CN106359005B - 一种间作农田的自动灌溉装置及自动灌溉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种间作农田的自动灌溉装置及自动灌溉方法，通过在间作种植农田中设置数据采集模块、控制模块、与供水系统连通的灌溉装置、以及用于控制灌溉装置启闭的灌溉执行装置，考虑土壤物理特性、作物需水量、土壤水动力学以及作物根系生长等基本理论与模型，基于土壤水平衡方法和贝叶斯分析实现缺水后自动灌溉，确定灌溉量范围，并使滴灌湿润体与两种作物根系分布相匹配，最终实现高效用水。
Description
技术领域
本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种间作农田的自动灌溉装置及自动灌溉方法。
背景技术
间作种植是指在同一块土地上种植两种或两种以上作物，是作物在时间和空间上的集约化，据统计其增产贡献率占应用的各种农业技术中的27％左右。与单作相比，间作种植农田辐射利用效率、土地利用效率以及土地当量比都有明显的提高，所以间作种植在我国农业生产中具有重要的地位，其种植面积超过总种植面积的1/3，并提供50％以上的粮食，特别对于北方干旱单熟制地区，更是肩负起了粮食增产和农民增收的双重重任。而对于瓜果类蔬菜作物，比如番茄，通过玉米番茄间作种植不仅能增加产量、提高经济效益，同时能明显降低番茄病虫害，是解决番茄多年连作病虫害问题的有效手段。但目前间作种植农田仍以传统地面灌溉为主，作物间用水不协调，水分高耗低效等问题相当严重，特别对于盐渍化地区水盐过程、水肥过程更加复杂。
由于间作种植农田作物生长期的叠加以及条带种植的边行效应等，使得间作种植作物的蒸腾蒸发耗水量大于其相应作物单作种植耗水量的累加值。同时单位面积上作物生长期的延长，复种指数的提高，使得间作种植在增加单位面积产量与产值的同时，用水总量也在增加，同时传统地面灌溉难以解决间作种植农田不同作物用水在时间和空间上的差异，导致农田水分利用效率低下。可见，随着水资源短缺的日益严重，实现间作种植与先进节水灌溉技术的协调，提高间作种植条件下用水效率并优化灌溉制度是未来间作种植可持续发展的重点，对于缓解或解决水资源短缺问题具有重要意义。由于膜下滴灌具有节水保墒、调节地温、增产、抑制杂草及病虫害发生等良好效应的高效节水灌溉技术，近年来在我国干旱地区推广普及速度非常快，将具有良好节水效应的膜下滴灌技术与显著增产效应的间作种植方式相结合必将实现明显节水与增产的双重效应，能彻底解决间作种植中不同作物需水不同步的灌溉难题，从而明显提高作物水肥利用效率、产量以及土地利用效率。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是解决盐渍化地区间作种植作物灌溉不同步，当其中一种作物在需水旺期，而另一种作物不是需水旺期时，采用同一灌水定额，导致不需水作物灌溉水浪费，致使农田用水效率低下。
本发明提供的间作农田的自动灌溉装置，包括分布于农田内的数据采集模块、控制模块、与供水系统连通的灌溉装置、以及用于控制灌溉装置启闭的灌溉执行装置，所述控制模块包括作物信息管理模块、土壤信息管理模块、模数转换器、数据管理模块、数据运算模块、数据输出模块和数模转换器；数据采集模块、模数转换器、数据管理模块、数据运算模块、数据输出模块和数模转换器依次电性连接，作物信息管理模块和土壤信息管理模块分别与数据管理模块电性连接；
所述作物信息管理模块内储存有包含第一作物不同生育期的作物系数和作物根深数据，以及第二作物的不同生育期的作物系数和作物根深数据；
所述土壤信息管理模块内储存有土壤物理性质数据，所述土壤物理性质包括农田土壤的不同深度的土壤容重；
所述数据采集模块用于采集农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据及第二作物的占地面积数据，所述农田气象数据包括降雨量、当前平均温度、平均湿度、植被表面净辐射量和风速；
所述模数转换器用于将农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、以及第二作物的占地面积数据的模拟信号转换为数字信号；
所述数据管理模块用于接收间作农田气象数据，农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、以及第二作物的占地面积数据的数字信号，并调取作物信息管理模块内储存的第一作物和第二作物分别的作物系数和作物根深数据，以及土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，并将这些数据发送至数据运算模块；
所述数据运算模块根据作物信息数据库内储存的第一作物的作物系数和作物根深数据、第二作物的作物系数和作物根深数据、土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，以及采集的农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、第二作物的占地面积数据，进行实际需要的灌溉量的计算；
