CN108874751A - 基于tdr测量技术的温室滴灌番茄需水量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDR测量技术的温室滴灌番茄需水量计算方法，包括温室滴灌系统灌水系数的确定和温室滴灌条件下土壤含水量变化值的计算。其中，温室滴灌系统灌水系数的确定通过记录多个接水容器的初始重量M_0i，得到本次灌水时间内单个滴头的实际平均灌水量，然后技术得到此滴灌系统的灌水系数及平均值。本发明主要采用埋设TDR探头测量土壤含水量来测定大棚作物的耗水量。借助植物生长监测仪来观测作物的生理状况。滴灌总水量的体积V可以通过水表读数来确定，所以只要再得到滴灌水体的有效水平表面积，就可以将水量转换为水层厚度具有快速、准确、灵活方便、不需要核辐射防护的特点，还具有多点定时定位自动化采集和储存数据的功能。

Description

基于TDR测量技术的温室滴灌番茄需水量计算方法

技术领域：

本发明属于温室滴灌作物需水量计算技术领域，具体涉及一种基于TDR测 量技术的温室滴灌番茄需水量计算方法。

背景技术：

称重式的测筒是常用和较精确的人工测定作物耗水量的设备，但考虑到大 棚蔬菜作物生长速度快，果实采摘频繁，通过称重的方式来测量大棚作物的耗 水量非常困难，易产生较大的误差，因此，本次试验主要采用埋设TDR探头测 量土壤含水量来测定大棚作物的耗水量。同时，借助植物生长监测仪来观测作 物的生理状况。

土壤含水量的测定是农业研究特别是节水农业研究中经常测定的项目。测定 方法已有多种，主要有烘干法、电阻法、电容法、石膏块法、射线法以及中子 法等等。但不同试验中对土壤含水量测定的特殊要求以及影响因素的复杂性和 仪器的局限性，有关方法都表现出这样或那样的不足。比如对土壤结构的破坏 性、不稳定性、核辐射防护、需经常标定等，在一定程度上限制了它们的广泛 应用。时域反射仪即TDR是本世纪80年代初在国外发展起来的一种测定土壤 水分的新技术，除具有快速、准确、灵活方便、不需要核辐射防护的特点外， 还具有多点定时定位自动化采集和储存数据的功能。近年来，我国在华北等 地也引进了该项技术，但尚属认识与初步应用阶段。

发明内容：

针对目前温室滴灌需水量计算的现状和存在的问题，本发明提供一种基于 TDR测量技术的温室滴灌番茄需水量计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种基于TDR测量技术的温室滴灌 番茄需水量计算方法，包括温室滴灌系统灌水系数的确定和温室滴灌条件下土 壤含水量变化值的计算。

第一部分：温室滴灌系统灌水系数的确定。

步骤1：先准备p个同类型的玻璃容器，贴好标签，并使用电子称分别对其 称重，记录下各容器的初始重量M_0i，i＝1、2、3、4……。然后在温室内沿长度 方向上等距离(每1/4的距离处)随机选取一个滴头作为观测对象，在每个滴头 下方各放置一个玻璃容器用于接收滴灌出水。

步骤2：将温室内的水阀完全开启，历时t分钟，再将水阀完全关闭，通过 水表来确定灌溉水量ΔQ。灌水结束后，对p个玻璃容器再次进行称重，记录每 个容器的重量M_1i。得到本次灌水时间内单个滴头的实际平均灌水量为：

其中p＝大于或等于4的自然数。

步骤3：灌水系数η的计算，根据每个温室内的滴头总个数m算出温室内每个 滴头的理论灌水量，q₀＝△Q/m，得到此滴灌系统的灌水系数为：

η＝q₁/q₀。

步骤4：重复以上的步骤1-3，分别测量不同历时的灌水量，并通过对多次试验 的计算结果取平均值作为灌水系数。根据多次实际测量的结果，最终得到本 次试验温室内滴灌系统灌水系数为平均值。

