)

3#：

20cmDθ₃₂＝0.00018t-0.0046(10)

30cmDθ₃₃＝0.00012t-0.0047(11)

40cmDθ₃₄＝0.0006t-0.0067(12)

4#：

20cmDθ₄₂＝0.0006t-0.0073(13)

30cmDθ₄₃＝0.0002t-0.0038(14)

40cmDθ₄₄＝0.0008t-0.0066(15)

土体内的储水量变化与时间变化斜率：

DI＝0.4574t-4.2902(16)

将以上求导后的变化率式(7)～(15)的斜率放大为4.2902后，分别对比式(16)，如图5所示。从图5可以看出，土体内的储水量变化速率位于3#40cm到4#40cm的土壤体积含水量变化速率之间或者4#30cm到4#40cm的土壤体积含水量变化速率之间，也就意味着在3#40cm到4#40cm及4#30cm到4#40cm这个区域内存在一点土壤体积含水量变化速率与土体内的储水量变化趋势基本一致，可以较为准确地反映储水量变化。因此，合理的水分监测点位置应为水平方向120cm-130cm、垂直30-40cm范围内。

实验验证：确定葡萄吸水根系质量重心对本实施例得到的实时灌溉监测点进行验证。

设n个质点的质量分别是：M1，M2，M3，M4，...，Mn，原点坐标为(0，0)，那么，总质量是：M1+M2+M3+M4+...+Mn。由于不同质点的位置不同，如图6所示，计算其质量重心，需要考虑质点位置的差异，因此根据力矩平衡原理进行计算，具体计算公式如下：

在水平方向上力矩平衡为：

(M1+M2+M3+M4+...+Mn)Xg＝M1·X1+M2·X2+M3·X3+...+Mn·Xn(17)

在垂直方向上力矩平衡为：

(M1+M2+M3+M4+...+Mn)Yg＝M1·Y1+M2·Y2+M3·Y3+...+Mn·Yn(18)

从而有：

Xg＝(M1*X1+M2*X2+M3*X3+...+Mn*Xn)/(M1+M2+M3+M4+...+Mn)(19)

Yg＝(M1*Y1+M2*Y2+M3*Y3+...+Mn*Yn)/(M1+M2+M3+M4+...+Mn)(20)

其中Xg为质点系重心横坐标，Yg为质点系重心纵坐标；X1，X2，...Xn为M1，M2，...，Mn对应质点重心横坐标，Y1，Y2...Yn为M1，M2，...，Mn对应质点重心纵坐标。

对于小于2mm以下的吸收根，根据测得每一个单元格的根系质量，首先可以转化成沟-垄和深度的二维分布，如图7所示。各单元格具体质量和坐标如表1所示。由公式(19)和(20)，可以计算得到根系质量的重心位置。

表1垂直剖面根系质量分布

注：其中质量单位为g。

将各单元格的根系的质量值带入式(19)和(20)，计算出重心的坐标为：

Xg＝30.12cm，Yg＝122.7cm

即为水平距离为122.7cm，垂直深度为30.12cm处。

结果表明，根系质量重心位置正好位于通过土壤含水量变化计算所得的监测点区域之内，因此通过本发明的方法能够准确确定出实时灌溉监测点的位置。

Claims (2)

1.实时灌溉监测点位置的确定方法，其特征在于，在作物根区埋设土壤水分监测探头，监测灌水周期内根区各监测点土壤体积含水量和根区土体内的储水量的变化特征，分析土壤水分监测点与作物耗水量之间的关系，确定实时灌溉监测点；具体包括以下步骤：

步骤1：以作物主根与地面交接点为原点(0,0)，以Lx为水平步长、Lz为垂直步长，分别沿水平方向和垂直方向划分网格，并采用CampbellTDR土壤水分测量系统监测网格监测点T_m,n处土壤体积含水量θ_mn；

步骤2：在灌水周期内，连续监测土壤体积含水量的日变化，并根据各个监测点每天的土壤体积含水量θ_mn，计算每天土体内的储水量I；

$I=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{mn}\×L_x\×L_z)---\left(1\right)$

式中，θ_mn为监测点T_m,n处的土壤体积含水量，单位为cm³/cm³；m＝1,2,3,…,M，表示监测点垂直方向位置；n＝1,2,3,…,N，表示监测点水平方向位置；Lx为水平步长；Lz为垂直步长；

步骤3：根据CampbellTDR土壤水分测量系统采集的各监测点每天土壤体积含水量，分析灌水周期内根区各个监测点的土壤体积含水量θ_mn日变化特征，并采用二次多项式拟合各个监测点土壤体积含水量日变化趋势：

θ_mn＝a_mn2t²+a_mn1t+a_mn0,1≤t≤T(2)

式中：θ_mn为监测点T_m,n处的土壤体积含水量，单位为cm³/cm³；T为灌水周期，单位为天；t为灌水后天数，单位为天；a_mn2、a_mn1和a_mn0为T_m,n处的土壤体积含水量拟合参数，采用最小二乘法拟合得到；

步骤4：分析灌水周期内土体内的储水量I的日变化特征，并采用二次多项式拟合土体内的储水量的日变化趋势：

I＝A₂t²+A₁t+A₀,1≤t≤T(3)

式中：I为土体内的储水量，单位为mm；T为灌水周期，单位为天；t为灌水后天数，单位为天；A₂、A₁和A₀为拟合参数，采用最小二乘法拟合得到；

步骤5：为了确定最佳监测点位置，需要进一步分析监测点处的土壤体积含水量θ_mn和土体内的储水量I的变化特征，分别对式(2)和式(3)求一阶导数：

D_θmn＝a_mnt+a_mn1,1≤t≤T(4)

D_I＝At+A₁,1≤t≤T(5)

式中：D_θmn表示T_m,n处的土壤体积含水量θ_mn的一阶导数；D_I表示土体内的储水量I的一阶导数；其中a_mn＝2a_mn2，A＝2A₂；

D_θmn和D_I分别反应了监测点T_m,n处土壤体积含水量和土体内的储水量的变化速率，D_θmn与D_I相等，则认为T_m,n处土壤体积含水量的变化趋势可以最准确地反应土体内的储水量的变化趋势，即监测点T_m,n即为最佳监测点；

步骤6：由于截距a_mn1≠A₁，因此需要对式(4)进行放缩，使得式(4)与式(5)的截距相等，从而更好的确定监测点位置，将式(4)放缩为：

$D_{\mathrm{\θ}mn}^{\′}=D_{\mathrm{\θ}mn}\frac{A_1}{a_{mn1}}t=a_{mn}\·\frac{A_1}{a_{mn1}}t+A_1,1\≤t\≤T---\left(6\right)$

令： $k_{mn}=a_{mn}\·\frac{A_1}{a_{mn1}}$

k_mn表示放缩到土体储水量水平上各监测点含水量变化速率；

分别计算各监测点T_m,n处k_mn，并与式(5)中的A进行比较：如果k_m-1,n≤A≤k_m,n，k_m,n-1≤A≤k_m,n，则确定最佳监测点T_op在T_m-1,n-1、T_m-1,n、T_m,n-1和T_m,n四个点围成的范围之内，即最佳监测点T_op的水平坐标x∈[(m-1)·Lx,m·Lx]，垂直坐标z∈[(n-1)·Lz,n·Lz]。

2.如权利要求1所述的实时灌溉监测点位置的确定方法，其特征在于，所述步骤1中水平步长Lx和垂直步长Lz，根据作物根区范围选择20cm～40cm。