CN109596812A - 确定作物的灌溉参数的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种确定作物的灌溉参数的方法及装置，从而根据作物的根系深度和根系特性来确定至少一种灌溉参数。该方法，包括：确定所述作物的根系长度，以作为灌溉深度；根据所述灌溉深度将所述作物的土壤层划分为至少一层灌溉层；针对每一层灌溉层，确定土壤的含水率下限值；针对每一层灌溉层，根据该层土壤的含水率下限值以及该层土壤的实际含水率确定水分变化率；对所述水分变化率取平均值；根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉。本发明考虑到作物根系呈从大到小的“倒三角”结构的分布特征，对不同深度土壤水分含量的状态和变化进行监测，有效合理地控制了对作物根区的最大灌溉水量的同时，并且合理利用了水资源，节约了能源。
Description
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术领域，具体为，涉及一种基于作物根系分布的变量来确定包含有灌溉日期、确定灌溉水量以及确定灌溉时长等灌溉参数的方法及装置。
背景技术
灌溉是为了补充作物所需水分的技术措施，为了保证作物正常生长，获取高产稳产，必须供给作物充足的水量。我国是世界上13个最缺水的国家之一，人均水资源量约2200立方米，仅为世界平均值的四分之一，而且水资源的时空分布极为不均匀。我国作为用水大户的农业，其用水量占到总水量的百分之六十二，但用水效率极低，仅为0.48，与发达国家的0.7至0.8的用水效率有着较大的差距。
众所周知，植物主要依靠根系从土壤中吸收水分，供给植物生长发育、新陈代谢等生理活动和蒸腾作用。根系在土壤中的分布有明显的层次，最上层根群角较大，分枝性强，下层的根群角较小，分枝性弱，距地面较远，整个根系大致呈倒三角形状。不同土壤深度的根系对水分的吸收程度不同，导致相应土层的土壤含水率有所差异。一般来说，土壤上层根系较为密集，对水分的吸收较为活跃，周围土壤的含水率则偏低。利用土壤水分测定仪可以监测不同深度土壤水分含量的状态和变化，掌握作物根系的动态吸收消耗水分情况，有利于保障田间适时适量灌溉。
目前，虽然各种灌溉技术日趋发展和完善，但是根据作物的具体的根系深度和根系特性来确定灌溉参数，例如，具体的灌溉日期、灌溉用水量或者灌溉时长的灌溉方式在业内还没有出现。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种根据作物的根系深度和根系特性来确定至少一种灌溉参数的方法。
为了解决上述问题，本发明涉及一种确定作物的灌溉参数的方法，包括：
确定所述作物的根系长度，以作为灌溉深度；
根据所述灌溉深度将所述作物的土壤层划分为至少一层灌溉层；
针对每一层灌溉层，确定土壤的含水率下限值；
针对每一层灌溉层，根据该层土壤的含水率下限值以及该层土壤的实际含水率确定水分变化率；
对所述水分变化率取平均值；
根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉。
进一步的，所述作物的根系长度可以根据以下步骤确定：沿所述作物的土壤层的深度逐次获取所述土壤层的水分变化率；当所述水分变化率小于或等于第一阈值时，则将当前土壤层的深度确定为所述作物的根系长度。
进一步的，所述根据该层土壤的含水率下限值以及该层土壤的实际含水率确定水分变化率，可以进一步包括：针对每一层灌溉层，确定该层的含水率的下限值与实际含水率之间的差值；将所述差值与该层的含水率的下限值之间的比值作为该层的水分变化率。
进一步的，在对所述水分变化率取平均值中，可以进一步包括：对所述水分变化率进行加权取平均，以作为所述平均值。
进一步的，在根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉中，可以进一步包括：如果所述平均值小于或等于第二阈值，则确定需要对所述作物进行灌溉；将当前日期确定为灌溉日期，以作为所述灌溉参数中的一种。
进一步的，所述确定土壤的含水率下限值中，还可以包括，确定土壤的含水率上限值；并且如果确定需要对所述作物进行灌溉，该方法可以进一步包括：针对每一层灌溉层，确定该层的含水率的上限值与实际含水率之间的差值；根据所述差值和每一层灌溉层的土壤厚度确定该层土壤的单位灌水量；确定所述灌溉深度所对应的单位灌水量之和；根据所述单位灌水量之和与所述作物的灌溉面积确定灌溉用水量，以作为所述灌溉参数中的一种。
