CN105746309B

CN105746309B - 滴渗控制方法和滴渗控制系统

Info

Publication number: CN105746309B
Application number: CN201610100022.4A
Authority: CN
Inventors: 康宝华; 李振才; 黄征; 孙仲桂; 张天巧
Original assignee: Shenyang Yuanda Intelligent Agriculture Co Ltd
Current assignee: Shenyang Yuanda Intelligent Agriculture Co Ltd
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: CN105746309A

Abstract

本发明涉及一种滴渗控制方法，包括如下步骤：在土壤下方的第一垂直距离d₁和第二垂直距离d₂处分别安装第一水分监测器和第二水分监测器，其中，d₁<d₂，并且所述第一水分监测器和所述第二水分监测器在水平方向上与作物根部的距离分别是D₁和D₂，其中，D₁与D₂相等或不等；基于所述第一水分监测器的监测结果控制管道系统对土壤进行浇灌，并基于所述第二水分监测器的监测结果控制所述管道系统对土壤停止浇灌。本发明还涉及一种滴渗控制系统。本发明通过改变水分监测器的数量及布设位置，实现了既能控制滴渗开始和结束的时间，又能控制滴渗的纵向范围和横向范围，还能够节约用水，提高滴渗效率的技术方案。

Description

滴渗控制方法和滴渗控制系统

技术领域

本发明涉及一种滴渗控制方法和滴渗控制系统。

背景技术

目前，无论是节水灌溉技术还是灌溉配套产品都是近些年来研究的热点，发展至今已经经历了从农业节水技术2.0产品到4.0产品，有滴灌、渗灌、喷灌等等，但主要还是以滴灌、渗灌为主。

其次，基于控制方式的不同又包括：譬如重力滴灌系统，太阳能滴灌系统，人工手动控制滴灌系统，变频滴灌系统等等，这些控制方法及系统通过检测土壤含水量、间歇式灌溉等方式，在控制参数的设定上，均采用传统经验值，虽均可达到表面意义上的节水节肥、省时、省工、智能控制等目的，但忽略了作物自身的需求。这样现存的滴灌系统及灌溉控制方式就会持续地产生施肥过量、灌溉不均匀的现象。

现存的滴灌系统及灌溉控制方式没有从作物土壤根系活动范围与环境的角度考虑出发，无法使作物必需的水分营养的纵向与横向渗透范围被控制在作物根圈范围内，无法使土壤中残留或流失的水量与肥料量接近于零，也不能针对不同的作物量身定制出个性化的精准滴渗控制方案。同时，现存的滴灌系统及灌溉控制方式也没有考虑不同地块及不同作物等的差异。

作物必需的水分营养在土壤中的运动方式主要为受重力效应影响的纵向下移运动与受土壤毛细管力作用的横向扩渗运动。现有的滴灌系统与渗灌系统中传感器(即，监测器)的布设位置主要是基于重力效应的单一监测，即传感器与滴头处于同一垂直线上，没有充分考虑作物根系营养分布区域与土壤水分的关系，垂直滴头下面的传感器监测到已处于水饱和状态时，根圈范围内其他部位的土壤水分常常仍然处于非饱和状态。因此，不利于作物次生根系的生长与发展。此外，现有的滴灌系统与渗灌系统只能做到什么时候开始浇水(包括普通的水，还可以包括肥料)，但浇多少水，使作物必需的水分营养的纵向与横向营养圈渗透范围控制在作物根圈范围内的滴渗控制方法尚未见报导。

发明内容

由此，本发明旨在对现有技术中的滴渗控制方法和滴渗控制系统进行改进。本发明旨在提供一种新的滴渗控制方法和滴渗控制系统，既能控制滴渗开始和结束的时间，又能控制滴渗的纵向范围和横向范围，还能够节约用水，提供滴渗效率。

在本发明的一个实施例中，一种滴渗控制方法包括如下步骤：

在土壤下方的第一垂直距离d₁和第二垂直距离d₂处分别安装第一水分监测器和第二水分监测器，其中，d₁<d₂，并且所述第一水分监测器和所述第二水分监测器在水平方向上与作物根部的距离分别是D₁和D₂，其中，D₁与D₂相等或不等；以及基于所述第一水分监测器的监测结果控制管道系统对土壤进行浇灌，并基于所述第二水分监测器的监测结果控制所述管道系统对土壤停止浇灌。

