CN114651675A - 一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，包括将涡状线式水肥气一体化滴灌装置埋设于种植穴中，选择好需要诱导的作物幼苗；种植时使幼苗的茎干位于种植穴中心，滴灌器进行缓苗滴灌，保证幼苗移栽存活；系统初始值设定，一日内的诱导灌溉策略，一日内的胁迫灌溉策略，在缓苗结束后，便开始进入诱导阶段；横向调控与判定；进行诱导调控与判定等步骤。本发明通过分层滴灌的方法对土壤水肥气进行逐层的横向调控，使水肥液始终位于根尖稍远处，从而诱导根系尽可能横向生长，不仅增加了根系不定根的数量，扩大根系与土壤的接触面积，且减少了稀根、弱根现象，提高了作物抗倒性，使根系充分吸收土壤表层的养料，利于作物生长。

Description

一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术领域，尤其是涉及一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法。
背景技术
根系的横向生长有利于增加根系不定根的数量，扩大根系与土壤的接触面积，由于土壤肥力多分布在表层，诱导根系横向生长能使根系充分吸收土壤表层的养料，提高作物的抗倒性。此外，对于农作物而言，若根系早期抢先纵向发育往往会导致地上部徒长延迟开花结果；反之，若根系横向发育良好，形成根网，则有助于地上部较顺利地向生殖生长转化，利于果树的增收增产。因而，诱导根系横向生长对于一些土壤肥力贫瘠且易受大风等自然灾害的地区的农作物种植具有重大的意义。
传统灌溉技术，水分及肥料灌溉存在时空不均匀性。因此，在根系的生长过程中，一方面由于灌溉的空间不均匀性根系常聚集于一处，相互缠绕形成窝根现象，这导致侧向根系不发达，存在稀根、弱根的问题，制约树苗的健康生长；一方面由于灌溉的时间不均匀性根系产生干旱胁迫而纵向生长，使得根系无法充分吸收土壤表层的养料，不利于果树增收增产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，可以诱导根系尽可能横向生长，增加根系不定根的数量，扩大根系与土壤的接触面积，利于地上部顺利地向生殖生长转化，增收增产。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，包括如下步骤：
S1:设备铺设
将涡状线式水肥气一体化滴灌装置埋设于种植穴中，穴深40-50cm，埋设时，涡状线式滴灌管的几何圆心与种植中心重合且距地表25-30cm；
S2:种植与缓苗
S201：选苗
选择好需要诱导的作物幼苗；若作物根系主根生长较发达，在不影响作物生长的前提下，可适当剪短部分主根，以促进侧根生生长，使后续的根系诱导效果更加明显；
S202：种植
种植时使幼苗的茎干位于种植穴中心，填土时，在垂直方向上应使幼苗的根系少部分扎于滴灌装置下土层土壤，其余部分扎于滴灌装置的上土层土壤；
S203：缓苗
打开滴灌装置的第1圈区、第2圈区的滴灌器进行缓苗滴灌，使作物适应新的土壤环境，促进根系生长，保证幼苗移栽存活；
S3:系统初始值设定
预设根系横向生长土壤最佳含水率C＝50-65％,胁迫含水率C0＝20-40％,诱导调控值kt＝0.8-1.3,胁迫调控值kP＝1-1.5,滴灌修正系数K1＝0.8-1.3,根系密度修正系数K2＝0.9-1.3,诱导系数K3＝0.8-1.2；
设滴灌装置进行诱导灌溉为第R圈区(R依次取2,3,4……)，其诱导灌溉日序为i(i取1，2，3……)
S4：一日内的灌溉决策制定
(1)一日内的诱导灌溉策略：
S401:当EC值大于Nt值时，第R圈区的滴灌器输水阀门开启，输出水肥液进行滴灌，随着水分增加，EC值不断变小，当EC值为0时，该圈区立即结束滴灌；
S402:停止灌溉时，水分流失，EC值随时间不断增大，当EC值再次大于Nt值时，该圈区的滴灌器输水阀门开启，输出清水开始滴灌，当EC值为 0时，该圈区立即结束滴灌；
此时，滴灌器的输气阀门开启，往土壤通入气体20s，改善土壤的通透性使根系更易于横向生长，且防止土壤或根系堵塞滴头；
S403:当EC值再次大于Nt值时，返回执行S1的灌溉策略，依次类推，滴灌装置进行水肥液滴灌-清水滴灌的循环滴灌模式；