进一步的，所述方法还可以包括：根据所述灌溉用水量和出水量确定灌溉时长，以作为所述灌溉参数中的一种。
更进一步的，所述出水量为泵站出水量；并且该方法包括：利用电磁阀来控制来自所述泵站的出水量，从而确保所述灌溉时长。
进一步的，所述土壤的含水率下限值可以大于所述作物的凋萎系数；并且所述第一阈值可以等于0.05。
进一步的，本发明还涉及一种确定作物的灌溉参数的装置，包括：土壤墒情传感器，用于监测每一层灌溉层中的土壤的含水率值；控制器，与所述土壤墒情传感器相连，以接收所述含水率值；并且还用于，确定所述作物的灌溉深度并且根据该灌溉深度将所述作物的土壤层划分为至少一层灌溉层；并且所述控制器还用于，针对每一层灌溉层，根据该层土壤的含水率的下限值以及该层土壤的含水率的值确定水分变化率；对所述水分变化率取平均值；以及根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于作物根系分布的变量灌溉方法，考虑作物根系呈从大到小的“倒三角”结构的分布特征，利用土壤水分测定仪来对不同深度土壤水分含量的状态和变化进行监测，提出了反映灌溉时间、计划湿润层深度以及分层灌溉数量的计算方法，对不同深度土壤水分含量的状态和变化进行监测，有效合理地控制了对作物根区的最大灌溉水量的同时，并且合理利用了水资源，节约了能源。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，使得本发明的其它特征、目的和优点变得更明显。本发明的示意性实施例附图及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的确定作物的灌溉参数的方法的流程图；
图2是根据本发明的确定作物的灌溉参数的方法中的确定作物的根系长度的流程图；
图3是根据本发明的确定作物的灌溉参数的方法中的确定灌溉用水量的流程图；
图4是根据本发明的确定作物的灌溉参数的装置的方框图；
图5为本发明的实施例中的土壤含水量和深度关系的示意图；
图6为本发明的实施例中的分层土壤灌溉量的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“配置为”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，图1是根据本发明的确定作物的灌溉参数的方法的流程图，图2是根据本发明的确定作物的灌溉参数的方法中的确定作物的根系长度的流程图，图3是根据本发明的确定作物的灌溉参数的方法中的确定灌溉用水量的流程图，图4是根据本发明的确定作物的灌溉参数的装置的方框图，图5为本发明的实施例中的土壤含水量和深度关系的示意图，以及图6为本发明的实施例中的分层土壤灌溉量的示意图。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种确定作物的灌溉参数的方法，该包括以下步骤S1至步骤S8：
首先，在步骤S1，首先，本发明确定所述作物的根系长度，将该根系长度作为灌溉深度。具体的，本发明利用土壤墒情传感器来监测所述作物所在土壤的含水率，并且土壤墒情传感器记录土壤从湿润到干旱的连续过程，从而获取同一种土壤墒情传感器所监测到的土壤含水率的最大值和最小值，以分别作为所述土壤的含水率上限值和含水率下限值。
具体的，如图2所示，本发明根据以下步骤S11和步骤S12来确定所述作物的根系长度：在步骤S11，本发明沿所述作物的土壤层的深度逐次获取所述土壤层的水分变化率，并且当所述水分变化率小于或等于第一阈值时，本发明执行步骤S12，将当前土壤层的深度确定为所述作物的根系长度。
更具体的，可以作物试验地的土壤以先以10cm为间隔分层，每层的中间位置为数据监测点，沿所述作物的土壤层的深度逐次获取所述土壤层的水分变化率，当某层土壤含水率的变化率小于或等于第一阈值，例如0.05时，该层深度为作物根系深度，利用作物根系呈从大到小的“倒三角”结构的分布特征，当某层土壤含水率的变化率小于0.05时则代表该区域离根系较远，可视该层深度为根系深度，此方法方便快捷，并且为非破坏式监测手段。
