CN108375666A - 一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本方案提供了一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置，压力传感装置通过输水管的传导能够实时监测出土壤在陶土头产生的负压，智能数据采集器采集压力传感装置监测到的压力值并显示出来，避免了人工读取真空表刻度盘的读数误差，实现了实时自动监测功能，土壤水势变化反馈及时，指导科学合理的农田灌溉。本方案还提供了一种应用上述基于土壤水势的农田灌溉监测装置的农田灌溉监测方法，充分利用了作物根系在土壤中的分布状况，确定出更全面、更科学的多层土壤水势值以指导农田灌溉，克服了灌溉指标因单点测定而造成灌溉过早或过晚的局限性，为作物根系层提供了良好的水气热条件，从而实现作物产量与水分利用效率的协同提高。
Description
技术领域
本发明属于农田灌溉技术领域，特别涉及一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置及方法。
背景技术
土壤水势是土壤水分的强度指标和土壤水运动方向的判定，与植物吸收水分的有效性有密切的关系，是农田作物水分供给的一项重要灌溉控制指标。根系是作物从土壤中吸收水分和养分的器官，对作物生长发育和产量形成具有重要影响。同时根系最先感知土壤水分的变化，是作物地上与地下部分物质及信息交换的重要系统。作物根系在不同生长发育阶段存在很大的差异，生长前期，根系主要集中在上层土壤，下扎深度较浅，随着生育阶段的推移，作物根系不断下扎以吸收更多的水分和养分来满足植株的正常生长发育需求，并且伴随着上层根系逐渐壮大以支撑不断壮大的植株。根长密度是衡量作物根系吸水能力大小的一个重要指标，土壤某一层次中根长密度越大，根系吸水能力越强，反之，根系吸水能力越弱。农田灌溉的主要目的是要满足作物根系吸水需求，因此，可根据作物不同生长阶段根系在土壤剖面的分布状况设置剖面上安装的土壤水势探头(土壤负压计)数量，并依据根系分布确定各土层土壤水势值的权重系数，计算得到根系层加权土壤水势值，进而制定科学合理的灌溉指标。根系层加权土壤水势值计算方法如下式所示：
其中，
式中，Ψa为根系层加权土壤水势值；Ψi为第i层土层的实测土壤水势；Wi为根据第i层土层根系密度计算得到的权重系数；Ri为第i层土层的根长密度。
当Ψa≤Ψ临，作物需要灌溉；反之，作物不需灌溉。Ψ临为作物发生水分亏缺的临界土壤水势值，一般而言，作物的临界土壤水势值随生育阶段的变化而改变，需根据不同作物而定，该值一般在-50kpa～-20kpa之间。
然而，国内外现有技术中，用于测量土壤水势的仪器多由多孔陶土头、输水管、指示器及其他部件组成，陶土头具有许多微小的孔隙，当插入不饱和土壤充满水时，孔隙中水膜与土壤中孔隙的水相连接，使陶土头中的水产生负压，这种负压通过输水管传递给指示器，大多采用真空表压力计读数。由于真空表装置的灵敏度缺陷造成仪器不能及时准确反映土壤水势变化真实情况。
基于土壤水势制定作物灌溉控制指标方法具有操作简单、测定速度快、价格低廉等优点，通过国内外学者们的努力，制定出诸如番茄、棉花、马铃薯等诸多农作物基于土壤水势的灌溉制度。但是，目前大多基于土壤水势的作物灌溉控制指标均采用单点测定值来实现，尤其表层以下20cm处的土壤水势控制为主，使其在实际应用中受到局限。对于作物根系层较浅的作物尚可满足，对于根系下扎较深的作物而言，当降雨或灌溉较小时，则形成“上湿下干”，虽然表层土壤湿润，但下层土壤干燥，整个根系层易造成水分亏缺；当降雨或灌溉水量较大，经过一段时间的蒸发蒸腾耗水，则易形成“上干下湿”，下层土壤水分较大，整个作物根系层仍保持湿润状态，此时若仍采用20cm土层的土壤水势来灌溉指标，势必造成土壤灌溉提前，灌水后，整个根系层土壤水分过大，根系层氧气含量减小，根系呼吸受阻，影响作物的正常生长发育。
发明内容