其中，Nt为灌溉触发阀值，每次诱导灌溉时触发滴灌器开始滴灌的阀值；其中，kt为诱导调控值，取值0.8-1.3，可调控诱导程度；C0-胁迫含水率，根系发生水分胁迫时的土壤含水率，根据作物特性，一般取20％-40％；
(2)一日内的胁迫灌溉策略：
每当EC值大于Nt值的30min后，所有R-1圈区的滴灌器输出清水开始滴灌，此时EC值不断变小，当EC值小于Np时，该圈区立即结束滴灌；
其中，Np为胁迫灌溉触发阀值，每次胁迫灌溉时滴灌器结束滴灌的值，保证进行胁迫灌溉区域的根系产生一定时间的轻度干旱胁迫效应，尽可能抑制根系向计划外的方向生长，有Np＝kpNt，kp为胁迫调控，取值1-1.5；
S5:进行诱导灌溉
在缓苗结束后，便开始进入诱导阶段，滴灌装置的第R圈区每天执行诱导灌溉策略，所有R-1圈区每天执行胁迫灌溉策略；
S6:系统输入获取
滴灌装置的土壤探针每天实时获取对应位点的土壤含水率，取第R圈区滴灌器各位点含水率的平均值作为该圈区当前的土壤含水率E；
计算最佳含水率C与当前土壤含水率E的动态差值EC，EC＝C-E；
获取EC值每次大于Nt的时间间隔
Figure BDA0003566247470000041
即进行诱导灌溉的滴灌器阀门每次开启的时间间隔；
Figure BDA0003566247470000042
实际上为第i天第k次诱导灌溉后的湿点时长，即当天每次诱导灌溉后湿土持续时长；
S7:横向调控与判定
由下式算出第i天的平均湿点时长
Figure BDA0003566247470000043
Figure BDA0003566247470000044
其中，n为当天灌溉次数
由下式计算得第i天的湿点时长偏差θi
Figure BDA0003566247470000045
由下式计算得横向调控判定因子ei
ei＝K1K2K3θi
其中，K1为滴灌修正系数，考虑连续滴灌对土壤环境及滴头的影响，一般0.8≤K1≤1.3；K2为根系密度修正系数，考虑根系生长情况对根系吸水的影响，一般0.9≤K2≤1.3；K3为诱导系数，考虑外界环境如光照强度对土壤水分蒸发的影响，一般0.8≤K3≤1.2；
以第R圈区的灌溉日序i为横坐标，横向调控判定因子ei为纵坐标建立直角坐标系，得调控判定点坐标(i，ei)，即每一个诱导灌溉日结束可得一个调控判定点；
由下列公式可算得横向调控判定值ke，
Figure BDA0003566247470000051
其中，ui为i的均值，
Figure BDA0003566247470000052
为ei的均值，n为灌溉天数
由下列公式可算得调控可靠性评价值re，
Figure BDA0003566247470000053
其中ui为i的均值，
Figure BDA0003566247470000054
为ei的均值，δi为i的标准差，
Figure BDA0003566247470000055
为ei的标准差，N为当天的灌溉总天数；
S8:进行诱导调控与判定
当诱导灌溉日序i≥4时，系统每天在灌溉结束后进行调控判定：
若当天的ke≤0，则说明诱导力度不大，胁迫调控值kp减小5％，诱导调控值kt增大5％，增强诱导效果；
若当天的ke>0且re∈(a，b)，则说明诱导点附近根系吸水逐天增加且具备一定的可靠性，此时判定根系密度已达诱导期望，该圈区的根系横向生长诱导成功，该圈区的滴灌器结束诱导灌溉；i置为1，置R＝R+1，即下一圈区的滴灌器开始进一步诱导根系横向生长，系统返回S5，重复执行 S5-S7的灌溉策略，依次类推，直至根系横向生长到达预定目标时，结束诱导灌；
其中，(a，b)是可靠域，结合作物根系生长特性及诱导经验取值，一般取0.3≤a≤0.5，0.5≤b≤0.7；
当诱导灌溉日序i≥12，若ke≤0或
Figure BDA0003566247470000056
则判定第R圈区根系密度未达诱导期望，检查作物地上部分的生长情况，进行下一步判断：
若作物生长良好，i置为0，R＝R+1，胁迫调控值kp减小5％，诱导调控值 kt增大5％，增强诱导效果；返回S5，重复执行S5-S7的灌溉策略，依次类推，直至根系横向生长到达预定目标时，系统结束诱导灌溉；
若作物生长不良，则放弃该植株的根系横向诱导，结束诱导。