所述数据输出模块用于将数据运算模块计算得到的实际需要的灌溉量的数字信号输送至数模转换器，并由数模转换器转换为模拟信号，发送至灌溉执行装置，灌溉执行装置发出灌溉指令，控制灌溉装置进行灌溉。
优选地，所述控制模块还包括决策模块和权限模块，所述决策模块对数据运算模块运算得到的实际需要的灌溉量进行决策判断，确认为当次最优灌溉量；所述权限模块用于将当次最优灌溉量确定为灌溉量。
更优选地，所述数据运算模块根据作物信息数据库内储存的第一作物的作物系数和作物根深数据、第二作物的作物系数和作物根深数据、土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，以及采集的农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、第二作物的占地面积数据，进行实际需要的灌溉量的计算；
得到实际需要的灌溉量之后，还采用贝叶斯分析模型和土壤水平衡公式进行耦合，利用Gibbs抽样分析，得到95％灌溉量的置信区间，确定阶段灌溉量的平均值、最大值和最小值；
所述决策模块对数据运算模块运算得到的灌溉量的置信区间进行决策判断，得到当次最优灌溉量。
优选地，所述第一作物为高杆作物，所述第二作物为低杆作物。
更优选地，所述数据采集模块包括第一水分传感器、第二水分传感器和气象传感器；所述第一水分传感器用于采集第一作物的根区土壤含水率数据，第二水分传感器用于采集第二作物的根区土壤含水率数据，所述气象传感器用于采集农田气象数据。
更优选地，所述数据运算模块对接收到的数据进行运算，具体步骤如下：
通过农田气象数据采用Penman-Monteith公式估算参考作物需水量ET0，公式如式(1)-(3)所示：
式中，ET0——参考作物需水量(mm/d)；
△——饱和水汽压-温度关系曲线的斜率，kpa/℃；
Da——饱和水汽压差，Kpa；
γ——湿度表常数，kpa/℃，0.066/Kpa℃-1；
Rn——植被表面净辐射量，MJ/m2d；
G——土壤热通量，MJ/m2d，忽略；
T——平均温度，℃；
RH——平均湿度，％；
u2——在地面以上2米高处的风速；
根据第一作物的作物系数和占地面积、第二作物的作物系数和占地面积，以及参考作物需水量ET0，计算农田实际需水量ETC计算公式如下式(4)-(6)所示，
ETC1＝KC1×ET0 (4)
ETC2＝KC2×ET0 (5)
ETC＝f1×ETC1+f2×ETC2 (6)
式(1)-(3)中，KC1为第一作物的作物系数，KC2为第二作物的作物系数，f1为第一作物的占地面积，f2为第二作物的占地面积，ETC1为第一作物的实际需水量，ETC2为第二作物的实际需水量；
计算土壤储水量变化△W，具体计算公式为：
△W＝Wi-Wi-1＝γ1×h1×(θ1i-θ1i-1)+γ2×h2×(θ2i-θ2i-1) (7)
其中：i指阶段末；i-1指阶段初；Wi指的是阶段末土壤储水量；Wi-1指的是阶段初土壤储水量；阶段范围1-3天；θ1i、θ2i为第一、第二作物阶段末的土壤含水率；θ1i-1、θ2i-1为第一、第二作物阶段初的土壤含水率；γ1、γ2为第一、第二作物根区平均土壤容重；h1、h2为第一、二作物的最大根深；
根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量，具体计算公式为：
I＝ETC–P+△W (8)
其中：I为需要的灌溉量，P为气象站测量的降雨量。
更优选地，所述土壤物理性质还包括田间持水量；
所述决策模块对数据运算模块运算得到的灌溉量的置信区间代入土壤水平衡方程进行反向计算，得到第一作物根区的土壤含水率和第二作物根区的土壤含水率，取根区土壤含水率占80-90％的田间持水量的灌溉量为最优灌溉量。
本发明还提供间作农田的自动灌溉方法，具体包括如下步骤：
(1)数据库的建立
收集主要间套种作物在不同生育期的作物系数和作物根深，建立包含第一作物不同生育期的作物系数和作物根深数据，以及第二作物的不同生育期的作物系数和作物根深数据的作物信息数据库；
对农田土壤的不同深度的土壤容重、田间持水量进行测量，建立包含有土壤容重和田间持水量的土壤信息数据库；
(2)数据采集
在种植有第一作物和第二作物的间作农田上，分别采集第一作物的根区土壤含水率的模拟信号，和第二作物的根区土壤含水率的模拟信号，并采集农田气象数据的模拟信号，所述农田气象数据包括降雨量、当前平均温度、平均湿度、植被表面净辐射量和风速；
(3)将农田气象数据的模拟信号、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率的模拟信号和第二作物的根区土壤含水率的模拟信号进行模数转换，分别转换为农田气象数据的数字信号、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率的数字信号和第二作物的根区土壤含水率的数字信号；
