CN107302875A - 一种基于土壤-植物系统关键水分信息的节水灌溉方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于土壤‑植物系统关键水分信息的节水灌溉方法。所述方法主要是通过一种多深度土壤水分传感器测得作物根区内外不同深度剖面的土壤水分含量，并利用植物茎直径传感器无创伤获取作物的茎直径微变，然后结合作物不同生长阶段的需水特点，选取合理灌溉指标并制订灌溉决策，进而实现节水灌溉。

Description

一种基于土壤 - 植物系统关键水分信息的节水灌溉方法

技术领域

本发明涉及一种节水灌溉方法，灌溉的时间节点由土壤-植物系统中的作物根区内外土壤水分信息和作物茎直径微变共同决策。

背景技术

水是保障国民经济与社会发展的重要基础资源。然而，近年来水资源安 全问题日趋严重。尤其是我国作为一个农业大国，目前正处于产业化调整的关键阶段，农业与工业用水竞争的矛盾在所难免。而作为淡水消耗最多的农业灌溉，灌溉效率却不足40%。因此，寻求一种有效提高农业用水效率，实现节水灌溉的方法十分必要。

当土壤处于非饱和水分状态时，土壤与植物对水分运移的支配权是建立在土壤水吸力与植物根吸力的相互竞争关系之上的。水分的运移始终处于两种吸力的动态平衡当中。因此，综合考虑土壤-植物系统的水分信息进行灌溉决策更具科学性。目前，国内外关于作物节水灌溉方法的研究多是基于选取合理的灌溉指标，该指标通常仅限于土壤或者植物单一对象的水分信息，具有较大的局限性。如测量某一深度土壤水分或者通过在土壤不同深度放置多个土壤传感器获取多点的土壤水分，显然现有的土壤传感技术势必会对作物原位土壤环境造成扰动，而且传感器探头的一致性也难以保证；对于植物水分信息的获取普遍做法是测量叶片水势、茎流速率、茎直径或茎水分等。但是，此类方法一般均会对植物的正常生长产生一定程度的影响，所获取的水分信息不具备代表性。可见，无创伤获取作物的土壤-植物系统水分信息，结合作物生长阶段的特点，选取合理的灌溉指标是实现节水灌溉的基本前提。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是在不影响作物正常生长的前提下，无创伤采集作物根区内外土壤水分及作物茎直径微变。然后根据作物不同生长阶段的需水特点，科学选择二者的临界值，以此作为作物的水胁迫指数制订灌溉策略，实现节水灌溉。

（二）技术方案

1）基于LVDT技术，研制适用于不同作物的茎直径微变传感器的机械支撑机构和信号调理电路，实现对茎直径微变的无创伤检测；针对作物存在的“根区边界移动问题”，在现有土壤水分传感技术的基础上，研制可测量多深度土壤剖面水分的锥式土壤水分传感器，实现作物根区内外土壤水分的检测，同时保证作物生长环境的无扰动。

2）结合作物种类的差异以及根系发展的阶段对水分需求的不同，科学选取作物根区内外土壤水分的下限和茎直径微变的临界值作为作物干旱胁迫指标，实现节水灌溉。

（三）有益效果

本发明提供的基于土壤-植物系统关键水分信息的节水灌溉方法，采用自行研制的多深度土壤水分传感器测量作物根区内外的土壤水分；利用茎直径微变传感器无创伤连续检测作物的茎直径微变化，在不影响作物正常生长的前提下获取作物的水分胁迫信息，保证了水分信息的有效性。再结合作物生长阶段的差异性，确定干旱胁迫指数，以此指导节水灌溉。该方法综合考虑土壤-植物系统水分运移规律，传感器安装拆卸简单、精度高，成本相对低廉，具有较大的实用价值和推广意义。

附图说明

附图1为本发明涉及的多深度土壤水分传感器物理结构示意图，其中1：传感器电路板安装孔；2：同轴电缆；3：第1深度土壤水分传感器电极；4：PVC连接杆；5：第2深度土壤水分传感器电极；6：第3深度土壤水分传感器电极；7：PVC锥头。

附图2为本发明涉及的作物茎直径微变传感器机械结构及信号处理电路，其中1：信号调理电路；2：数据电缆；3：植物茎秆固定滑块；4：滑块滑动支撑杆；5：紧固螺丝；6：LVDT传感器探头；7：传感器探头支撑机构；8：传感器支撑杆插空。

附图3为本发明涉及的节水灌溉传感器及设备安装示意图，其中1：多深度土壤水分传感器；2：茎直径微变传感器；3：流量计；4：微气象站；5：入水口；6：水流阀；7：水。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如附图1为本发明涉及的多深度土壤水分传感器物理结构，其主体为锥杆状，电极纵向嵌套在锥杆上不同位置，由同轴电缆线分别连接到信号处理电路。安装时只需用土钻在安装点打一个直径略小于锥杆的孔，即可插入传感器，以此保证电极与土壤保持可靠、紧密的接触，对原位土壤几乎没有扰动。为降低功耗，传感器信号处理电路可通过太阳能进行供电，各深度传感器电极及其信号调理电路采取分时上电进行土壤水分参数采集。

再如附图2为本发明涉及的作物茎直径微变传感器机构及信号处理电路。测量时先将植物茎秆固定滑块取下，把待测植物茎秆固定于传感器探头与固定滑块之间，保证植物正常生长的前提下，将传感器支撑机构、传感器探头、植物茎秆固定滑块通过紧固螺丝固定后，信号调理电路完成茎直径微变的数据采集和输出。

再如附图3为本发明涉及的节水灌溉传感器及设备安装示意图。根据作物生长阶段及其根系的生长特点，综合考虑所测得的作物根区内外土壤水分和作物茎直径微变，选取二者干旱胁迫临界值作为干旱指标，然后控制水流阀并实时读取流量计的数值，实现节水灌溉啊。微气象站用于辅助优化节水灌溉指标。

最后所应说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种变化，如替换其它类型的土壤水分传感器或茎直径微变传感器，因此所有等同的技术方案都属于本发明的范畴，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.基于土壤-植物系统关键水分信息的节水灌溉方法，其特征在于，应用面向土壤-植物系统水分获取的无创伤传感方法获取作物根区内外土壤水分和作物茎直径微变，并根据作物生长特点，科学选择二者的临界值作为灌溉指标，以此制订灌溉策略，实现节水灌溉。

2.如权利1所述，基于土壤-植物系统关键水分信息的节水灌溉方法，其特征在于，所采用的传感方法为无创伤测量，其中：多深度土壤水分传感器测量根区内外土壤水分时对原位土壤环境几乎无扰动；茎直径传感器基于线性可变差动变压器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）原理设计，测量时对植物体几乎无伤害。