进一步地，S203中，缓苗时间3-5天，此阶段要求灌溉要灌透，灌溉时应保证土壤的最佳含水率C大于90％。
进一步地，S403中，所述水肥液由水肥一体化机按每100kg水加入吲哚丁酸0.2g,萘乙酸0.3g，植物生长调节剂1g，磷肥0.8g，高速搅拌30min 配制而成后运输至滴灌装置。
进一步地，所述植物生长调节剂包括萘乙酸生长素、α-萘乙酰基硫脲类化合物和6-苄氨基嘌呤，三者质量比为1:1:0.2。
进一步地，S5中，在开始阶段，R为初始值2，即在滴灌装置的第2圈区每天执行诱导灌溉，第1圈区每天执行胁迫灌溉。
进一步地，S1中，所述涡状线式水肥气一体化滴灌装置包括涡状线式滴灌管和涡状线式气管，所述涡状线式气管与所述涡状线式滴灌管并列设置且所述涡状线式气管和所述涡状线式滴灌管固定连接。
进一步地，所述涡状线式滴灌管呈螺旋形布置，所述涡状线式滴灌管的几何圆心与种植中心重合。
进一步地，所述涡状线式滴灌管的侧壁上设有若干滴灌孔，所述涡状线式气管的侧壁上设有若干气孔，所述滴灌孔上固定有滴灌器，所述滴灌器分别与所述滴灌孔和所述气孔连接。
进一步地，所述滴灌器包括流量控制阀和土壤探针，所述流量控制阀与所述滴灌孔连接，所述土壤探针固定在所述流量控制阀的底部，所述土壤探针与控制模块连接。
进一步地，所述涡状线式水肥气一体化滴灌装置具有清水灌溉模式、水肥液灌溉模式、气体灌溉模式和水肥气灌溉模式四种灌溉模式。
本发明的技术方案通过分层滴灌的方法对土壤水肥气进行逐层的横向调控，使水肥液始终位于根尖稍远处，从而诱导根系尽可能横向生长，不仅增加了根系不定根的数量，扩大根系与土壤的接触面积，且减少了稀根、弱根现象，提高了作物抗倒性，使根系充分吸收土壤表层的养料，利于作物生长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的灌溉方法流程图；
图2为本发明实施例涡状线式水肥气一体化滴灌装置的结构示意图；
图3为本发明实施例滴灌器的结构示意图；
图中，1、进水管；2、过滤器；3、涡状线式滴灌管；4、滴灌器；5、气孔；6、滴灌孔；7、压力导气阀；8、进气管；9、涡状线式气管；10、密封水口堵头；11、密封气口堵头；12、毛管；13、滴头；14、滴箭；15、导气管；16、流量控制阀；17、土壤探针。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、" 水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、 "第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，包括如下步骤：
S1:设备铺设
将涡状线式水肥气一体化滴灌装置埋设于种植穴中，穴深40-50cm，埋设时，涡状线式滴灌管的几何圆心与种植中心重合且距地表25-30cm左右。埋设完毕后，安装其他灌溉灌所需的配套设备并进行调试。
S2:种植与缓苗
1)选苗。选择好需要诱导的作物幼苗。若作物根系主根生长较发达，在不影响作物生长的前提下，可适当剪短部分主根，以促进侧根生生长，使后续的根系诱导效果更加明显。
2)种植。种植时使幼苗的茎干位于种植穴中心，填土时，在垂直方向上应使幼苗的根系少部分扎于滴灌装置下土层土壤，其余部分扎于滴灌装置的上土层土壤。所填土壤，需通过碾压处理达到土质疏松效果，使根系易于横向生长，不易于纵向生长。
3)缓苗。打开滴灌装置的第1圈区、第2圈区的滴灌器进行缓苗滴灌，使作物适应新的土壤环境，促进根系生长，保证幼苗移栽存活。缓苗时间 3-5天，此阶段要求灌溉要灌透，灌溉时应保证土壤的最佳含水率C大于 90％。
S3:系统初始值设定
进一步的，预设根系横向生长土壤最佳含水率C＝50-65％,胁迫含水率 C0＝20-40％,诱导调控值kt＝0.8-1.3,胁迫调控值kP＝1-1.5,滴灌修正系数 K1＝0.8-1.3,根系密度修正系数K2＝0.9-1.3,诱导系数K3＝0.8-1.2。
进一步的，设滴灌装置进行诱导灌溉为第R圈区(R依次取2,3,4……)，其诱导灌溉日序为i(i取1，2，3……)
S4：一日内的灌溉决策制定
(1)一日内的诱导灌溉策略：
S1:当EC值大于Nt值时，第R圈区的滴灌器输水阀门开启，输出水肥液进行滴灌，随着水分增加，EC值不断变小，当EC值为0时，该圈区立即结束滴灌。