在本发明的另一个实施例中，还包括步骤：

根据当前作物预先确定用于所述第一水分监测器的滴渗开始控制值R₁和用于所述第二水分监测器的滴渗停止控制值R₂；

其中基于所述第一水分监测器的监测结果控制管道系统对土壤进行浇灌，并基于所述第二水分监测器的监测结果控制所述管道系统对土壤停止浇灌的步骤包括：

在所述第一水分监测器的监测值r₁大于滴渗开始控制值R₁时控制所述管道系统对土壤开始进行浇灌；以及

在所述第二水分监测器的监测值r₂小于滴渗停止控制值R₂时控制所述管道系统对土壤停止浇灌，

其中，越大的监测值对应于越小的土壤含水量。

在本发明的另一个实施例中，所述滴渗开始控制值R₁和所述滴渗停止控制值R₂通过如下步骤确定：

SS1，向地面浇灌水分至水分不再下渗，记录第一水分监测器和第二水分监测器各自的监测值r₁和r₂；

SS2，停止浇灌一段时间后，读取第一水分监测器的监测值r₁及第二水分监测器的监测值r₂，同时分别采集第一水分监测器和第二水分监测器所在土层的土壤样品，得到第一水分监测器所在土层的第一土壤含水量w₁及第二水分监测器所在土层的第二土壤含水量w₁'，计算田间持水量

SS3，定期读取第一水分监测器的监测值r₁及第二水分监测器的监测值r₂，同时分别采集第一水分监测器和第二水分监测器所在土层的土壤样品，进行土壤含水量计算，当监测值r₁和监测值r₂连续一段时间不再变化时，计算凋萎系数其中，w₂是此时第一水分监测器所在土层的第一土壤含水量，w₂'是此时第二水分监测器所在土层的第二土壤含水量，

SS4，分别根据定期读取的监测值r₁和监测值r₂、及采集的土壤样品计算得到的土壤含水量，绘制第一水分监测器对应的校正曲线一和第二水分监测器对应的校正曲线二；

SS5，在校正曲线一上选择滴渗开始控制值R₁，在校正曲线二上选择滴渗停止控制值R₂。

在本发明的另一个实施例中，根据公式将结果带入校正曲线一得到滴渗开始控制值R₁；根据公式将结果带入校正曲线二得到滴渗停止控制值R₂。

在本发明的另一个实施例中，在步骤SS2中采集土壤样品时，分别在水平方向上距离第一水分监测器和第二水分监测器约30cm处进行。

此外，在本发明的一个实施例中，一种滴渗控制系统包括：

滴渗控制器；

管道系统，用于对土壤进行浇灌，所述管道系统与所述滴渗控制器信号连通；以及

第一水分监测器和第二水分监测器，设置在土壤中并用于对所处位置处的土壤含水量进行监测，所述第一水分监测器和第二水分监测器均与所述滴渗控制器信号连通；

其中，所述第一水分监测器和所述第二水分监测器在水平方向上与作物根部的距离分别是D₁和D₂，其中，D₁与D₂相等或不等；

其中，所述第一水分监测器和所述第二水分监测器在垂直方向上处于不同的深度，所述滴渗控制器基于所述第一水分监测器和所述第二水分监测器的监测结果控制所述管道系统对土壤进行浇灌或停止浇灌。