在本发明中，所述土壤的含水率上限值的确定以当前层土壤的灌水上限一般以不致造成深层渗漏为原则，所以含水率上限值θimax为该层土壤的田间持水率，(田间持水量，简称“田持”，是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，是对作物有效的最高的土壤水含量)。所述土壤的含水率下限值θimin大于并接近作物的凋萎系数。
继续参见图1，接下来，在步骤S2，本发明根据所述灌溉深度将所述作物的土壤层划分为至少一层灌溉层。
具体的，本发明将作物的土壤以先以10cm为间隔分层，每层的中间位置为数据监测点，分层过程中70cm后土壤含水量变化较小故在70cm后将间隔增大至30cm。接下来可以以一定时间间隔，例如每周来分别测定各层土壤含水率，例如，当选定4月21日利用土壤墒情传感器对土壤水分测定的情况下，后以7天为间隔逐次测定。
接下来，在步骤S3，本发明针对每一层灌溉层，确定土壤的含水率下限值。这里需要说明的是，如果在步骤S1中，本发明已经确定了每层土壤的含水率下限值和含水率上限值，那么，在步骤S3中，可以继续沿用在上述步骤1中所确定的含水率的下限值。
接下来，在步骤S4，本发明针对每一层作物土壤的灌溉层，根据该层土壤的含水率下限值以及该层土壤的实际含水率确定水分变化率。具体的，本发明针对每一层灌溉层，确定该层的含水率的下限值与实际含水率之间的差值，然后将所述差值与该层的含水率的下限值之间的比值作为比例系数，该比例系数为该层的水分变化率。
在步骤S5，本发明将上述各个层得出的水分变化率取平均值，以获得水分变化的平均值。进一步的，本发明对所述水分变化率进行加权取平均，以作为所述平均值。
最后在步骤S6，本发明根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉。具体的，如果计算出的所述平均值小于或等于第二阈值，例如0.2时，则本发明确定需要对所述作物进行灌溉，并且将是否对所述作物进行灌溉作为灌溉参数的一种参数。
此外，除了是否需要对作物进行灌溉作为灌溉参数中的一种，所述灌溉参数还包括但不限于：具体的灌溉日期、具体的灌溉用水量、具体的灌溉时长(既灌溉作物的时间长短)以及具体的灌溉方式等。
因此，在上述步骤S6之后，本发明包括步骤S7：将当前日期确定为灌溉日期，以作为所述灌溉参数中的一种。
此外，本发明还包括确定上面所述的灌溉用水量的步骤S8，具体的，如图3所示，包括以下步骤S81至步骤S84：
首先，在步骤S81，针对每一层灌溉层，确定该层的含水率的上限值与实际含水率之间的差值，也就是说，本发明将各层所监测到的土壤实际含水率θi与该层含水率的上限值θimax计算得到差值θim。
随后，在步骤S82，本发明根据所述差值和每一层灌溉层的土壤厚度确定该层土壤的单位灌水量，也就是说，将跟上面所述的两层之间的差值所获得的中间值与两层之间的土壤厚度相乘，以获得每一层所需的单位灌水量。
在步骤S83，将所确定的所述灌溉深度所对应的单位灌水量求和，以获得单位灌水量之和。
最后，在步骤S84，本发明根据所述单位灌水量之和与所述作物的灌溉面积确定灌溉用水量，以作为所述灌溉参数中的一种。
进一步的，本发明还包括确定上面所述的灌溉时长的步骤S9，具体的，根据所述灌溉用水量和出水量确定灌溉时长，以作为所述灌溉参数中的一种。
其中，所述出水量可以泵站出水量，此外，本发明利用电磁阀来控制来自所述泵站的出水量，从而确保所述灌溉时长。更具体的，将上面步骤S8中确定出的灌溉用水量I、灌溉面积A、泵站出水流量Q根据公式T＝I×A/Q来确定灌水时长T。此外，为了达到精量灌溉的效果，本发明利用电磁阀来控制的灌水时长。
此外，以作为又一种灌溉参数，本发明中所涉及的具体灌溉方式可以包括但不限于：漫灌溉方式、滴灌等微灌方式等，从而能够大幅提高水资源利用效率。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
如图4所示，本发明还涉及一种确定作物的灌溉参数的装置，该装置包括：土壤墒情传感器1、控制器2和电磁阀3。
所述土壤墒情传感器1用于监测每一层灌溉层中的土壤的含水率并且将将测到的含水率值发送至控制器2。所述控制器2与所述土壤墒情传感器1相连，以接收所述含水率的值；并且该控制器2还用于，确定所述作物的灌溉深度并且根据该灌溉深度将所述作物的土壤层划分为至少一层灌溉层；并且所述控制器还用于，针对每一层灌溉层，根据该层土壤的含水率的下限值以及该层土壤的含水率的值确定水分变化率；对所述水分变化率取平均值；以及根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉。