S2:停止灌溉时，水分流失，EC值随时间不断增大，当EC值再次大于Nt值时，该圈区的滴灌器输水阀门开启，输出清水开始滴灌，当EC值为0时，该圈区立即结束滴灌。
此时，滴灌器的输气阀门开启，往土壤通入气体20s，改善土壤的通透性使根系更易于横向生长，且防止土壤或根系堵塞滴头。
S3:当EC值再次大于Nt值时，返回执行S1的灌溉策略，依次类推，滴灌装置进行水肥液滴灌-清水滴灌的循环滴灌模式。
其中，Nt为灌溉触发阀值，每次诱导灌溉时触发滴灌器开始滴灌的阀值。有Nt＝kt(C-C0)，其中，kt为诱导调控值，取值0.8-1.3，可调控诱导程度。 C0-胁迫含水率，根系发生水分胁迫时的土壤含水率，根据作物特性，一般取20％-40％
所述水肥液，由水肥一体化机按每100kg水加入吲哚丁酸0.2g,萘乙酸 0.3g，植物生长调节剂1g，磷肥0.8g，高速搅拌30min配制而成后运输至滴灌装置。所述植物生长调节剂包括萘乙酸生长素、α-萘乙酰基硫脲类化合物和6-苄氨基嘌呤，三者质量比为1:1:0.2。
(2)一日内的胁迫灌溉策略：
每当EC值大于Nt值的30min后，所有R-1圈区的滴灌器输出清水开始滴灌，此时EC值不断变小，当EC值小于Np时，该圈区立即结束滴灌。
其中，Np为胁迫灌溉触发阀值，每次胁迫灌溉时滴灌器结束滴灌的值，保证进行胁迫灌溉区域的根系产生一定时间的轻度干旱胁迫效应，尽可能抑制根系向计划外的方向生长，有Np＝kpNt，kp为胁迫调控，取值1-1.5。
S5:进行诱导灌溉
进一步的，在缓苗结束后，便开始进入诱导阶段，滴灌装置的第R圈区每天执行诱导灌溉策略，所有R-1圈区每天执行胁迫灌溉策略。
需注意的是，在开始阶段，R为初始值2，也就是说，在滴灌装置的第 2圈区每天执行诱导灌溉，第1圈区每天执行胁迫灌溉。
S6:系统输入获取
进一步的，滴灌装置的土壤探针每天实时获取对应位点的土壤含水率，取第R圈区滴灌器各位点含水率的平均值作为该圈区当前的土壤含水率E。
进一步的，算出最佳含水率C与当前土壤含水率E的动态差值EC， EC＝C-E。
进一步的，获取EC值每次大于Nt的时间间隔
Figure BDA0003566247470000111
(即进行诱导灌溉的滴灌器阀门每次开启的时间间隔)。
Figure BDA0003566247470000112
实际上为第i天第k次诱导灌溉后的湿点时长(即当天每次诱导灌溉后湿土持续时长)。
S7:横向调控与判定
进一步的，由下式算出第i天的平均湿点时长
Figure BDA0003566247470000113
Figure BDA0003566247470000114
其中，n为当天灌溉次数
进一步的，由下式计算得第i天的湿点时长偏差θi
Figure BDA0003566247470000115
进一步的，由下式计算得横向调控判定因子ei
ei＝K1K2K3θi
其中，K1为滴灌修正系数，考虑连续滴灌对土壤环境及滴头的影响，一般0.8≤K1≤1.3；K2为根系密度修正系数，考虑根系生长情况对根系吸水的影响，一般0.9≤K2≤1.3；K3为诱导系数，考虑外界环境(如光照强度) 对土壤水分蒸发的影响，一般0.8≤K3≤1.2。
进一步的，以第R圈区的灌溉日序i为横坐标，横向调控判定因子ei为纵坐标建立直角坐标系，得调控判定点坐标(i，ei)，即每一个诱导灌溉日结束可得一个调控判定点。
进一步的，由下列公式可算得横向调控判定值ke，
Figure BDA0003566247470000121
其中，ui为i的均值，
Figure BDA0003566247470000122
为ei的均值，n为灌溉天数
进一步的，由下列公式可算得调控可靠性评价值re，
Figure BDA0003566247470000123
其中ui为i的均值，
Figure BDA0003566247470000124
为ei的均值，δi为i的标准差，
Figure BDA0003566247470000125
为ei的标准差，N为当天的灌溉总天数
S8:进行诱导调控与判定
进一步的，当诱导灌溉日序i≥4时，系统每天在灌溉结束后进行调控判定：
①若当天的ke≤0，则说明诱导力度不大，进一步的，胁迫调控值kp减小5％，诱导调控值kt增大5％，增强诱导效果。