第二部分：温室滴灌条件下土壤含水量变化值的计算。

步骤1：实测土壤含水量的计算由水层厚度(mm)＝土层厚度(mm)×土壤含水 量(容积％)得到每次灌水前后土壤中水分增量的计算公式为：

△H＝H ₀(θ₁-θ₀)％

其中，

△H——每次灌水前后土壤内增加的水量，mm；

H₀——计算土壤层厚度，本文中为TDR传感器测量深度(200mm)；

θ₀——灌水前实测土壤体积含水率，％；

θ₁——灌水后实测土壤体积含水率，％。

温室滴灌系统灌溉水量计算，使用TDR的测量数据，根据上述 △H＝H ₀(θ₁-θ₀)％计算方法，计算田间土壤中水分的存储量以及灌水前后 的变化值。但是滴灌系统与传统灌溉方式又有所不同，滴灌属于局部灌溉，滴 灌系统灌水后土壤湿润体的深度并不均匀，每个滴头下灌水的湿润峰边界大致 呈椭球状。使用上述TDR计算原理推求的土壤水分含量是用水层厚度mm来表示 的，为使上述计算公式(△H＝H ₀(θ₁-θ₀)％)能准确的变现滴灌系统下的 水分含量的变化情况，也需要将滴灌水量转化为水层深度来表示。滴灌总水量 的体积V通过水表读数来确定，所以只要再得到滴灌水体的有效水平表面积，就 可以将水量转换为水层厚度。

步骤2：有地膜覆盖的处理：

每次灌水后湿润区域的宽度应为整个地膜覆盖到的宽度a，在地膜覆盖的条 件下，每条滴灌毛管上的各个滴头出水后的土壤浸润区域是连成一片的，有效 土壤湿润区域为长方体区域，该区域体积为：

V＝a*b*h₁

式中，

a——地膜覆盖宽度，m；

b——滴管毛管的长度，m；

h₁——灌溉水在浸润区内的平均深度，m

每次滴水后入渗到田间的有效水深度为：

式中，

△Q——灌水前后水表读数差值，m³；

η——灌水系数；

n——地膜的条数。

步骤3：无地膜覆盖的处理：

无地膜覆盖的情况下，灌溉水在湿润体内的平均深度为h₂，么整个湿润圆柱 体的体积应为：

V＝π(r)²·h₂

其中，

r——柱状湿润体的底面半径，m；

h₂——灌溉水在湿润体内的平均深度，m

设每个温室内的滴头总个数为m，于是，每次滴水后入渗到田间的实际有效 水深度应为：

其中，

△Q——灌水前后水表读数差值，m³；

η——灌水系数；

m——温室内的滴头总个数。

步骤4：温室滴灌系统土壤耗水量计算方法：

田间实际灌水量h₁或h₂等于灌水前后土壤水分含量的改变值ΔH，取h₂与ΔH 比值的平均值作为实测土壤水量变化值△H＝H₀(θ₁-θ₀)％的修正系数，于 是，无地膜覆盖条件下，土壤含水量变化情况可由下式表示：