如果需要进行灌溉，所述控制器2控制电磁阀3的阀门开度，以控制的灌水量和/或灌水时长。
本发明所涉及的计算机程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体装置、虚拟装置、优盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读计算机存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取计算机存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及其他软件分发介质等。
此外，本发明还涉及一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上面所描述的确定作物的灌溉参数的方法中的步骤。
另外，本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有执行上面所描述的确定作物的灌溉参数的方法的计算机程序。
实施例
请结合图5和图6，作为本发明的一个实施例，本发明提供一种基于作物根系分布的变量来确定作物的灌溉参数方法，为满足农作物正常生长的需要，旱作物田间(根系吸水层)允许的含水率必须保持在一定适宜范围以内，当土壤含水率接近于作物允许的含水率的下限值，即灌水下限θimin时则需进行灌溉，不同的土壤类型其含水量下限不同，可以事先专门选择一块试验地进行几次充分灌溉，为了保证数据的稳定性，采用同一套土壤墒情传感器记录土壤从湿润到干旱的连续过程，从而获取同一套土壤墒情监测设备的土壤含水率的最大值θmax和最小值θmin作为灌水上限θmax和灌水下限θimin。
将试验地的土壤以先以10cm为间隔分层，每层的中间位置为数据监测点，试验过程中70cm后土壤含水量变化较小故在深度H为70cm后将间隔增大至30cm，选定4月21日利用土壤水分测定仪对各层土壤含水率进行测量，后以7天为间隔逐次测定。各次测量间每层土壤含水率的变化量为Δ，变化率为ε，具体数值见下表1。
表1不同深度土壤含水率的变化
由表1可知在土壤深度H在50cm处土层两次水分变化率ε1、ε2分别为0.01和0.03小于规定值0.05，则可认为作物根系深度为50cm，即最大灌溉深度为50cm。
依照最大灌溉深度为50cm，计算第j次测量时第i层土壤含水率θij与该层灌水下限θimin的差值得到aij，将aij与θimin计算得到的具体数值作为比例系数δij，规定当各层δij加权均值小于0.2时进行灌溉，具体数值如下表2所示。
表2不同时期不同深度土壤的比例系数变化
由表2可知，5月7日各层δ3加权平均值为0.09<0.2，故应在5月8日进行灌溉。将5月7日的实验监测所得数据即各层土壤含水率θi与该层灌水上限θimax计算得到差值θim，将θim与该层土壤的深度hi绘制成图形(如图6所示)，图上各层所围成的梯形面积即为该层所需的灌水量Ii，将各层Ii累加即为总灌水量，具体数据如下表3所示。
表3不同深度土壤灌水量
| H(cm) | θimax(％) | θi(％) | θim(％) | hi(cm) | Ii(mm) |
| 10 | 30.33 | 17.82 | 12.51 | 10 | 12.51 |
| 20 | 36.47 | 24.68 | 11.79 | 10 | 12.15 |
| 30 | 30.74 | 25.02 | 5.72 | 10 | 8.76 |
| 40 | 27.25 | 21.28 | 5.97 | 10 | 5.85 |
| 50 | 28.38 | 26.56 | 1.82 | 10 | 3.90 |
实际进行分层灌溉的时候可通过控制不同层的灌溉阀门的打开时间来保证不同深度土壤的灌水量，通过计算可知总灌水量为42.9mm，而本试验地依照日常经验的灌水量为60mm，相比之下采用本发明的变量灌溉方法可以节水28.5％。