②若当天的ke>0且re∈(a，b)，则说明诱导点附近根系吸水逐天增加且具备一定的可靠性，此时判定根系密度已达诱导期望，该圈区的根系横向生长诱导成功，该圈区的滴灌器结束诱导灌溉。进一步的，i置为1，置R＝R+1(即下一圈区的滴灌器开始进一步诱导根系横向生长)，系统返回S5，重复执行S5-S7的灌溉策略，依次类推，直至根系横向生长到达预定目标时，结束诱导灌。
其中，(a，b)是可靠域，结合作物根系生长特性及诱导经验取值，一般取0.3≤a≤0.5，0.5≤b≤0.7。
③当诱导灌溉日序i≥12，若ke≤0或
Figure BDA0003566247470000131
则判定第R圈区根系密度未达诱导期望，进一步的，检查作物地上部分的生长情况，进行下一步判断：
若作物生长良好，i置为0，R＝R+1，进一步的，胁迫调控值kp减小5％，诱导调控值kt增大5％，增强诱导效果。进一步的，返回S5，重复执行S5-S7 的灌溉策略，依次类推，直至根系横向生长到达预定目标时，系统结束诱导灌溉。
若作物生长不良，则放弃该植株的根系横向诱导，结束诱导。
上述实施例中，所涉及技术名词含义汇总与说明
E-当前含水率，灌溉位点土壤当前含水率，由土壤探针获取。
C-最佳含水率，根系横向生长土壤最佳含水率，取值由种植作物、土壤环境决定，一般取50-65％。
EC-最佳含水率与当前含水率的动态差值，显然，当灌溉时EC值随时间不断减小，当停止灌溉时EC值随时间不断增大。
R-进行诱导灌溉的滴灌管的圈序，从里到外排序，依次为第1圈区、第2圈区…………第R圈区。
i-第R圈区的诱导灌溉日序，表示第R圈区的第i天灌溉，i取非负整数,i＝0优指第R-1圈区灌溉的最后一天。
Nt-灌溉触发阀值，每次诱导灌溉时触发滴灌器开始滴灌的阀值。有 Nt＝kt(C-C0)，其中，kt为诱导调控值，取值0.8-1.3，可调控诱导程度。 C0-胁迫含水率，根系发生水分胁迫时的土壤含水率，根据作物特性，一般取20％-40％。
Np-胁迫灌溉触发阀值，每次胁迫灌溉时滴灌器结束滴灌的值，保证进行胁迫灌溉区域的根系产生一定时间的轻度干旱胁迫效应，尽可能抑制根系向计划外的方向生长，有Np＝kpNt，kp为胁迫调控，取值1-1.5。
Figure BDA0003566247470000141
-第i天第k次诱导灌溉后的湿点时长，即当天每次诱导灌溉后滴灌点湿土持续时长。这里
Figure BDA0003566247470000142
取进行诱导灌溉的滴灌器阀门每次开启的时间间隔。
Figure BDA0003566247470000143
-第i天的平均湿点时长，有
Figure BDA0003566247470000144
其中，n为当天灌溉次数。
θi-第i天的湿点时长偏差，由
Figure BDA0003566247470000145
计算得。
ei-横向调控判定因子，由ei＝K1K2K3θi计算得，其中K1为滴灌修正系数，考虑连续滴灌对土壤环境及滴头的影响，一般0.8≤K1≤1.3；K2为根系密度修正系数，考虑根系生长情况对根系吸水的影响，一般 0.9≤K2≤1.3；K3为诱导系数，考虑外界环境(如光照强度)对土壤水分蒸发的影响，一般0.8≤K3≤1.2。以第R圈区的灌溉日序i为横坐标，横向调控判定因子ei为纵坐标建立直角坐标系，则可得对应的判定点坐标 (i，ei)。
ke-横向调控判定值，用于判断圈区根系的吸水量是否逐天递增，其值由下列公式算得
Figure BDA0003566247470000151
其中，ui为i的均值，
Figure BDA0003566247470000152
为ei的均值
re-调控可靠性评价值，用于判断根系的吸水量逐天递增的可靠性，其值由下列公式算得
Figure BDA0003566247470000153
其中
ui为i的均值，
Figure BDA0003566247470000154
为ei的均值，δi为i的标准差，
Figure BDA0003566247470000155
为ei的标准差，N 为当天的灌溉总天数。