在本发明的另一个实施例中，所述第一水分监测器与地面的垂直距离d₁小于所述第二水分监测器与地面的垂直距离d₂，

所述滴渗控制器基于所述第一水分监测器的监测结果控制所述管道系统对土壤进行浇灌，并基于所述第二水分监测器的监测结果控制所述管道系统对土壤停止浇灌。

在本发明的另一个实施例中，所述管道系统包括：

主管道，具有主管道控制阀；

与所述主管道连通的多个支管道，每个支管道分别具有支管道控制阀；以及

设置于多个支管道末端的多个滴口，

其中，所述滴渗控制器通过主管道控制阀和支管道控制阀控制所述多个滴口对土壤进行浇灌或停止浇灌。

在本发明的另一个实施例中，所述多个滴口既可以位于地面，也可以位于地下大于0小于等于20厘米的范围内。

在本发明的另一个实施例中，所述滴渗控制器中存储有根据当前作物预先确定的用于所述第一水分监测器的滴渗开始控制值R₁和用于所述第二水分监测器的滴渗停止控制值R₂，

所述滴渗控制器在所述第一水分监测器的监测值r₁大于滴渗开始控制值R₁时控制所述管道系统对土壤开始进行浇灌，并在所述第二水分监测器的监测值r₂小于滴渗停止控制值R₂时控制所述管道系统对土壤停止浇灌，其中越大的监测值对应于越小的土壤含水量。

本发明提供了一种精准构建作物根系土壤营养圈的滴渗控制方法及系统，是一种既不同于滴灌也不同于渗灌的全新的灌溉控制方法。基于土壤中水分分子运动特点，将土壤水势运动情况与作物根系营养分布区域形态相结合，改变水分监测器的数量及布设位置，来精准构建作物根系土壤营养圈，作物必需的水分营养的纵向与横向渗透范围被控制在作物根圈范围内，针对不同地质、不同环境在种植之前通过标定试验(并且绘制校正曲线)得到滴渗控制器的设置参数，并通过智能PID控制方法实现滴渗控制。可同时达到节水、节肥、趋盐、趋碱、省时、省力等效果，是节水灌溉控制的全新突破。

本发明通过改变水分监测器的数量及布设位置，实现了既能控制滴渗开始和结束的时间，又能控制滴渗的纵向范围和横向范围，还能够节约用水，提供滴渗效率的技术方案。

附图说明

通过下面结合附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为一个实施例的滴渗控制系统的示意图；

图2为一个实施例的滴渗控制系统中水分监测器的布设图；

图3为现有技术中的灌溉方式下水分运动情况；

图4为一个实施例的滴渗控制系统中的水分运动情况；

图5为根据第一水分监测器的监测值及其位置附近的土壤含水量绘制的校正曲线一；

图6为根据第二水分监测器的监测值及其位置附近的土壤含水量绘制的校正曲线二；

图7和图8为根据本发明的具体实施例进行滴渗所长成的作物根部的照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

在下面的描述中，只通过说明的方式对本发明的某些示范实施例进行描述，毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同方式对所述的实施方案进行修正。因此，附图和描述在本质上只是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

下面说明几个本领域常用的名词：

毛细管力：指土壤颗粒间的凝聚力、粘附力和表面张力共同作用下克服重力作用，使水分向上和水平移动的力。

田间持水量：田间土壤有一个最大的持水能力，这个指标统称为田间持水量，指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量(土水势或土壤水吸力达到一定数值)，是大多数作物可利用的土壤水上限。

凋萎系数：是重要的土壤水分常数之一。指作物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，也称凋萎含水率或萎蔫系数。此时土壤中的水分不能被作物吸收和利用。

为了便于理解本发明，下面对本发明的滴渗控制方法和滴渗控制系统分别进行详细描述。

滴渗控制方法

具体地，一种滴渗控制方法可以包括如下步骤：

在土壤下方的第一垂直距离d₁和第二垂直距离d₂处分别安装第一水分监测器和第二水分监测器，其中，d₁<d₂；

基于所述第一水分监测器的监测结果控制管道系统对土壤进行浇灌，并基于所述第二水分监测器的监测结果控制所述管道系统对土壤停止浇灌。

采用这种滴渗控制方法，具有如下优点：设置两个水分监测器对土壤水分扩渗情况进行监控，使作物必需的水分营养的纵向与横向渗透范围被控制在作物根圈范围内，将水分营养定位于作物根圈范围，达到精准的目的。