△θ₂＝k_θ△H

即

△θ₂＝k_θH₀(θ₁-θ₀)％

式中，

k_θ＝1.25；

△H——每次灌水前后土壤内增加的水量，mm；

H₀——计算土壤层厚度，本文中为TDR传感器测量深度(200mm)；

θ₀——灌水前实测土壤体积含水率，％；

θ₁——灌水后实测土壤体积含水率，％。

经过上述分析，最终得到实测温室滴灌系统作物需水量计算公式为：

(1)有地膜覆盖：

ET₁＝I₁-△θ₁＝h₁-H₀(θ₁-θ₀)％；

(2)无地膜覆盖

ET₂＝I₂-△θ₂＝h₂-k_θH₀(θ₁-θ₀)％。

另外，在每个滴头下方各放置一个玻璃容器用于接收滴灌出水时，不改变 滴灌毛管或滴头的垂直位置，而是在滴头下采取挖坑的手段来放置玻璃容器。

本发明的有益效果：本发明主要采用埋设TDR探头测量土壤含水量来测定 大棚作物的耗水量。同时，借助植物生长监测仪来观测作物的生理状况。滴灌 总水量的体积V可以通过水表读数来确定，所以只要再得到滴灌水体的有效水 平表面积，就可以将水量转换为水层厚度具有快速、准确、灵活方便、不需要 核辐射防护的特点，还具有多点定时定位自动化采集和储存数据的功能。本发 明针对TDR使用技术的应用，有助于TDR在我国农业研究的土壤水分测定中广 泛应用，推动节水农业研究的不断深入发展。

附图说明：

图1是集水容器布置情况示意图。

图2是覆膜条件下滴灌水浸润范围。

图3是土壤湿润体示意图。

图4是茄子(11月～1月)土壤水分变化过程图。

图5是番茄(10～12月)土壤水分变化过程图。

图中标号：1为输水管，2为滴头，3为玻璃容器，4为地膜，5为浸润线， 6为露地。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。一般情况下，在某个特定时 段内温室土壤根系层的水量收支情况，应主要包括以下几个方面：田间灌溉水 量、地下水补给量、深层渗漏的情况、植株蒸腾作用以及土壤水蒸发量。根据 水量平衡原理，可得到温室土壤根系层的水量平衡方程：

△θ＝Ds_i+1-Ds_i＝I+Wc-DR-ET＝I+Wc-DR-(Es+TR)(1)

式中，

△θ——在i时段内土壤储水量变化，mm/d；

Ds_i——在i时段内土壤根系层的储水量，mm/d；

I——灌溉水量，mm/d；

Wc——地下水补给量，mm/d；

DR——土壤水分渗漏量，mm/d；

ET——蒸发蒸腾量，mm/d，

ET＝Es+TR (2)

TR——植株蒸腾的水量，mm/d；

Es——土壤蒸发的水汽量，mm/d。

在试验温室中测点作物所在测坑内埋有隔水塑料薄膜，因此水量平衡 中不存在地下水对土壤根系层含水量的影响，即Wc、DR可忽略不计，于是 温室内采用摸下滴灌的土壤根系层水量平衡方程可简化为：

△θ＝I-ET (3)

试验中灌水量I和根系活动层土壤含水量变化△θ可通过田间水表和TDR(时域反射仪)实测得到，而植株的蒸腾量TR可根据平衡方程间接获得：

ET＝I-△θ (4)

同时，对于温室内有地膜覆盖的处理，地表蒸发量可忽略不计Es＝0， 此时也可以用作物的蒸腾量来表示田间的作物需水量：

ET＝I-△θ＝RT (5)

1温室滴灌系统灌水系数的确定。

想要得到温室滴灌条件下土壤含水量的正确计算方法，首先必须知道每次 滴灌到达田间的实际灌水量，然后才能验证土壤含水量测量方法和计算方法的 准确性，因此如何确定温室滴灌系统的灌水系数是首先应该解决的问题。

由于所有温室都采用统一的滴灌方式和布置方式，所以任意选取其中一个 试验温室进行观察即可，本次试验选取了西1号温室进行观测。

一、试验方法。

准备工作：试验前，先准备4个同类型的圆形玻璃容器(高度为25 mm)，贴 好标签，并使用精度为0.1g的电子称分别对其称重，记录下各容器的初始重量 M_0i(i＝1、2、3、4)。然后在温室内沿长度方向上(从东往西)每1/4的距离处 随机选取一个滴头作为观测对象，在每个滴头下方各放置一个玻璃容器用于接 收滴灌出水。此时需注意，为保证滴头的出水压力不受影响，不应改变滴灌毛 管或滴头的垂直位置，而应在滴头下采取挖坑的手段来放置玻璃容器。容器布 置情况如图1所示。