本发明提供了一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置及方法，实现了实时自动监测，充分利用了作物根系在土壤中的分布状况，指导科学合理的农田灌溉，克服了灌溉指标因单点测定而造成灌溉过早或过晚的局限性，为作物根系层提供了良好的水气热条件，从而实现作物产量与水分利用效率的协同提高。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置，包括用于测量土壤水势的土壤负压计以及用于采集显示土壤水势测量值的智能数据采集器，其中，
所述土壤负压计包括陶土头、输水管以及与所述输水管相连的压力传感装置，所述智能数据采集器与所述压力传感装置连接。
优选地，在上述农田灌溉监测装置中，所述土壤负压计还包括罩设于所述压力传感装置上的防水外壳。
优选地，在上述农田灌溉监测装置中，还包括连接所述压力传感装置与所述智能数据采集器的信号传输线，所述压力传感装置与所述信号传输线的连接端设置有防水航空接头。
优选地，在上述农田灌溉监测装置中，所述土壤负压计还包括用于封堵所述输水管顶端的密封盖。
本方案还提供一种基于土壤水势的农田灌溉监测方法，应用上述基于土壤水势的农田灌溉监测装置，所述方法包括以下步骤：
步骤1)：将田间的待测作物中周围土壤根系作为待测根系，采用根钻法测定所述待测作物不同生长发育阶段的不同土层的根系，根系处理干净，经过根系软件分析，得到各土层的根系密度Ri；
步骤2)：安装所述农田灌溉监测装置，监测各土层的土壤水势测量值Ψi；
步骤3)：根据所述根系密度Ri，通过公式计算得到各土层的土壤水势权重系数Wi；根据各土层的所述土壤水势权重系数Wi以及所述土壤水势测量值Ψi，通过公式计算得到根系层加权土壤水势值Ψa；
步骤4)：根据水利部行业标准《灌溉试验规范SL 13-2015》要求，在所述作物不同生长发育阶段设置基于土壤水势控制下限的适宜灌溉指标试验，确定所述作物不同生长发育阶段的临界土壤水势值Ψ临，并将根系层加权土壤水势值Ψa与所述临界土壤水势值Ψ临进行比较；若Ψa≤Ψ临，所述作物需要灌溉，反之，所述作物不需灌溉。
优选地，在上述农田灌溉监测方法中，所述步骤2)中安装所述农田灌溉监测装置，具体包括：对所述土壤负压计预处理使其饱和，采用钻孔器开孔到待测的深度，倒入泥浆，插入所述土壤负压计，填土捣实，采用智能数据采集器进行数据采集。
优选地，在上述农田灌溉监测方法中，所述步骤2)中对所述土壤负压计预处理使其饱和，具体包括：开启所述土壤负压计，并将所述土壤负压计倾斜，向所述输水管中注入无气水，密封后进行常规排气，最后将所述输水管中重新注满无气水。
优选地，在上述农田灌溉监测方法中，在所述步骤1)中所述的采用根钻法测定所述待测作物不同生长发育阶段的不同土层的根系，根系处理干净，具体包括：每预设取样厚度h的土层取样一次，直至没有根系为止，取出根系，经过浸泡、清洗、清除死根、剔除杂质后，根系处理干净。
优选地，在上述农田灌溉监测方法中，所述步骤1)中所述根系软件分析，具体包括：将根系置于双源扫描仪进行扫描获得根系照片，采用WinRhizo根系软件分析。
优选地，在上述农田灌溉监测方法中，所述步骤2)中，分别在地表以下至根系密度大于5％的土层位置上安装所述农田灌溉监测装置，在所述预设取样厚度h的土层上至少设置一个所述农田灌溉监测装置，设置每隔预设监测时长t记录一次监测土壤水势数据。
本方案提供了一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置，压力传感装置通过输水管的传导能够实时监测出土壤在陶土头产生的负压，智能数据采集器采集压力传感装置监测到的压力值并显示出来，避免了人工读取真空表刻度盘的读数误差，实现了实时自动监测功能，土壤水势变化反馈及时，指导科学合理的农田灌溉。
本方案还提供了一种基于土壤水势的农田灌溉监测方法，充分利用了作物根系在土壤中的分布状况，确定出更全面、更科学的多层土壤水势值以指导农田灌溉，克服了灌溉指标因单点测定而造成灌溉过早或过晚的局限性，为作物根系层提供了良好的水气热条件，从而实现作物产量与水分利用效率的协同提高。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本方案提供的智能土壤水势测定仪的结构示意图；
图2为本方案提供的智能数据采集器的结构示意图。
上图中：1为密封盖，2为输水管，3为陶土头，4为防水外壳，5为压力传感器，6为防水航空接头，7为信号传输线，8为土壤负压计，9为智能数据采集器，10为太阳能板，11为三防外壳，12为无线传输模块，13为通用接口，14为测量端口。