在一个优选实施例中，滴渗控制方法还包括步骤：根据当前作物预先确定用于所述第一水分监测器的滴渗开始控制值R₁和用于所述第二水分监测器的滴渗停止控制值R₂。具体地，在所述第一水分监测器的监测值r₁大于滴渗开始控制值R₁时控制所述管道系统对土壤开始进行浇灌；在所述第二水分监测器的监测值r₂小于滴渗停止控制值R₂时控制所述管道系统对土壤停止浇灌。该优选实施例特别适合于砂土颗粒大、毛细管力作用较小的土壤，通过布设在作物根系生长边缘的两个水分监测器精确掌握水分在土壤中扩渗范围及饱和情况，使水分损失量尽可能降低，确保灌溉的有效性，避免过度灌溉造成的水分损失，达到了节水节肥的目的。其中，毛细管力是指土壤颗粒间的凝聚力、粘附力和表面张力共同作用下克服重力作用，使水分向上和水平移动。此外，田间土壤有一个最大的持水能力，这个指标统称为田间持水量，指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量(土水势或土壤水吸力达到一定数值)，是大多数作物可利用的土壤水上限。

越大的监测值对应于越小的土壤含水量。例如，在浇灌至水分不再下渗时，监测值r₁和监测值r₂可以分别是10.2cb和9.8cb。而在监测值r₁和监测值r₂连续三天不再变化时，监测值r₁和监测值r₂可以分别是1505cb和1495cb。其中，cb是本领域常用的压强单位，1b＝100cb＝10N/cm²。

更进一步地，滴渗开始控制值R₁和R₂可以通过如下步骤确定：

通常地，在浇灌停止一段时间(例如，24小时)之后时计算监测器对应土层的土壤含水量，并且将其用作田间持水量。

由于利用两个不同位置处的水分监测器来分别控制滴渗开始时间和滴渗停止时间，因此可以使得滴渗开始和停止的时间更及时更合理，而非仅根据作物根部垂直下面的一个监测器(传感器)来控制滴渗开始和停止的时间。

图5为根据第一水分监测器的监测值及其位置附近的土壤含水量绘制的校正曲线一；并且图6为根据第二水分监测器的监测值及其位置附近的土壤含水量绘制的校正曲线二。本发明充分考虑不同地区、不同气候对灌溉土壤水分运动的影响，在种植前针对不同地块进行一次性试验，根据各地块试验结果设定控制器参数，适用性更强、更广泛。具体地，例如，针对某一特定的土壤特点，可以根据土壤含水量的一个公式计算的结果带入到事先绘制好的校正曲线一，得到滴渗开始控制值R₁；还可以根据土壤含水量的另一个公式计算的结果带入到事先绘制好的校正曲线二，得到滴渗停止控制值R₂。这里选择第一水分监测器7监测到作物吸收了75％的水分的时间的监测值作为下一次滴渗的开始时间，并且选择第二水分监测器8监测到作物吸收了95％的水分的时间的监测值作为下一次滴渗的停止时间。需要注意的是，第二水分监测器8不是用于监测其位置的土壤需要浇灌的，第二水分监测器8用于确保水分营养可以定位于作物的根圈范围内。

更具体地，在步骤SS2中采集土壤样品时，分别在水平方向上距离第一水分监测器和第二水分监测器约30cm处进行。需要注意的是，在作物种植之前进行标定试验，也就是说，采集土壤样品是在水分监测器的附近进行即可，不用考虑是更靠近未来作物的位置还是更远离未来作物的位置，可以简单认为同一深度的土壤样品的特性是相同的，误差可以忽略不计。

不同土壤结构灌溉水分引起的水分运动的方式不同。砂土颗粒大，土壤毛细管力作用较小，如图3所示，现有技术的灌溉方式在执行灌溉后，在重力作用影响下水分下渗的快，平行渗透面积较小，即水分沿着A区箭头方向运动，并且常常沿着C区箭头方向会出现返盐。同时布设于滴头正下方的传感器基于重力效应的单一检测，水分快速到达滴头正下方的传感器，并继续向下运动，待传感器检测到缺水，则提示灌水，并一次性达到灌水限定值时停止。这样的灌溉过程没有充分考虑作物根系形态营养分布区域与土壤水分的关系，垂直滴头下面的土壤传感器监测到此时已处于水饱和状态，但根圈范围内的其他部位的土壤水分均处于非饱和状态。因此，不利于作物次生根系的生长与发展。