(4)根据作物信息数据库内储存的第一作物和第二作物的作物系数和作物根深数据，土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，以及采集的农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率、第二作物的根区土壤含水率，进行灌溉量的计算；
4.1参考作物需水量ET0的计算
通过气象传感器获取的空气平均温度、空气平均湿度、风速数据采用Penman-Monteith公式估算参考作物需水量ET0，公式如式(1)-(3)所示：
式中，
式中，ET0——参考作物需水量(mm/d)；
△——饱和水汽压-温度关系曲线的斜率，kpa/℃；
Da——饱和水汽压差，Kpa；
γ——湿度表常数，kpa/℃，0.066/Kpa℃-1；
Rn——植被表面净辐射量，MJ/m2d；
G——土壤热通量，MJ/m2d，忽略；
T——平均温度，℃；
RH——平均湿度，％；
u2——在地面以上2米高处的风速；
4.2农田实际需水量ETc的计算
根据第一作物的作物系数和占地面积、第二作物的作物系数和占地面积，以及参考作物需水量ET0，计算农田实际需水量ETC计算公式如下式(4)-(6)所示，
ETC1＝KC1×ET0 (4)
ETC2＝KC2×ET0 (5)
ETC＝f1×ETC1+f2×ETC2 (6)
式(1)-(3)中，KC1为第一作物的作物系数，KC2为第二作物的作物系数，f1为第一作物的占地面积，f2为第二作物的占地面积，ETC1为第一作物的实际需水量，ETC2为第二作物的实际需水量；
4.3土壤储水量变化的计算
计算土壤储水量变化△W，具体计算公式如下式(7)所示：
△W＝Wi-Wi-1＝γ1×h1×(θ1i-θ1i-1)+γ2×h2×(θ2i-θ2i-1) (7)
其中：i指阶段末；i-1指阶段初；Wi指的是阶段末土壤储水量；Wi-1指的是阶段初土壤储水量；阶段范围1-3天；θ1i、θ2i为第一、第二作物阶段末的土壤含水率；θ1i-1、θ2i-1为第一、第二作物阶段初的土壤含水率；γ1、γ2为第一、第二作物根区平均土壤容重；h1、h2为第一、二作物的最大根深；
4.4灌溉量的计算
根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量，具体计算公式如下式(8)所示：
I＝ETC–P+△W (8)
其中：I为需要的灌溉量，P为气象站测量的降雨量；
(5)以实际需要的灌溉量为基础决策进行灌溉。
优选地，根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量后，还包括以下步骤：
对农田的田间持水量进行测量，建立包含有土壤容重和田间持水量的土壤信息数据库；
根据得到的实际需要的灌溉量，采用将贝叶斯分析模型和土壤水平衡公式进行耦合，利用Gibbs抽样分析，得到95％灌溉量的置信区间；确定阶段灌溉量的平均值、最大值和最小值；
将得到的灌溉量的置信区间代入土壤水平衡方程进行反向计算，得到第一作物根区的土壤含水率和第二作物根区的土壤含水率，取根区土壤含水率占80-90％的田间持水量的灌溉量为最优灌溉量，以最优灌溉量作为基础决策进行灌溉。
本发明通过在间作种植农田中设置数据采集模块、控制模块、与供水系统连通的灌溉装置、以及用于控制灌溉装置启闭的灌溉执行装置，考虑土壤物理特性、作物需水量、土壤水动力学以及作物根系生长等基本理论与模型，基于土壤水平衡方法和贝叶斯分析实现缺水后自动灌溉，确定灌溉水量范围，并使滴灌湿润体与两种作物根系分布相匹配，最终实现高效用水。
附图说明
图1为本发明实施例提供的间作农田的自动灌溉的流程示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种间作农田的自动灌溉装置，其灌溉流程图如图1所示，包括分布于农田内的数据采集模块、控制模块、与供水系统连通的灌溉装置、以及用于控制灌溉装置启闭的灌溉执行装置，所述控制模块包括作物信息管理模块、土壤信息管理模块、模数转换器、数据管理模块、数据运算模块、数据输出模块和数模转换器；数据采集模块、模数转换器、数据管理模块、数据运算模块、数据输出模块和数模转换器依次电性连接，作物信息管理模块和土壤信息管理模块分别与数据管理模块电性连接；
所述作物信息管理模块内储存有包含第一作物不同生育期的作物系数和作物根深数据，以及第二作物的不同生育期的作物系数和作物根深数据；
所述土壤信息管理模块内储存有土壤物理性质数据，所述土壤物理性质包括农田土壤的不同深度的土壤容重；
所述数据采集模块用于采集农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据及第二作物的占地面积数据，所述农田气象数据包括降雨量、当前平均温度、平均湿度、植被表面净辐射量和风速；
所述模数转换器用于将农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、以及第二作物的占地面积数据的模拟信号转换为数字信号；