上述实施例中，所采用的涡状线式水肥气一体化滴灌装置，如图2和图3所示，本发明涡状线式水肥气一体化滴灌装置，包括进水管1、进气管 5、涡状线式滴灌管3和涡状线式气管9，进水管1与水肥一体化机连接，进气管8与微纳米气泡发生器连接。进气管8和进水管1的前端之间设有压力导气阀7，压力导气阀7包括压力气阀，压力导气阀7的进气口与进气管8的侧边出气口连接，压力导气阀7的出气口与进水管1侧壁上的进气孔连接。
涡状线式滴灌管3的管壁包括内壁和外壁，内壁和外壁为一体结构，外壁的外侧设有一层亲水保护膜。涡状线式滴灌管3的前端通过过滤器2 与进水管1连接，涡状线式滴灌管3的末端通过密封水口堵头10密封封闭。
涡状线式气管9的前端与进气管8连接，涡状线式气管9的末端通过密封气口堵头11密封封闭，涡状线式气管9与涡状线式滴灌管3并列设置且涡状线式气管9和涡状线式滴灌管3固定连接；
涡状线式气管9和涡状线式滴灌管3的形状以等距涡状线做为管道轨迹，涡状线式气管9的管道轨迹与涡状线式滴灌管3的管道轨迹平行且等距，涡状线式气管9固接于涡状线式滴灌管3的正上方。
涡状线式滴灌管3的侧壁上设有若干滴灌孔6，涡状线式气管9的侧壁上设有若干气孔5，气孔5的数量与滴灌孔6的数量相同，且气孔5与滴灌孔6一一对应设置。滴灌孔6上固定有滴灌器4，滴灌器4分别与滴灌孔6 和气孔5连接。
滴灌器4包括流量控制阀16和土壤探针17，流量控制阀16与滴灌孔 6连接，流量控制阀16的顶部连接有导气管15，导气管15与气孔5连接，流量控制阀16通过毛管12与滴头13连接，滴头13的出水端设有滴箭14，滴箭14的出水箭头为单头箭头或双头箭头或四头箭头。土壤探针17固定在流量控制阀16的底部，土壤探针16与控制模块连接。
本发明进水管1的进水口连接水肥一体化机，出水口连接过滤器2，进水管1侧壁上的进气孔连接压力导气阀7。进水管1的功能是将水肥一体化机的水肥液输送至过滤器2；并将进气管8中的微纳米气泡经压力导气阀7 输送至进水管1内，使部分气体溶解入水肥液，并促使水肥液进一步混合，防止水肥液在管道运输中产生沉淀。本发明所采用的水肥一体化机，其功能是为本装置提供作物所需的水肥液。
本发明的过滤器的进水口与进水管1连接，过滤器2的出水口与涡状线式滴灌管3的进水口连接。其功能是进一步过滤掉水肥液中的杂质和沉淀。
本发明的涡状线式滴灌管3的进水口与过滤器2的出水口连接，密封水口位于末端，被密封水口堵头10堵死密封。密封水口堵头10当涡状线式滴灌管3工作时，具有密封作用，当涡状线式滴灌管3维护清洁时可拆卸下来，使高压水流清洗涡状线式滴灌管管道内壁后从密封水口流出。
涡状线式滴灌管3的管道内径根据所灌溉作物的滴灌流量要求进行设计和选择。涡状线式滴灌管3的管体由内壁和外壁组成，内壁尽量光滑，防止沉淀产生，造成堵塞；外壁围有一层亲水保护膜，其作用是保护管体，且使滴灌的水肥液更长时间留在管体周围，减小水肥液的在土壤的渗透速率。涡状线式滴灌管3的正上方固接有涡状线式气管9。涡状线式滴灌管3 的管体上开设有若干个滴灌孔6，滴灌孔6的特征包括孔的数量、大小及位置，其数量和分布位置根据作物根系的根系生长特性(包括、根系分布特征、根系密度、根长密度、根系生长速度等)等进行设计，孔的大小根据滴灌流量要求、根系密度等进行选择。滴灌孔6与滴灌器4的进水口连接，将涡状线式滴灌管3的水肥液运输至滴灌器4。
涡状线式滴灌管3的管道形状是以等距涡状线做为管道轨迹；等距涡状线，其特征包括涡状线的基圆半径、螺距、圈数。所述涡状线的螺距、圈数是根据作物根系的生长特性及养分需求特性等进行设计和选择，涡状线的基圆半径根据幼苗根盘大小进行设计，要求基圆大于幼苗根盘。
本发明涡状线式气管9的进气口与进气管8的出气口连接，密封气口位于末端被密封气口堵头11堵死密封。涡状线式气管9的管道内径根据所灌溉作物所需的气体量和气压等要求进行设计和选择。涡状线式气管9管体的管道轨迹与涡状线式滴灌管3的管道轨迹平行且等距，保持管体固接于涡状线式滴灌管3的正上方。涡状线式气管9的管体上开设有若干个气孔5，气孔5的特征包括孔的数量、大小及位置，其数量与分布位置由滴灌孔6决定，即每个滴灌孔6的正上方开设有对应的气孔5，孔的大小根据所灌溉作物所需的气体量和气压等进行选择。气孔5与滴灌器4的进气口连接，将涡状线式气管9的气体运输至滴灌器4。