本发明基于砂土颗粒大，土壤毛细管力作用较小的特点，通过布设在作物根系生长边缘的两个水分监测器来精确掌握水分在土壤中扩渗范围及饱和情况，并通过智能PID控制来实现水分营养在横向与纵向上的营养圈渗透范围，用于覆盖作物根系分布的有效区域，精准构建农业种植作物根系土壤营养圈，如图4所示以减少重力作用的A区的影响，使土壤中残留或流失的水量与肥料量接近于零，并且几乎没有产生返盐现象的C区，从而增加毛细管力驱动的水分运动的B区，以达到增加土壤水分平行渗透面积的目的。采用本发明的滴渗控制方法和系统，由于滴渗的时间点和持续时间控制得更加合理(例如，滴渗的频次更多而每次滴渗的时间更短)，带来了水分分布的变化这样的技术效果；需要注意，仅仅设置两个监测器不能直接达到这样的技术效果。此外，在图3和图4中，还示意性地示出了水受重力作用运动圈17、水受毛细管力运动圈18、水蒸发运动圈19。

滴渗控制系统

在一个实施例中，本发明的滴渗控制系统的布局如下：

滴渗控制器；

其中，如图1所示，滴渗控制器11可以采用常用的PID控制器；管道系统也采用现有技术中常用的管道，可以包括：主管道3，具有主管道控制阀2；与所述主管道3连通的多个支管道5，每个支管道5分别具有支管道控制阀4；以及设置于多个支管道5末端的多个滴口6，其中，所述滴渗控制器11通过主管道控制阀2和支管道控制阀4控制所述多个滴口6对土壤进行浇灌或停止浇灌。此外，在图1中，还示意性地示出了土壤13、作物14、作物根系15、作物根系分布范围16。

在一个优选实施例中，所述第一水分监测器7与地面的垂直距离d₁小于所述第二水分监测器8与地面的垂直距离d₂，所述滴渗控制器11基于所述第一水分监测器7的监测结果控制所述管道系统对土壤进行浇灌，并基于所述第二水分监测器8的监测结果控制所述管道系统对土壤停止浇灌。

所述滴渗控制器11中存储有根据当前作物预先确定的用于所述第一水分监测器7的滴渗开始控制值R₁和用于所述第二水分监测器8的滴渗停止控制值R₂，所述滴渗控制器11在所述第一水分监测器7的监测值r₁大于滴渗开始控制值R₁时控制所述管道系统对土壤开始进行浇灌，并在所述第二水分监测器8的监测值r₂小于滴渗停止控制值R₂时控制所述管道系统对土壤停止浇灌，其中越大的监测值对应于越小的土壤含水量。

图2为本发明中一个实施例的滴渗控制系统中水分监测器的布设图。第一水分监测器7和第二水分监测器8在水平方向上与作物根部的距离分别是D₁和D₂，图2示出了D₁和D₂相等，两个水分监测器处于同一垂直方向上布设的情况。第一水分监测器7距离地面的垂直距离为d₁，监测值r₁反映土壤水势横向扩渗情况，滴渗控制器11根据r₁来控制滴渗开始时间。第二水分监测器8距离地面的垂直距离为d₂，监测值r₂反映在保证横向扩渗基础上土壤水势在纵向上的扩渗情况，滴渗控制器11根据r₂来调整滴渗量及滴渗停止时间。尽管图2示出了D₁和D₂相等，但是这不作为对本申请技术方案的限制，D₁和D₂也可以不相等。在前期进行标定时，滴渗控制系统的设置人员也可以根据土壤特性和作物特性将D₁和D₂设置为不相等。

垂直距离d₁和d₂也可以根据作物特性来决定，具体参数选择如表1所示，在表1中假设D₁和D₂相等。其中，表1是根据作物的根系生长范围而确定的。滴管的布设以不影响作物生长为前提，水平方向距离种植作物D₆，其中滴管在垂直方向距离地面的距离为d，其中d＝0-20cm，即管道既可以置于地上(即，0cm)，也可以埋于地下(0cm＜d≤20cm)。通过以上布局的两个水分监测器及时反映水分在土壤中的扩渗范围及饱和情况，传输给滴渗控制器，进行滴渗控制。