本发明提供的基于作物根系分布的变量灌溉方法，利用作物根系呈从大到小的“倒三角”结构的分布特征，充分考虑土壤上层根系较为密集，对水分的吸收较为活跃，周围土壤的含水率则偏低的规律，通过用土壤水分测定仪来对不同深度土壤水分含量的状态和变化进行监测，从而非破坏式的确定作物根系深度，进而掌握作物根系的动态吸收消耗水分情况，有利于保障田间适时适量灌溉，本方法给出了判断作物根系深度即分层灌溉的最大灌溉深度的指标计算方法、判断灌溉时间的指标计算方法、分层灌溉的每层灌溉量计算方法，提供了一种科学有效的变量灌溉方法，有效合理地控制了对作物根区的最大灌溉水量的同时更好地节水灌溉，合理利用水资源，使灌溉更加科学化，从而实现对作物、植物等的优质生长增产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，包括：
确定所述作物的根系长度，以作为灌溉深度；
根据所述灌溉深度将所述作物的土壤层划分为至少一层灌溉层；
针对每一层灌溉层，确定土壤的含水率下限值；
针对每一层灌溉层，根据该层土壤的含水率下限值以及该层土壤的实际含水率确定水分变化率；
对所述水分变化率取平均值；
根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉。
2.根据权利要求1所述的确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，所述作物的根系长度根据以下步骤确定：
沿所述作物的土壤层的深度逐次获取所述土壤层的水分变化率；
当所述水分变化率小于或等于第一阈值时，则将当前土壤层的深度确定为所述作物的根系长度。
3.根据权利要求1所述的确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，所述根据该层土壤的含水率下限值以及该层土壤的实际含水率确定水分变化率，进一步包括：
针对每一层灌溉层，确定该层的含水率的下限值与实际含水率之间的差值；
将所述差值与该层的含水率的下限值之间的比值作为该层的水分变化率。
4.根据权利要求1所述的确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，在对所述水分变化率取平均值中，进一步包括：对所述水分变化率进行加权取平均，以作为所述平均值。
5.根据权利要求1所述的确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，在根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉中，进一步包括：
如果所述平均值小于或等于第二阈值，则确定需要对所述作物进行灌溉；
将当前日期确定为灌溉日期，以作为所述灌溉参数中的一种。
6.根据权利要求1所述的确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，所述确定土壤的含水率下限值中，还包括，确定土壤的含水率上限值；并且
如果确定需要对所述作物进行灌溉，该方法进一步包括：
针对每一层灌溉层，确定该层的含水率的上限值与实际含水率之间的差值；
根据所述差值和每一层灌溉层的土壤厚度确定该层土壤的单位灌水量；
确定所述灌溉深度所对应的单位灌水量之和；
根据所述单位灌水量之和与所述作物的灌溉面积确定灌溉用水量，以作为所述灌溉参数中的一种。
7.根据权利要求6所述的确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述灌溉用水量和出水量确定灌溉时长，以作为所述灌溉参数中的一种。
8.根据权利要求7所述的确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，所述出水量为泵站出水量；并且该方法包括：利用电磁阀来控制来自所述泵站的出水量，从而确保所述灌溉时长。
9.根据权利要求2所述的确定作物的灌溉参数的方法，其特征在于，所述土壤的含水率下限值大于所述作物的凋萎系数；并且所述第一阈值等于0.05。
10.一种确定作物的灌溉参数的装置，其特征在于，包括：
土壤墒情传感器，用于监测每一层灌溉层中的土壤的含水率值；
控制器，与所述土壤墒情传感器相连，以接收所述含水率值；并且还用于，确定所述作物的灌溉深度并且根据该灌溉深度将所述作物的土壤层划分为至少一层灌溉层；并且所述控制器还用于，针对每一层灌溉层，根据该层土壤的含水率的下限值以及该层土壤的含水率的值确定水分变化率；对所述水分变化率取平均值；以及根据所述平均值确定是否需要对所述作物进行灌溉。
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