试验过程：将西1号温室的水阀完全开启，历时3分钟，再将水阀完全关闭， 通过水表来确定灌溉水量ΔQ。灌水结束后，对四个玻璃容器再次进行称重，记 录每个容器的重量M_1i(i＝1、2、3、4)。于是可以得到本次灌水时间内单个滴头 的实际平均灌水量为：

其中n＝4。(6)

二、灌水系数η的计算。

根据每个温室内的滴头总个数m(23×85个)可以算出温室内每个滴头的理 论灌水量，q₀＝△Q/m，于是可得到此滴灌系统的灌水系数为：

η＝q₁/q₀ (7)

重复以上的试验步骤，分别测量历时6分钟和历时9分钟的灌水量，并通过 对三次试验的计算结果取平均值作为灌水系数。根据三次实际测量的结果，最 终得到本次试验温室内滴灌系统灌水系数为0.9736，计算过程见表1。

表1灌水系数k计算表

2温室滴灌条件下土壤含水量变化值的计算。

2.1TDR实测土壤含水量的计算原理。

本文以水层厚度表示土壤含水量，将一定深度土层中的含水量换算成水层 深度的mm表示，计算公式如下：

水层厚度(mm)＝土层厚度(mm)×土壤含水量(容积％)

根据上述原理，可得到每次灌水前后土壤中水分增量的计算公式为：

△H＝H₀(θ₁-θ₀)％ (8)

其中，

△H——每次灌水前后土壤内增加的水量，mm；

H₀——计算土壤层厚度，本文中为TDR传感器测量深度(200mm)；

θ₀——灌水前实测土壤体积含水率，％；

θ₁——灌水后实测土壤体积含水率，％。

2.2温室滴灌系统灌溉水量计算方法。

使用TDR的测量数据，根据上述计算方法，可以准确的计算田间土壤中水 分的存储量以及灌水前后的变化值。但是滴灌系统与传统灌溉方式又有所不同， 滴灌属于局部灌溉，滴灌系统灌水后土壤湿润体的深度并不均匀，每个滴头下 灌水的湿润峰边界大致呈椭球状。使用上述TDR计算原理推求的土壤水分含量是 用水层厚度mm来表示的，为使上述计算公式(8)能准确的变现滴灌系统下的 水分含量的变化情况，也需要将滴灌水量转化为水层深度来表示。滴灌总水量 的体积V可以通过水表读数来确定，所以只要再得到滴灌水体的有效水平表面 积，就可以将水量转换为水层厚度。

针对本次试验的布置情况，下边将分别讨论有地膜覆盖处理和无地膜覆盖 处理两种情况下，滴灌水量转化为土壤含水量深度的计算原理。

一、有地膜覆盖的处理。

每次灌水后湿润区域的宽度应为整个地膜覆盖到的宽度a，如图2所示。在 地膜覆盖的条件下，每条滴灌毛管上的各个滴头出水后的土壤浸润区域是连成 一片的，假设在此条件下的这个有效土壤湿润区域为长方体区域，该区域体积 为：

V＝a*b*h₁ (9)

式中，

a——地膜覆盖宽度，m；

b——滴管毛管的长度，m；

h₁——灌溉水在浸润区内的平均深度，m

于是，每次滴水后入渗到田间的有效水深度应为：

式中，

△Q——灌水前后水表读数差值，m³；

η——灌水系数；

n——地膜的条数；

二、无地膜覆盖的处理

无地膜覆盖的情况下，滴灌水的湿润范围如图3所示。

在图3中，为方便计算，估算时可将土壤湿润体近似看作圆柱体，那么每次 灌水后，假设灌溉水在湿润体内的平均深度为h₂，那么整个湿润圆柱体的体积应 为：

V＝π(r)²·h₂ (11)