表1不同作物根系对应的的监测器布设参数选择表

图1为一个实施例的滴渗控制系统的示意图。多个支管道5预埋或置于地上，每条支管道具有一个支管道控制阀4，每条支管道5与主管道3相连。主管道3具有主管道控制阀2，主管道3与系统首部1相连，系统首部1通过控制器信号传输线12与滴渗控制器11信号连通，滴渗控制器11通过两个水分监测器的信号传输线9、10分别与第一水分监测器7和第二水分监测器8信号连通。

系统首次开启，系统首部1控制主管道控制阀2开启，第一水分监测器7、第二水分监测器8对水分在土壤中的扩渗情况进行监测，并分别将监测值r₁、r₂传送到滴渗控制器11，滴渗控制器11运用PID执行滴渗控制，具体流程如下：

首先，第一水分监测器7、第二水分监测器8将各自的监测值r₁、r₂输入到滴渗控制器11中；

其次，滴渗控制器11对r₁、r₂进行判断：

第一水分监测器7的监测值r₁反映了水在土壤中的横向扩渗情况，当r₁＞R₁时，土壤水分的横向扩渗没有达到第一水分监测器7所处的根系边缘，或者没有满足作物根系边缘生长的需求，此时应向土壤中补充足够的水分，滴渗控制器11通过PID执行控制，将监测值r₁、滴速(例如，0.9L/h)与滴渗开始设定值R₁进行PID运算，将支管道控制阀4开启信号传递给系统首部1，系统首部1控制支管道控制阀4开启，滴水开始；

第二水分监测器8的监测值r₂反映了水在土壤中的纵向扩渗情况，当r₂＜R₂时，土壤水分扩渗在保证了横向满足作物根系生长需求的基础上，纵向扩渗到作物根系下边缘，此时土壤水分扩渗范围覆盖了根系生长有效区域，为保证水分高效合理利用，避免水资源浪费，应停止向土壤中滴水，滴渗控制器11通过PID执行控制，将监测值r₂、滴速(例如，0.9L/h)与滴渗停止设定值R₂进行PID运算，将支管道控制阀4关闭信号传递给系统首部1，系统首部1控制支管道控制阀4关闭，滴水停止。除此之外，当发现第二水分监测器8的监测值r₂异常时，例如，当发现未按照校正曲线二朝向一个方向规律变化时，有可能是滴渗控制系统有漏水，或者自然的地下水系对作物有浇灌作用，因此这时不一定需要补水。即，第二水分监测器8除了能够作为判断何时停止滴渗的条件之外，还能够用于判断系统是否漏水以及作物周围是否有其它地下水系对作物的浇灌，而这是现有技术中位于作物垂直线下方的单个监测器无法实现的技术效果。

优选实施例

接下来，具体以种植玉米作为一个优选实施例再次进行介绍：

首先，在种植玉米前，根据种植土壤对两个水分监测器7和8进行标定试验：

1.安装第一水分监测器7和第二水分监测器8，其中D₁＝D₂＝0.3m，d₁＝20cm，d₂＝40cm。

2.向地块灌水至不下渗为止，立即查看第一水分监测器7、第二水分监测器8的监测值均为0cb。

3.在灌水停止24小时后，读取第一水分监测器7、第二水分监测器8的监测值分别为10.2cb、9.8cb，按照重量法得到第一水分监测器7所在层土壤含水量w₁＝0.18，第二水分监测器8所在层土壤含水量w₁'＝0.22，本次种植玉米土壤的田间持水量w₁＝0.2。

4.在之后的每天中午和傍晚2次进行第一水分监测器7、第二水分监测器8的读数及土样采集、土壤含水量的计算，直到第一水分监测器7读数持续值1505cb三天不变则停止继续对第一水分监测器7进行读数，第二水分监测器8读数持续值1495cb三天不变则停止继续对第二水分监测器8进行读数；此时第一水分监测器7的监测值r₁对应的土壤含水量为w₂＝0.07，第二水分监测器8的监测值r₂对应的土壤含水量w₂'＝0.09，本次标定土壤的凋萎系数