所述数据管理模块用于接收间作农田气象数据，农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、以及第二作物的占地面积数据的数字信号，并调取作物信息管理模块内储存的第一作物和第二作物分别的作物系数和作物根深数据，以及土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，并将这些数据发送至数据运算模块；
所述数据运算模块根据作物信息数据库内储存的第一作物的作物系数和作物根深数据、第二作物的作物系数和作物根深数据、土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，以及采集的农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、第二作物的占地面积数据，进行实际需要的灌溉量的计算；
所述数据输出模块用于将数据运算模块计算得到的实际需要的灌溉量的数字信号输送至数模转换器，并由数模转换器转换为模拟信号，发送至灌溉执行装置，灌溉执行装置发出灌溉指令，控制灌溉装置进行灌溉。
优选地，所述控制模块还包括决策模块和权限模块，所述决策模块对数据运算模块运算得到的实际需要的灌溉量进行决策判断，确认为当次最优灌溉量；所述权限模块用于将当次最优灌溉量确定为灌溉量。
需要说明的是，上述第一作物为高杆作物，所述第二作物为低杆作物，这样的间作作物设置，利用形成的作物复合群体增加对太阳能的截取与吸收，同时利用宽窄行间作或带状间作中的高杆作物有一定的边行优势提高作物产量。一般可选择玉米和瓜果蔬菜类，如番茄和玉米。这样的间作种植，不仅能增加番茄和玉米的产量、提高经济效益，同时能明显降低番茄病虫害，是解决番茄多年连作病虫害问题的有效手段。
上述与供水系统连通的灌溉装置为滴灌带，第一作物和第二作物间作种植时，完成整地后，在播种前进行覆膜并进行铺设滴灌带。
优选地，上述数据采集模块包括第一水分传感器、第二水分传感器和气象传感器；
第一水分传感器用于采集第一作物的根区土壤含水率数据，第二水分传感器用于采集第二作物的根区土壤含水率数据，气象传感器用于采集农田气象数据，这些农田气象数据包括当前降雨量、平均温度、平均湿度、植被表面净辐射量和风速。上述第一水分传感器、第二水分传感器分布于农田内的土壤中，而气象传感器位于农田外界环境中。
所述数据运算模块对接收到的数据进行运算得到实际需要的灌溉量，具体步骤如下：
通过测量的农田气象数据，第一作物的根区土壤含水率数据和第二作物的根区土壤含水率数据，作物信息管理模块内储存的第一作物不同生育期的作物系数和作物根深数据、第二作物的不同生育期的作物系数和作物根深数据，以及土壤信息管理模块内储存的土壤容重，通过Penman-Monteith公式估算参考作物需水量ET0，公式如式(1)-(3)所示；
式中，ET0——参考作物需水量(mm/d)；
△——饱和水汽压-温度关系曲线的斜率，kpa/℃；
Da——饱和水汽压差，Kpa；
γ——湿度表常数，kpa/℃，0.066/Kpa℃-1；
Rn——植被表面净辐射量，MJ/m2d；
G——土壤热通量，MJ/m2d，忽略；
T——平均温度，℃；
RH——平均湿度，％；
u2——在地面以上2米高处的风速；
根据第一作物的作物系数和占地面积、第二作物的作物系数和占地面积，以及所述参考作物需水量ET0，计算农田实际需水量ETC，计算公式如下式(4)-(6)所示，
ETC1＝KC1×ET0 (4)
ETC2＝KC2×ET0 (5)
ETC＝f1×ETC1+f2×ETC2 (6)
式(1)-(3)中，KC1为第一作物的作物系数，KC2为第二作物的作物系数，f1为第一作物的占地面积，f2为第二作物的占地面积，ETC1为第一作物的实际需水量，ETC2为第二作物的实际需水量；
再根据间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率的数据、第二作物的根区土壤含水率的数据，信息管理模块内储存的第一作物和第二作物的作物系数、第一作物和第二作物的最大根深数据、平均土壤容重，计算土壤储水量变化，具体计算公式如下式(7)所示，
△W＝Wi-Wi-1＝γ1×h1×(θ1i-θ1i-1)+γ2×h2×(θ2i-θ2i-1) (7)
其中：i指阶段末；i-1指阶段初；Wi指的是阶段末土壤储水量；Wi-1指的是阶段初土壤储水量；阶段范围1-3天；θ1i、θ2i为第一、第二作物阶段末的土壤含水率；θ1i-1、θ2i-1为第一、第二作物阶段初的土壤含水率；γ1、γ2为第一、第二作物根区平均土壤容重；h1、h2为第一、二作物的最大根深；
再根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量，具体计算公式为：
I＝ETC–P+△W (8)
其中：I为实际需要的灌溉量，P为气象站测量的降雨量。