本发明压力导气阀7的进气口与进气管8的侧边出气口连接，出气口与进水管1的进气孔连接，力导气阀7的压力气阀当进气口的气体到达一定压力时会单向打通，使气体进入进水管1，且防止进水管的水肥液回流进入进气管8。
进气管8的进气口与微纳米气泡发生器连接，侧边出气口与压力导气阀7的进气口连接，出气口与涡状线式气管9的进气口连接。
滴灌器4在每组气孔和滴灌孔对应有一个滴灌器4，滴灌器4的导气管的进气口与气孔5连接，导气管的出气口与流量控制阀16的进气口连接。毛管12与滴头13连接，最终将水肥气送至作物根区。滴头13出水口与滴箭14的进水口连接进行滴灌。滴箭14进水口与滴头13出水口连接，出水箭头则根据根系特性选择单头箭头、双头箭头、四头箭头，其作用是将水肥液均匀稳定送至根区。
土壤探针17与阀门装置的控制模块连接，可以收集土壤温湿度、PH值等土壤信息，并将信息通过无线传输反馈回智能控制系统。
流量控制阀16与滴灌孔6连接，使水肥液进入流量控制阀16，水肥液从流量控制阀16经出水毛管12流到滴头13；流量控制阀16的进气口与导气管15的出气口连接，使气体进入流量控制阀16的进气口，从而使气体进入滴头13。
流量控制阀16由水阀、气阀及控制模块组成。工作时，水肥液或水肥气从进水口经水阀流至出水口，气体则从进气口经气阀流至出水口，两者都从出水口经毛管12流至滴头13。所述控制模块其能接收智能控制系统的控制信号，从而执行灌溉决策。具体表现为:控制阀门的开关来控制水肥气的灌溉与否，控制开关开合大小来控制滴灌流量，控制开关的开合时间来控制滴灌时长。
本发明单个滴灌器4便可实现水、气、水肥液、水肥气四种滴灌方案的灵活切换。从而，通过控制本发明装置的全部滴灌器进行多点滴灌，便可实现土壤不同位点的水肥气调控，使滴灌更加高效灵活、贴合作物的营养需求。值得一提的是，当滴灌结束后，往滴头13通入有一起压强的气体，既能改善土壤环境(如通透性)又能防止土壤或根系堵塞滴头。
本发明一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，通过分层滴灌的方法对土壤水肥气进行逐层的横向调控，使水肥液始终位于根尖稍远处，从而诱导根系尽可能横向生长，不仅增加了根系不定根的数量，扩大根系与土壤的接触面积，且减少了稀根、弱根现象，提高了作物抗倒性，使根系充分吸收土壤表层的养料，利于作物生长。此外，诱导结束后，滴灌装置可用于后续的灌溉需求，高效节水。本发明适用于大田作物或根系较细的木本作物，而后期根系较粗的作物易破坏滴灌装置。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:设备铺设
将涡状线式水肥气一体化滴灌装置埋设于种植穴中，穴深40-50cm，埋设时，涡状线式滴灌管的几何圆心与种植中心重合且距地表25-30cm；
S2:种植与缓苗
S201：选苗
选择好需要诱导的作物幼苗；若作物根系主根生长较发达，在不影响作物生长的前提下，可适当剪短部分主根，以促进侧根生生长，使后续的根系诱导效果更加明显；
S202：种植
种植时使幼苗的茎干位于种植穴中心，填土时，在垂直方向上应使幼苗的根系少部分扎于滴灌装置下土层土壤，其余部分扎于滴灌装置的上土层土壤；
S203：缓苗
打开滴灌装置的第1圈区、第2圈区的滴灌器进行缓苗滴灌，使作物适应新的土壤环境，促进根系生长，保证幼苗移栽存活；
S3:系统初始值设定
预设根系横向生长土壤最佳含水率C＝50-65％,胁迫含水率C0＝20-40％,诱导调控值kt＝0.8-1.3,胁迫调控值kP＝1-1.5,滴灌修正系数K1＝0.8-1.3,根系密度修正系数K2＝0.9-1.3,诱导系数K3＝0.8-1.2；
设滴灌装置进行诱导灌溉为第R圈区(R依次取2,3,4……)，其诱导灌溉日序为i(i取1，2，3……)
S4：一日内的灌溉决策制定
(1)一日内的诱导灌溉策略：
S401:当EC值大于Nt值时，第R圈区的滴灌器输水阀门开启，输出水肥液进行滴灌，随着水分增加，EC值不断变小，当EC值为0时，该圈区立即结束滴灌；
S402:停止灌溉时，水分流失，EC值随时间不断增大，当EC值再次大于Nt值时，该圈区的滴灌器输水阀门开启，输出清水开始滴灌，当EC值为0时，该圈区立即结束滴灌；
此时，滴灌器的输气阀门开启，往土壤通入气体20s，改善土壤的通透性使根系更易于横向生长，且防止土壤或根系堵塞滴头；