5.分别根据第一水分监测器7、第二水分监测器8每次读数及土样采集计算得到的对应土壤含水量绘制第一水分监测器7的校正曲线一和第二水分监测器8的校正曲线二，分别如图5、图6所示。图5为根据第一水分监测器的监测值及其位置附近的土壤含水量绘制的校正曲线一，图6为根据第二水分监测器的监测值及其位置附近的土壤含水量绘制的校正曲线二。

6.根据公式得到计算值0.11，将其带入校正曲线一得到本次标定土壤的滴渗开始设定值R₁＝100cb。根据公式得到计算值0.086，将其带入校正曲线二得到本次标定土壤的滴渗停止设定值R₂＝1000cb。完成标定试验，将滴渗开始控制值R₁＝100cb、滴渗停止控制值R₂＝1000cb输入到滴渗控制器11。

其次，如图1所示，安装滴渗控制系统的各个部分，其中D₆＝20cm，即，支管道5的滴口6埋于地面以下20cm的位置。每条支管道5通过支管道控制阀4再与主管道3相连，主管道3通过主管道控制阀2再与系统首部1相连，系统首部1通过控制器信号传输线12与滴渗控制器11相连，滴渗控制器11通过信号传输线9和10分别与田间的第一水分监测器7、第一水分监测器8相连。第一水分监测器7、第二水分监测器8如图2所示安装，其中D₁＝D₂＝0.5m，d₁＝20cm，d₂＝40cm。

种植开始，系统启动，主管道控制阀2开启，水注入主管道3，第一水分监测器7、第二水分监测器8实时监测土壤中的水分情况，并将监测值r₁、r₂输入到滴渗控制器11中，滴渗控制器11对r₁、r₂进行判断：

如果r₁＞R₁，那么土壤水分横向扩渗没有达到设定要求，滴渗控制器11通过PID执行控制，将监测值r₁、滴速(0.9L/h)与滴渗开始设定值R₁进行PID运算，将支管道控制阀4开启信号传递给系统首部1，系统首部1控制支管道控制阀4开启，水由主管道3注入支管道5，滴水开始；

如果r₂＞R₂，则土壤水分纵向没有扩渗到根系分布下边缘，滴水继续，滴水过程中r₁、r₂逐渐减小；当r₂＜R₂时，土壤水分扩渗在保证了横向满足作物根系生长需求的基础上，纵向扩渗到作物根系下边缘，此时土壤水分扩渗范围覆盖了根系生长有效区域，为保证水分高效合理利用，避免水资源浪费，应停止继续向土壤中滴水，滴渗控制器11通过PID执行控制，将监测值r₂、滴速(0.9L/h)与滴渗停止设定值R₂进行PID运算，将支管道控制阀关闭信号传递给系统首部1，系统首部1控制支管道控制阀4关闭，滴水停止，由此完成一次滴渗控制过程。滴水停止后，水分继续扩渗，r₁、r₂逐渐增大，直到下一次出现r₁＞R₁时，支管道控制阀4在滴渗控制器11的控制下再次开启。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明实现了真正意义上的作物量体裁衣，从作物土壤根系活动范围与环境的角度考虑出发，设置两个水分监测器对土壤水分扩渗情况进行监控，使作物必需的水分营养的纵向与横向渗透范围控制均在作物根圈范围内，达到精准的控制。

2.本发明基于砂土颗粒大，毛细管力作用较小的这种特征，通过布设在作物根系生长边缘的两个水分监测器精确掌握水分在土壤中扩渗范围及饱和情况，使水分损失量尽可能降低，确保灌溉的有效性，避免过度灌溉造成的水分损失，达到了节水节肥的目的。

3.本发明充分考虑不同地区、不同气候对灌溉土壤水分运动的影响，在种植之前针对不同地块进行标定试验，根据各地标定块试验结果设定控制器参数，适用性更强、更广泛(而现有技术中尚未见到有针对不同土壤、不同气候所做的标定试验)。

4.本发明根系水分环境健康，根系生长不受环境条件限制，根系生长旺盛，次生根、根毛发达。如图7、图8所示，图7和图8为根据本发明的具体实施例进行滴渗所长成的作物根部的照片。根系是作物吸收养分的主要途径，发达的根系更有利于作物对营养物质的吸收，干物质积累增加，产量增加，果实品质提高。