为了进一步优化最终灌溉量，根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量后，还包括以下步骤：
根据得到的实际需要的灌溉量，采用贝叶斯分析模型和土壤水平衡公式进行耦合，利用Gibbs抽样分析，得到95％灌溉量的置信区间，确定阶段灌溉量的平均值、最大值和最小值；
所述决策模块对数据运算模块运算得到的灌溉量的置信区间进行决策判断，具体的，所述决策模块对数据运算模块运算得到的灌溉量的置信区间代入土壤水平衡方程进行反向计算，得到第一作物根区的土壤含水率和第二作物根区的土壤含水率，取根区土壤含水率占80-90％的田间持水量的灌溉量为最优灌溉量，从而得到第一作物灌溉水量和第二作物灌溉水量，得到当次最优灌溉量。
以最优灌溉量为基础决策进行灌溉。需要说明的是，附图1中的权限模块中的指令参数可手动进行有权修改，这个主要是操作者根据未来的天气状况所做的调整，如天气预报即将有大量降水时，可手动调整灌溉量，将其重新发送至决策模块。
需要说明的是：根据得到的实际需要的灌溉量，采用贝叶斯分析模型和土壤水平衡公式进行耦合，利用Gibbs抽样分析，得到95％灌溉量的置信区间，的具体方法参考现有文献：土壤中不同残膜量对滴灌入渗的影响及不确定性分析，农业工程学报，第29卷第8期。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种间作农田的自动灌溉方法，具体步骤如下，
实施例1
一种间作农田的自动灌溉方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
(1)数据库的建立
收集主要间套种作物在不同生育期的作物系数和作物根深，建立包含第一作物不同生育期的作物系数和作物根深数据，以及第二作物的不同生育期的作物系数和作物根深数据的作物信息数据库；
对农田土壤的不同深度的土壤容重进行测量，建立包含有土壤容重的土壤信息数据库；
(2)数据采集
在种植有第一作物和第二作物的间作农田上，分别采集第一作物的根区土壤含水率数据，第二作物的根区土壤含水率数据，第一作物的占地面积数据、第二作物的占地面积数据，并采集农田气象数据，所述农田气象数据包括降雨量、当前平均温度、平均湿度、植被表面净辐射量和风速；
(3)将农田气象数据，间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率的模拟信号数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据，第一作物的占地面积数据、以及第二作物的占地面积数据，进行模数转换，分别转换为农田气象数据的数字信号、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率的数字信号、第二作物的根区土壤含水率的数字信号、第一作物的占地面积数据的数字信号、以及第二作物的占地面积的数字信号；
(4)根据作物信息数据库内储存的第一作物和第二作物的作物系数和作物根深数据，土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，以及采集的农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率、第二作物的根区土壤含水率、第一作物的占地面积、以及第二作物的占地面积，进行灌溉量的计算；
4.1参考作物需水量ET0的计算
通过农田气象数据采用Penman-Monteith公式估算参考作物需水量ET0，公式如式(1)-(3)所示：
式中，
式中，ET0——参考作物需水量(mm/d)；
△——饱和水汽压-温度关系曲线的斜率，kpa/℃；
Da——饱和水汽压差，Kpa；
γ——湿度表常数，kpa/℃，0.066/Kpa℃-1；
Rn——植被表面净辐射量，MJ/m2d；
G——土壤热通量，MJ/m2d，忽略；
T——平均温度，℃；
RH——平均湿度，％；
u2——在地面以上2米高处的风速；
4.2农田实际需水量ETc的计算
根据第一作物的作物系数和占地面积、第二作物的作物系数和占地面积，以及参考作物需水量ET0，计算农田实际需水量ETC计算公式如下式(4)-(6)所示，
ETC1＝KC1×ET0 (4)
ETC2＝KC2×ET0 (5)
ETC＝f1×ETC1+f2×ETC2 (6)
式(1)-(3)中，KC1为第一作物的作物系数，KC2为第二作物的作物系数，f1为第一作物的占地面积，f2为第二作物的占地面积，ETC1为第一作物的实际需水量，ETC2为第二作物的实际需水量；
4.3土壤储水量变化的计算
计算土壤储水量变化△W，具体计算公式如下式(7)所示：
△W＝Wi-Wi-1＝γ1×h1×(θ1i-θ1i-1)+γ2×h2×(θ2i-θ2i-1) (7)
其中：i指阶段末；i-1指阶段初；Wi指的是阶段末土壤储水量；Wi-1指的是阶段初土壤储水量；阶段范围1-3天；θ1i、θ2i为第一、第二作物阶段末的土壤含水率；θ1i-1、θ2i-1为第一、第二作物阶段初的土壤含水率；γ1、γ2为第一、第二作物根区平均土壤容重；h1、h2为第一、二作物的最大根深；