具体实施方式
本发明提供了一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置及方法，实现了实时自动监测，充分利用了作物根系在土壤中的分布状况，确定出更全面、更科学的多层土壤水势值以指导农田灌溉，克服了灌溉指标因单点测定而造成灌溉过早或过晚的局限性，为作物根系层提供了良好的水气热条件，从而实现作物产量与水分利用效率的协同提高。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，本发明所提供的一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置，包括用于测量土壤水势的土壤负压计8以及用于采集传输土壤水势测量值的智能数据采集器9，其中，土壤负压计8包括陶土头3、输水管2以及与输水管2相连的压力传感装置，智能数据采集器9与压力传感装置连接。具体地，可在输水管2的下端连接陶土头3，距输水管2顶端一段距离处打孔连接压力传感装置的一端，压力传感装置用于监测土壤水势变化。
本方案提供的一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置，压力传感装置通过输水管2的传导能够实时监测出土壤在陶土头3产生的负压，智能数据采集器9采集压力传感装置监测到的压力值并显示出来，避免了人工读取真空表刻度盘的读数误差，实现了实时自动监测功能，土壤水势变化反馈及时，指导科学合理的农田灌溉。
优选地，土壤负压计8还包括罩设于压力传感装置上的防水外壳4，防止降雨损坏压力传感装置。土壤负压计8还包括用于封堵输水管2顶端的密封盖1，密封盖1具体可选用橡胶塞密封。输水管2的一端与陶土头3相连，另一端用橡胶塞封堵。陶土头3具有许多微小的孔隙，具体地，孔隙的孔径范围可为0.06um-0.1um，透气值大于0.15Mpa，测量范围0KPa-85KPa。选用上述高透气值陶土头，有效提高了土壤水势的监测精度。
优选地，本方案还包括连接压力传感装置与智能数据采集器9的信号传输线7。压力传感装置与信号传输线7的连接端还可设置防水航空接头6。
进一步作为优选，智能数据采集器9上设置有若干测量端口14。具体地，智数能据采集器9在下端设置一组测量端口14，可根据用户需求连接一组不同测量位置的土壤负压计8，且不同测量位置的土壤负压计8通过信号传输线7与测量端口14一一对应连接。测量端口14采用通用化设计，还可将测量端口14设计成能够连接不同的类型的传感器，可在测量土壤水势的同时测量其它土壤数据，将监测范围扩大化。
智能数据采集器9还包括通过无线网络与远程服务器相连接的无线传输模块12。无线传输模块12，通过无线网络与远程服务器相连接，服务器以微信、网页、手机APP等形式展现给用户，服务器数据可以与分析软件连接，从而可以进行大数据分析。
智能数据采集器9还设置有用于连接外部器件的通用接口13。具体可将电源、太阳能板、设置接口、USB接口等集成为一个接口，减少了外接器件。智能数据采集器9采用太阳能板10，15W供电，太阳能板10连接通用接口13，可满足长期野外工作环境需要。当然，智能数据采集器9的供电形式还可以采用内置充电电池。智能数据采集器9采用超低功耗技术，内置充电电池，如5000mAh，在不接其他供电系统情况下，仅靠电池可供本方案智能土壤水势测定仪维持正常工作3个月以上。
智能数据采集器9采集到的数据除了在服务器上存储外，其机身内置大容量存储器可以存储2年以上测量数据，并可通过USB接口进行下载，进一步保证了数据的安全。
本方案中的压力传感装置为压力传感器5，压力传感器5不同于现有技术中的真空表装置，其测量范围为0KPa-100KPa，并采用高精度模数转换器和差分方法，测量精度达到±1％，有效提高了土壤水势的监测精度。连接方式具体可在距输水管2上端5cm处打孔连接压力传感器5的一端。
本发明还提供了一种基于土壤水势的农田灌溉监测方法，应用上述基于土壤水势的农田灌溉监测装置，方法包括以下步骤：