其中，

r——柱状湿润体的底面半径，m；

h₂——灌溉水在湿润体内的平均深度，m

设每个温室内的滴头总个数为m，于是，每次滴水后入渗到田间的实际有效 水深度应为：

其中，

△Q——灌水前后水表读数差值，m³；

η——灌水系数；

m——温室内的滴头总个数；

2.3温室滴灌系统土壤耗水量计算方法的确定

假设灌水过程中不考虑作物对水分的影响，那么田间实际灌水量h₁或h₂应等 于灌水前后土壤水分含量的改变值ΔH，根据上述实测滴灌灌水量计算公式和TDR计算原理，可确定土壤含水量变化值的正确计算方法。

一、有地膜覆盖的处理：

如图4所示，温室茄子(有地膜处理)在2005年11月到2006年1月份之间共 有三次灌水，分别是在2005年11月26日、2005年12月9日上和2006年1月5日。三 次灌水前后，20cm土层深度内的土壤平均含水率变化值Δθ由TDR探头实测， 灌水量通过水表读取，然后根据式(10)和(8)，得到以下的计算结果：

表2有地膜处理下灌水湿润厚度计算表

从计算结果可以看出，三次灌水过程，在地膜覆盖宽度下的灌溉水浸润厚 度h₁与实测土壤浸润厚度ΔH之间非常接近，相对误差的绝对值分别为：0.022、 0.039和0.030，因此可认式(8)在有地膜覆盖的情况下，可以较为准确的估算 温室作物的实际土壤水量的变化情况，即，△θ₁≈△H。

二、无地膜覆盖的处理：

如图5所示，为温室番茄(无地膜处理)在2005年10月到2005年12月份之间 共有两次灌水，分别是在2005年10月25日1和2005年11月9日。两次灌水前后， 20cm土层深度内的土壤平均含水率变化值Δθ由TDR探头实测，灌水量通过水 表读取，根据式(12)和(8)，得到如下的计算结果：

表3无地膜处理下灌水湿润厚度计算表

从计算结果可以看出，两次灌水过程，在无地膜覆盖条件下灌溉水浸润厚 度h₂与实测土壤浸润厚度ΔH之间比值分别为1.24和1.27，存在较大的误差。造 成这种误差的主要原因在于：在无地膜覆盖的条件下，土壤浸润体(圆柱体) 的底面半径r是根据田间试验中TDR探头布置方式来选定的，它与实际情况固然 存在偏差，而这是由试验布置本身造成的，所以这种误差又是比较固定的。

取h₂与ΔH比值的平均值作为实测土壤水量变化值(公式(8))的修正系数， 于是，无地膜覆盖条件下，土壤含水量变化情况可由下式表示：

△θ₂＝k_θ△H (13)

即

△θ₂＝k_θH₀(θ₁-θ₀)％ (14)

式中，

k_θ＝1.25；

△H——每次灌水前后土壤内增加的水量，mm；

H₀——计算土壤层厚度，本文中为TDR传感器测量深度(200mm)；

θ₀——灌水前实测土壤体积含水率，％；

θ₁——灌水后实测土壤体积含水率，％；

经过上述分析，最终得到实测温室滴灌系统作物需水量计算公式为：

(1)有地膜覆盖：

ET₁＝I₁-△θ₁＝h₁-H₀(θ₁-θ₀)％ (14)

(2)无地膜覆盖

ET₂＝I₂-△θ₂＝h₂-k_θH₀(θ₁-θ₀)％ (15)

Claims (2)

1.一种基于TDR测量技术的温室滴灌番茄需水量计算方法，包括温室滴灌系统灌水系数的确定和温室滴灌条件下土壤含水量变化值的计算，其特征在于，

第一部分：温室滴灌系统灌水系数的确定，

步骤1：先准备p个同类型的玻璃容器，贴好标签，并使用电子称分别对其称重，记录下各容器的初始重量M_0i，i＝1、2、3、4……；然后在温室内沿长度方向上等距离随机选取一个滴头作为观测对象，在每个滴头下方各放置一个玻璃容器用于接收滴灌出水；