4.4灌溉量的计算
根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量，具体计算公式如下式(8)所示：
I＝ETC–P+△W (8)
其中：I为需要的灌溉量，P为气象站测量的降雨量；
(5)以实际需要的灌溉量为基础决策进行灌溉。
实施例2
具体方法和实施例1相同，不同之处仅在于，根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量后，还包括以下步骤：
根据得到的实际需要的灌溉量，采用将贝叶斯分析模型和土壤水平衡公式进行耦合，利用Gibbs抽样分析，得到95％灌溉量的置信区间；确定阶段灌溉量的平均值、最大值和最小值；
将得到的灌溉量的置信区间代入土壤水平衡方程进行反向计算，得到第一作物根区的土壤含水率和第二作物根区的土壤含水率，取根区土壤含水率占80-90％的田间持水量的灌溉量为最优灌溉量，以最优灌溉量作为基础决策进行灌溉。
基于相同的发明构思，本发明提供的自动灌溉装置的具体应用实施例如下，
实施例3
(1)选择种植作物
在间作农田上，种植第一作物和第二作物，其中，第一作物为高杆植物，具体为玉米，第二作物为低杆植物，如瓜果蔬菜，具体为番茄，其利用形成的作物复合群体增加对太阳能的截取与吸收，同时利用宽窄行间作或带状间作中的高杆作物有一定的边行优势提高作物产量。本实施例中第一作物以玉米(中地77)为例，第二作物以番茄(屯河48)为例。
(2)种植及播前灌水
按照高杆作物为窄行，矮杆作物为宽行的原则进行种植，如2行玉米4行番茄的种植模式。当番茄移苗后，为了保苗进行大水漫灌1次，灌水量为50m3/亩。
(3)覆膜及自动灌溉装置的铺设
播种前，在整好的田地上，进行覆膜并在膜下铺设与供水系统连通的灌溉装置，具体为滴灌带，并在农田内设置数据采集模块、控制模块、以及用于控制灌溉装置启闭的灌溉执行装置。
其中，上述数据采集模块包括设置在第一作物土壤中的第一水盐传感器，第二作物土壤中的第二水盐传感器，以及气象传感器，第一水分传感器用于测量第一作物根区土壤水分，第二水分传感器用于测量第二作物根区土壤水分，气象传感器用于测量气象实时数据，采集的数据中，还包括第一作物的占地面积，第二作物的占地面积。
上述控制模块包括作物信息管理模块、土壤信息管理模块、模数转换器、数据管理模块、数据运算模块、决策模块、权限模块、数据输出模块和数模转换器；数据采集模块、模数转换器、数据管理模块、数据运算模块、决策模块、权限模块、数据输出模块和数模转换器依次电性连接，作物信息管理模块和土壤信息管理模块分别与数据管理模块电性连接；
其中，上述作物信息管理模块内存储的数据主要是以FAO irrigation anddrainage paper 56编著的《Crop evapotranspiration:guidelines for computing cropwater requirements》为基础进行收集的。
(4)灌水
按照作物生长特性，对第一作物和第二作物分别为玉米和番茄，第一水分传感器布置于用于种植第一作物的农田土壤中，具体布置在土壤20-30cm深度处，第二水分传感器布置于用于种植第二作物的农田土壤中，具体布置在土壤20-30cm深度处，通过实施例2提供的方法自动测量并利用土壤水平衡方法计算灌溉量，通过电磁阀精准控制滴灌量对间作作物进行灌溉。
以玉米番茄间作的普通滴灌(未采用自动技术)作为对比，其产量与水分利用效率比较数据如下表1所示：
表1不同灌溉下产量与水分利用效率比较
由表1可以看出，间作自动滴灌条件下玉米比普通滴灌条件下玉米产量增加了近12.8％，水分利用效率增加了12.8％，番茄产量增加了10.78％。，并提高了水分利用效率。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种间作农田的自动灌溉装置，其特征在于：包括分布于农田内的数据采集模块、控制模块、与供水系统连通的灌溉装置、以及用于控制灌溉装置启闭的灌溉执行装置，所述控制模块包括作物信息管理模块、土壤信息管理模块、模数转换器、数据管理模块、数据运算模块、数据输出模块和数模转换器；数据采集模块、模数转换器、数据管理模块、数据运算模块、数据输出模块和数模转换器依次电性连接，作物信息管理模块和土壤信息管理模块分别与数据管理模块电性连接；
所述作物信息管理模块内储存有包含第一作物不同生育期的作物系数和作物根深数据，以及第二作物的不同生育期的作物系数和作物根深数据；
所述土壤信息管理模块内储存有土壤物理性质数据，所述土壤物理性质包括农田土壤的不同深度的土壤容重；
所述数据采集模块用于采集农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据及第二作物的占地面积数据，所述农田气象数据包括降雨量、当前平均温度、平均湿度、植被表面净辐射量和风速；