步骤1)：将田间的待测作物中周围土壤根系作为待测根系，采用根钻法测定待测作物不同生长发育阶段的不同土层的根系，根系处理干净，经过根系软件分析，得到各土层的根系密度Ri；
步骤2)：安装农田灌溉监测装置，监测各土层的土壤水势测量值Ψi；
步骤3)：根据根系密度Ri，通过公式(2)计算得到各土层的土壤水势权重系数Wi；根据各土层的土壤水势权重系数Wi以及土壤水势测量值Ψi，通过公式(1)计算得到根系层加权土壤水势值Ψa；
步骤4)：根据水利部行业标准《灌溉试验规范SL 13-2015》要求，在作物不同生长发育阶段设置基于土壤水势控制下限的适宜灌溉指标试验，确定作物不同生长发育阶段的临界土壤水势值Ψ临，并将根系层加权土壤水势值Ψa与临界土壤水势值Ψ临进行比较；若Ψa≤Ψ临，作物需要灌溉，反之，作物不需灌溉。
本发明提供的一种基于土壤水势的农田灌溉监测方法，充分利用了作物根系在土壤中的分布状况，确定出更全面、更科学的多层土壤水势值以指导农田灌溉，克服了灌溉指标因单点测定而造成灌溉过早或过晚的局限性，为作物根系层提供了良好的水气热条件，从而实现作物产量与水分利用效率的协同提高。
在确定土层取样的预设取样厚度h，以及安装农田灌溉监测装置的位置后，步骤1和步骤2的顺序是可以互换的。
优选地，在步骤2中安装农田灌溉监测装置，具体包括：对土壤负压计8预处理使其饱和，采用钻孔器开孔到待测的深度，倒入泥浆，插入土壤负压计8，填土捣实，采用智能数据采集器9进行数据采集。
优选地，步骤2中对土壤负压计8预处理使其饱和，具体包括：开启土壤负压计8，并将土壤负压计8倾斜，向输水管2中注入无气水，密封后进行常规排气，最后将输水管2中重新注满无气水。
优选地，在步骤1中的采用根钻法测定待测作物不同生长发育阶段的不同土层的根系，根系处理干净，具体包括：每预设取样厚度h的土层取样一次，直至没有根系为止，取出根系，经过浸泡、清洗、清除死根、剔除杂质后，根系处理干净。
优选地，步骤1)中根系软件分析，具体包括：将根系置于双源扫描仪进行扫描获得根系照片，采用WinRhizo根系软件分析。
优选地，步骤2)中，当某一深度以上土层的根长占总根长的95％以上时，则该层以上土层为主要监测土层。
因而，分别在地表以下至根系密度大于5％的土层位置上安装农田灌溉监测装置，在预设取样厚度h的土层上至少设置一个农田灌溉监测装置，设置每隔预设监测时长t记录一次监测土壤水势数据。预设取样厚度h可根据作物根系长度具体来分，一般农作物的根系预设取样厚度h为15cm-25cm。预设监测时长t可在1小时左右范围内选取。
在一种具体实施方式中，本发明选取的作物以大田麦后移栽棉花为例，介绍本发明公开的基于土壤水势的农田灌溉监测方法。
步骤1：采用根钻法取出麦后移栽棉不同生育阶段各土层根系，经过浸泡、清洗、清除死根、剔除杂质后，将根系置于双源扫描仪进行扫描获得根系照片，然后采用WinRhizo根系软件分析得到根长密度如表1所示：
表1麦后移栽棉不同生育阶段的根长密度
根据实测麦后移栽棉根系分布结果，如表1所示，苗期根系主要集中在0-20cm土层，蕾期在0-40cm土层集中了麦后移栽棉95％以上的根系，花铃期根系0-60cm土层集中了麦后移栽棉95％以上的根系。因此，麦后移栽棉在不同生育阶段的土壤水势监测点分别为：苗期20cm，蕾期20和40cm，花铃期20、40和60cm。
为了更加全面科学的判断根系层土壤水分状况，将各生育阶段最下层不足5％的根系计入上一次土层中，即，将蕾期40-60cm土层根系密度计入20-40cm土层，调整后0-20土层的权重系数为0.75，20-40cm土层的权重系数为0.25(表1)；花铃期60-80cm土层根系计入40-60cm土层，调整后0-20土层的权重系数为0.50，20-40cm土层权重系数为0.35，40-60cm土层的权重系数为0.15，参见表1。
步骤2：分别在地表以下20cm、40cm和60cm位置处安装农田灌溉监测装置，设置每隔1个小时记录一次监测土壤水势数据，实施监测并发送到用户终端，即数据库，通过数据库可下载土壤水势数据，具体参见表2。
步骤3)：根据根系密度Ri，通过公式(2)计算得到各土层的土壤水势权重系数Wi；根据各土层的土壤水势权重系数Wi以及表2监测得到的麦后移栽棉花铃期不同土层的土壤水势测量值Ψi，通过公式(1)计算得到根系层加权土壤水势值Ψa；