在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进和变形，都落在本发明的保护范围内，本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好地解释本发明的目的，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种滴渗控制方法，包括如下步骤：

在土壤下方的第一垂直距离d1和第二垂直距离d2处分别安装第一水分监测器和第二水分监测器，其中，d1<d2，并且所述第一水分监测器和所述第二水分监测器在水平方向上与作物根部的距离分别是D1和D2，其中，D1与D2相等或不等；以及基于所述第一水分监测器的监测结果控制管道系统对土壤进行浇灌，并基于所述第二水分监测器的监测结果控制所述管道系统对土壤停止浇灌；

根据当前作物预先确定用于所述第一水分监测器的滴渗开始控制值R1和用于所述第二水分监测器的滴渗停止控制值R2；

在所述第一水分监测器的监测值r1大于滴渗开始控制值R1时控制所述管道系统对土壤开始进行浇灌；以及

在所述第二水分监测器的监测值r2小于滴渗停止控制值R2时控制所述管道系统对土壤停止浇灌，

其中，越大的监测值对应于越小的土壤含水量；

其中，所述滴渗开始控制值R1和所述滴渗停止控制值R2通过如下步骤确定：

SS1，向地面浇灌水分至水分不再下渗，记录第一水分监测器和第二水分监测器各自的监测值r1和r2；

SS2，停止浇灌一段时间后，读取第一水分监测器的监测值r1及第二水分监测器的监测值r2，同时分别采集第一水分监测器和第二水分监测器所在土层的土壤样品，得到第一水分监测器所在土层的第一土壤含水量w1及第二水分监测器所在土层的第二土壤含水量w1'，计算田间持水量

SS3，定期读取第一水分监测器的监测值r1及第二水分监测器的监测值r2，同时分别采集第一水分监测器和第二水分监测器所在土层的土壤样品，进行土壤含水量计算，当监测值r1和监测值r2连续一段时间不再变化时，计算凋萎系数其中，w2是此时第一水分监测器所在土层的第一土壤含水量，w2'是此时第二水分监测器所在土层的第二土壤含水量，

SS4，分别根据定期读取的监测值r1和监测值r2、及采集的土壤样品计算得到的土壤含水量，绘制第一水分监测器对应的校正曲线一和第二水分监测器对应的校正曲线二；

SS5，在校正曲线一上选择滴渗开始控制值R1，在校正曲线二上选择滴渗停止控制值R2。

2.根据权利要求1所述的滴渗控制方法，其中，

根据公式将结果带入校正曲线一得到滴渗开始控制值R1；

根据公式将结果带入校正曲线二得到滴渗停止控制值R2。

3.根据权利要求1所述的滴渗控制方法，其中，在步骤SS2中采集土壤样品时，分别在水平方向上距离第一水分监测器和第二水分监测器约30cm处进行。

4.一种滴渗控制系统，包括：

滴渗控制器，所述滴渗控制器通过权利要求1所述的滴渗控制方法进行滴渗控制；

其中，所述第一水分监测器和所述第二水分监测器在水平方向上与作物根部的距离分别是D1和D2，其中，D1与D2相等或不等；

5.根据权利要求4所述的滴渗控制系统，其中，所述第一水分监测器与地面的垂直距离d1小于所述第二水分监测器与地面的垂直距离d2，

6.根据权利要求4所述的滴渗控制系统，其中，所述管道系统包括：

主管道，具有主管道控制阀；

设置于多个支管道末端的多个滴口，

7.根据权利要求6所述的滴渗控制系统，其中，所述多个滴口既可以位于地面，也可以位于地下大于0小于等于20厘米的范围内。

8.根据权利要求4所述的滴渗控制系统，其中，所述滴渗控制器中存储有根据当前作物预先确定的用于所述第一水分监测器的滴渗开始控制值R1和用于所述第二水分监测器的滴渗停止控制值R2，所述滴渗控制器在所述第一水分监测器的监测值r1大于滴渗开始控制值R1时控制所述管道系统对土壤开始进行浇灌，并在所述第二水分监测器的监测值r2小于滴渗停止控制值R2时控制所述管道系统对土壤停止浇灌，其中越大的监测值对应于越小的土壤含水量。