所述模数转换器用于将农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、以及第二作物的占地面积数据的模拟信号转换为数字信号；
所述数据管理模块用于接收间作农田气象数据，农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、以及第二作物的占地面积数据的数字信号，并调取作物信息管理模块内储存的第一作物和第二作物分别的作物系数和作物根深数据，以及土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，并将这些数据发送至数据运算模块；
所述数据运算模块根据作物信息数据库内储存的第一作物的作物系数和作物根深数据、第二作物的作物系数和作物根深数据、土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，以及采集的农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、第二作物的占地面积数据，进行实际需要的灌溉量的计算；
所述数据输出模块用于将数据运算模块计算得到的实际需要的灌溉量的数字信号输送至数模转换器，并由数模转换器转换为模拟信号，发送至灌溉执行装置，灌溉执行装置发出灌溉指令，控制灌溉装置进行灌溉。
2.根据权利要求1所述的间作农田的自动灌溉装置，其特征在于，所述控制模块还包括决策模块和权限模块，
所述决策模块对数据运算模块运算得到的实际需要的灌溉量进行决策判断，确认为当次最优灌溉量；所述权限模块用于将当次最优灌溉量确定为灌溉量。
3.根据权利要求2所述的间作农田的自动灌溉装置，其特征在于，
所述数据运算模块根据作物信息数据库内储存的第一作物的作物系数和作物根深数据、第二作物的作物系数和作物根深数据、土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，以及采集的农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的占地面积数据、第二作物的占地面积数据，进行实际需要的灌溉量的计算；
得到实际需要的灌溉量之后，还采用贝叶斯分析模型和土壤水平衡公式进行耦合，利用Gibbs抽样分析，得到95％灌溉量的置信区间，确定阶段灌溉量的平均值、最大值和最小值；
所述决策模块对数据运算模块运算得到的灌溉量的置信区间进行决策判断，得到当次最优灌溉量。
4.根据权利要求1或2所述的间作农田的自动灌溉装置，其特征在于，所述第一作物为高杆作物，所述第二作物为低杆作物。
5.根据权利要求1或2所述的间作农田的自动灌溉装置，其特征在于，所述数据采集模块包括第一水分传感器、第二水分传感器和气象传感器；
所述第一水分传感器用于采集第一作物的根区土壤含水率数据，第二水分传感器用于采集第二作物的根区土壤含水率数据，所述气象传感器用于采集农田气象数据。
6.根据权利要求1所述的间作农田的自动灌溉装置，其特征在于，
所述数据运算模块对接收到的数据进行运算，具体步骤如下：
通过农田气象数据采用Penman-Monteith公式估算参考作物需水量ET0，公式如式(1)-(3)所示：
式中，ET0——参考作物需水量(mm/d)；
△——饱和水汽压-温度关系曲线的斜率，kpa/℃；
Da——饱和水汽压差，Kpa；
γ——湿度表常数，kpa/℃，0.066/Kpa℃-1；
Rn——植被表面净辐射量，MJ/m2d；
G——土壤热通量，MJ/m2d，忽略；
T——平均温度，℃；
RH——平均湿度，％；
u2——在地面以上2米高处的风速；
根据第一作物的作物系数和占地面积、第二作物的作物系数和占地面积，以及参考作物需水量ET0，计算农田实际需水量ETC计算公式如下式(4)-(6)所示，
ETC1＝KC1×ET0 (4)
ETC2＝KC2×ET0 (5)
ETC＝f1×ETC1+f2×ETC2 (6)
式(1)-(3)中，KC1为第一作物的作物系数，KC2为第二作物的作物系数，f1为第一作物的占地面积，f2为第二作物的占地面积，ETC1为第一作物的实际需水量，ETC2为第二作物的实际需水量；
计算土壤储水量变化△W，具体计算公式如下式(7)所示：
△W＝Wi-Wi-1＝γ1×h1×(θ1i-θ1i-1)+γ2×h2×(θ2i-θ2i-1) (7)
其中：i指阶段末；i-1指阶段初；Wi指的是阶段末土壤储水量；Wi-1指的是阶段初土壤储水量；阶段范围1-3天；θ1i、θ2i为第一、第二作物阶段末的土壤含水率；θ1i-1、θ2i-1为第一、第二作物阶段初的土壤含水率；γ1、γ2为第一、第二作物根区平均土壤容重；h1、h2为第一、二作物的最大根深；
根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量，具体计算公式如下式(8)所示：
I＝ETC–P+△W (8)
其中：I为实际需要的灌溉量，P为气象站测量的降雨量。