步骤2：将温室内的水阀完全开启，历时t分钟，再将水阀完全关闭，通过水表来确定灌溉水量ΔQ；灌水结束后，对p个玻璃容器再次进行称重，记录每个容器的重量M_1i；得到本次灌水时间内单个滴头的实际平均灌水量为：其中p＝大于或等于4的自然数；

步骤3：灌水系数η的计算，根据每个温室内的滴头总个数m算出温室内每个滴头的理论灌水量，q₀＝ΔQ/m，得到此滴灌系统的灌水系数为：η＝q₁/q₀；

步骤4：重复以上的步骤1-3，分别测量不同历时的灌水量，并通过对多次试验的计算结果取平均值作为灌水系数；根据多次实际测量的结果，最终得到本次试验温室内滴灌系统灌水系数为平均值；

第二部分：温室滴灌条件下土壤含水量变化值的计算，

步骤1：实测土壤含水量的计算由水层厚度＝土层厚度×土壤含水量，得到每次灌水前后土壤中水分增量的计算公式为：ΔH＝H₀(θ₁-θ₀)％，其中，ΔH为每次灌水前后土壤内增加的水量；H₀为计算土壤层厚度，本文中为TDR传感器测量深度；θ₀为灌水前实测土壤体积含水率；θ₁为灌水后实测土壤体积含水率；

步骤2：有地膜覆盖的处理，每次灌水后湿润区域的宽度为整个地膜覆盖到的宽度a，在地膜覆盖的条件下，每条滴灌毛管上的各个滴头出水后的土壤浸润区域是连成一片的，有效土壤湿润区域为长方体区域，该区域体积为：V＝a*b*h₁，式中，a为地膜覆盖宽度；b为滴管毛管的长度；h₁为灌溉水在浸润区内的平均深度，每次滴水后入渗到田间的有效水深度为：式中，ΔQ为灌水前后水表读数差值；η为灌水系数；n为地膜的条数；

步骤3：无地膜覆盖的处理，无地膜覆盖的情况下，灌溉水在湿润体内的平均深度为h₂，么整个湿润圆柱体的体积为：V＝π(r)²·h₂，其中，r为柱状湿润体的底面半径；h₂为灌溉水在湿润体内的平均深度；设每个温室内的滴头总个数为m，于是，每次滴水后入渗到田间的实际有效水深度为：其中，m为温室内的滴头总个数；

步骤4：温室滴灌系统土壤耗水量计算方法，田间实际灌水量h₁或h₂等于灌水前后土壤水分含量的改变值ΔH，取h₂与ΔH比值的平均值作为实测土壤水量变化值ΔH＝H₀(θ₁-θ₀)％的修正系数，于是，无地膜覆盖条件下，土壤含水量变化情况表示：Δθ₂＝k_θH₀(θ₁-θ₀)％，式中，k_θ＝1.25；ΔH为每次灌水前后土壤内增加的水量；H₀为计算土壤层厚度，本文中为TDR传感器测量深度；θ₀为灌水前实测土壤体积含水率，％₁为灌水后实测土壤体积含水率；最终得到实测温室滴灌系统作物需水量计算公式为：

(1)有地膜覆盖：

ET₁＝I₁-Δθ₁＝h₁-H₀(θ₁-θ₀)％；

(2)无地膜覆盖

ET₂＝I₂-Δθ₂＝h₂-k_θH₀(θ₁-θ₀)％。

2.根据权利要求1所述的基于TDR测量技术的温室滴灌番茄需水量计算方法，其特征在于，在每个滴头下方各放置一个玻璃容器用于接收滴灌出水时，不改变滴灌毛管或滴头的垂直位置，而是在滴头下采取挖坑的手段来放置玻璃容器。