步骤4)：麦后移栽棉在苗期的临界土壤水势值Ψ临为-45kpa，蕾期和花铃期均为-35kpa，吐絮期不用灌溉。根据实测麦后移栽棉花铃期某一时段内不同土层的土壤水势值，计算得到花铃期根系层加权土壤水势值Ψa如表2所示，8月10日之前Ψa>Ψ临，8月11日根系层加权土壤水势值Ψa低于临界土壤水势值Ψ临，即需要灌溉。若采用20cm土层水势值指导灌溉，则提前3天，8月8日，就需灌溉，但此时20cm以下土层较为湿润，实际上作物不需要灌溉。
表2麦后移栽棉花铃期不同土层土壤水势值(kpa)
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于土壤水势的农田灌溉监测装置，其特征在于，包括用于测量土壤水势的土壤负压计(8)以及用于采集显示土壤水势测量值的智能数据采集器(9)，其中，
所述土壤负压计(8)包括陶土头(3)、输水管(2)以及与所述输水管(2)相连的压力传感装置，所述智能数据采集器(9)与所述压力传感装置连接。
2.根据权利要求1所述的农田灌溉监测装置，其特征在于，所述土壤负压计(8)还包括罩设于所述压力传感装置上的防水外壳(4)。
3.根据权利要求1所述的农田灌溉监测装置，其特征在于，还包括连接所述压力传感装置与所述智能数据采集器(9)的信号传输线(7)，所述压力传感装置与所述信号传输线(7)的连接端设置有防水航空接头(6)。
4.根据权利要求1所述的农田灌溉监测装置，其特征在于，所述智能数据采集器(9)上设置有若干测量端口(14)，所述若干测量端口(14)用于连接不同测量位置的若干所述土壤负压计(8)。
5.一种基于土壤水势的农田灌溉监测方法，其特征在于，应用权利要求1-4任一项所述的基于土壤水势的农田灌溉监测装置，所述方法包括以下步骤：
步骤1)：将田间的待测作物中周围土壤根系作为待测根系，采用根钻法测定所述待测作物不同生长发育阶段的不同土层的根系，根系处理干净，经过根系软件分析，得到各土层的根系密度Ri；
步骤2)：安装所述农田灌溉监测装置，监测各土层的土壤水势测量值Ψi；
步骤3)：根据所述根系密度Ri，通过公式(2)计算得到各土层的土壤水势权重系数Wi；根据各土层的所述土壤水势权重系数Wi以及所述土壤水势测量值Ψi，通过公式(1)计算得到根系层加权土壤水势值Ψa；
步骤4)：根据水利部行业标准《灌溉试验规范SL 13-2015》要求，在所述作物不同生长发育阶段设置基于土壤水势控制下限的适宜灌溉指标试验，确定所述作物不同生长发育阶段的临界土壤水势值Ψ临，并将根系层加权土壤水势值Ψa与所述临界土壤水势值Ψ临进行比较；若Ψa≤Ψ临，所述作物需要灌溉，反之，所述作物不需灌溉。
6.根据权利要求5所述的农田灌溉监测方法，其特征在于，所述步骤2)中安装所述农田灌溉监测装置，具体包括：对所述土壤负压计(8)预处理使其饱和，采用钻孔器开孔到待测的深度，倒入泥浆，插入所述土壤负压计(8)，填土捣实，采用智能数据采集器(9)进行数据采集。
7.根据权利要求6所述的农田灌溉监测方法，其特征在于，所述步骤2)中对所述土壤负压计(8)预处理使其饱和，具体包括：开启所述土壤负压计(8)，并将所述土壤负压计(8)倾斜，向所述输水管(2)中注入无气水，密封后进行常规排气，最后将所述输水管(2)中重新注满无气水。
8.根据权利要求5所述的农田灌溉监测方法，其特征在于，在所述步骤1)中所述的采用根钻法测定所述待测作物不同生长发育阶段的不同土层的根系，根系处理干净，具体包括：每预设取样厚度h的土层取样一次，直至没有根系为止，取出根系，经过浸泡、清洗、清除死根、剔除杂质后，根系处理干净。
9.根据权利要求5所述的农田灌溉监测方法，其特征在于，所述步骤1)中所述根系软件分析，具体包括：将根系置于双源扫描仪进行扫描获得根系照片，采用WinRhizo根系软件分析。
10.根据权利要求5所述的农田灌溉监测方法，其特征在于，所述步骤2)中，分别在地表以下至根系密度大于5％的土层位置上安装所述农田灌溉监测装置，在所述预设取样厚度h的土层上至少设置一个所述农田灌溉监测装置，设置每隔预设监测时长t记录一次监测土壤水势数据。
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