7.根据权利要求3所述的间作农田的自动灌溉装置，其特征在于，
所述土壤物理性质还包括田间持水量；
所述决策模块对数据运算模块运算得到的灌溉量的置信区间代入土壤水平衡方程进行反向计算，得到第一作物根区的土壤含水率和第二作物根区的土壤含水率，取根区土壤含水率占80-90％的田间持水量的灌溉量为最优灌溉量。
8.一种间作农田的自动灌溉方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
(1)数据库的建立
收集主要间套种作物在不同生育期的作物系数和作物根深，建立包含第一作物不同生育期的作物系数和作物根深数据，以及第二作物的不同生育期的作物系数和作物根深数据的作物信息数据库；
对农田土壤的不同深度的土壤容重进行测量，建立包含有土壤容重的土壤信息数据库；
(2)数据采集
在种植有第一作物和第二作物的间作农田上，分别采集第一作物的根区土壤含水率数据，第二作物的根区土壤含水率数据，第一作物的占地面积数据、第二作物的占地面积数据，并采集农田气象数据，所述农田气象数据包括降雨量、当前平均温度、平均湿度、植被表面净辐射量和风速；
(3)将农田气象数据，间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率的模拟信号数据、第二作物的根区土壤含水率数据、第一作物的根区土壤含水率数据、第二作物的根区土壤含水率数据，第一作物的占地面积数据、以及第二作物的占地面积数据，进行模数转换，分别转换为农田气象数据的数字信号、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率的数字信号、第二作物的根区土壤含水率的数字信号、第一作物的占地面积数据的数字信号、以及第二作物的占地面积的数字信号；
(4)根据作物信息数据库内储存的第一作物和第二作物的作物系数和作物根深数据，土壤信息管理模块内储存的土壤物理性质数据，以及采集的农田气象数据、间作农田内种植的第一作物的根区土壤含水率、第二作物的根区土壤含水率、第一作物的占地面积、以及第二作物的占地面积，进行灌溉量的计算；
4.1参考作物需水量ET0的计算
通过农田气象数据采用Penman-Monteith公式估算参考作物需水量ET0，公式如式(1)-(3)所示：
式中，
式中，ET0——参考作物需水量(mm/d)；
△——饱和水汽压-温度关系曲线的斜率，kpa/℃；
Da——饱和水汽压差，Kpa；
γ——湿度表常数，kpa/℃，0.066/Kpa℃-1；
Rn——植被表面净辐射量，MJ/m2d；
G——土壤热通量，MJ/m2d，忽略；
T——平均温度，℃；
RH——平均湿度，％；
u2——在地面以上2米高处的风速；
4.2农田实际需水量ETc的计算
根据第一作物的作物系数和占地面积、第二作物的作物系数和占地面积，以及参考作物需水量ET0，计算农田实际需水量ETC计算公式如下式(4)-(6)所示，
ETC1＝KC1×ET0 (4)
ETC2＝KC2×ET0 (5)
ETC＝f1×ETC1+f2×ETC2 (6)
式(1)-(3)中，KC1为第一作物的作物系数，KC2为第二作物的作物系数，f1为第一作物的占地面积，f2为第二作物的占地面积，ETC1为第一作物的实际需水量，ETC2为第二作物的实际需水量；
4.3土壤储水量变化的计算
计算土壤储水量变化△W，具体计算公式如下式(7)所示：
△W＝Wi-Wi-1＝γ1×h1×(θ1i-θ1i-1)+γ2×h2×(θ2i-θ2i-1) (7)
其中：i指阶段末；i-1指阶段初；Wi指的是阶段末土壤储水量；Wi-1指的是阶段初土壤储水量；阶段范围1-3天；θ1i、θ2i为第一、第二作物阶段末的土壤含水率；θ1i-1、θ2i-1为第一、第二作物阶段初的土壤含水率；γ1、γ2为第一、第二作物根区平均土壤容重；h1、h2为第一、二作物的最大根深；
4.4灌溉量的计算
根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量，具体计算公式如下式(8)所示：
I＝ETC–P+△W (8)
其中：I为需要的灌溉量，P为气象站测量的降雨量；
(5)以实际需要的灌溉量为基础决策进行灌溉。
9.根据权利要求8所述的间作农田的自动灌溉方法，其特征在于：根据土壤水平衡原理计算实际需要的灌溉量后，还包括以下步骤：
对农田的田间持水量进行测量，建立包含有土壤容重和田间持水量的土壤信息数据库；
根据得到的实际需要的灌溉量，采用将贝叶斯分析模型和土壤水平衡公式进行耦合，利用Gibbs抽样分析，得到95％灌溉量的置信区间；确定阶段灌溉量的平均值、最大值和最小值；
将得到的灌溉量的置信区间代入土壤水平衡方程进行反向计算，得到第一作物根区的土壤含水率和第二作物根区的土壤含水率，取根区土壤含水率占80-90％的田间持水量的灌溉量为最优灌溉量，以最优灌溉量作为基础决策进行灌溉。
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