S403:当EC值再次大于Nt值时，返回执行S1的灌溉策略，依次类推，滴灌装置进行水肥液滴灌-清水滴灌的循环滴灌模式；
其中，Nt为灌溉触发阀值，每次诱导灌溉时触发滴灌器开始滴灌的阀值；其中，kt为诱导调控值，取值0.8-1.3，可调控诱导程度；C0-胁迫含水率，根系发生水分胁迫时的土壤含水率，根据作物特性，一般取20％-40％；
(2)一日内的胁迫灌溉策略：
每当EC值大于Nt值的30min后，所有R-1圈区的滴灌器输出清水开始滴灌，此时EC值不断变小，当EC值小于Np时，该圈区立即结束滴灌；
其中，Np为胁迫灌溉触发阀值，每次胁迫灌溉时滴灌器结束滴灌的值，保证进行胁迫灌溉区域的根系产生一定时间的轻度干旱胁迫效应，尽可能抑制根系向计划外的方向生长，有Np＝kpNt，kp为胁迫调控，取值1-1.5；
S5:进行诱导灌溉
在缓苗结束后，便开始进入诱导阶段，滴灌装置的第R圈区每天执行诱导灌溉策略，所有R-1圈区每天执行胁迫灌溉策略；
S6:系统输入获取
滴灌装置的土壤探针每天实时获取对应位点的土壤含水率，取第R圈区滴灌器各位点含水率的平均值作为该圈区当前的土壤含水率E；
计算最佳含水率C与当前土壤含水率E的动态差值EC，EC＝C-E；
获取EC值每次大于Nt的时间间隔
Figure FDA0003566247460000031
即进行诱导灌溉的滴灌器阀门每次开启的时间间隔；
Figure FDA0003566247460000032
实际上为第i天第k次诱导灌溉后的湿点时长，即当天每次诱导灌溉后湿土持续时长；
S7:横向调控与判定
由下式算出第i天的平均湿点时长
Figure FDA0003566247460000033
Figure FDA0003566247460000034
其中，n为当天灌溉次数
由下式计算得第i天的湿点时长偏差θi
Figure FDA0003566247460000035
由下式计算得横向调控判定因子ei
ei＝K1K2K3θi
其中，K1为滴灌修正系数，考虑连续滴灌对土壤环境及滴头的的影响，一般0.8≤K1≤1.3；K2为根系密度修正系数，考虑根系生长情况对根系吸水的影响，一般0.9≤K2≤1.3；K3为诱导系数，考虑外界环境如光照强度对土壤水分蒸发的影响，一般0.8≤K3≤1.2；
以第R圈区的灌溉日序i为横坐标，横向调控判定因子ei为纵坐标建立直角坐标系，得调控判定点坐标(i，ei)，即每一个诱导灌溉日结束可得一个调控判定点；
由下列公式可算得横向调控判定值ke，
Figure FDA0003566247460000041
其中，ui为i的均值，
Figure FDA0003566247460000045
为ei的均值，n为灌溉天数
由下列公式可算得调控可靠性评价值re，
Figure FDA0003566247460000042
其中ui为i的均值，
Figure FDA0003566247460000043
为ei的均值，δi为i的标准差，
Figure FDA0003566247460000044
为ei的标准差，N为当天的灌溉总天数；
S8:进行诱导调控与判定
当诱导灌溉日序i≥4时，系统每天在灌溉结束后进行调控判定：
若当天的ke≤0，则说明诱导力度不大，胁迫调控值kp减小5％，诱导调控值kt增大5％，增强诱导效果；
若当天的ke＞0且re∈(a，b)，则说明诱导点附近根系吸水逐天增加且具备一定的可靠性，此时判定根系密度已达诱导期望，该圈区的根系横向生长诱导成功，该圈区的滴灌器结束诱导灌溉；i置为1，置R＝R+1，即下一圈区的滴灌器开始进一步诱导根系横向生长，系统返回S5，重复执行S5-S7的灌溉策略，依次类推，直至根系横向生长到达预定目标时，结束诱导灌；
其中，(a，b)是可靠域，结合作物根系生长特性及诱导经验取值，一般取0.3≤a≤0.5，0.5≤b≤0.7；
当诱导灌溉日序i≥12，若ke≤0或
Figure FDA0003566247460000051
则判定第R圈区根系密度未达诱导期望，检查作物地上部分的生长情况，进行下一步判断：
若作物生长良好，i置为0，R＝R+1，胁迫调控值kp减小5％，诱导调控值kt增大5％，增强诱导效果；返回S5，重复执行S5-S7的灌溉策略，依次类推，直至根系横向生长到达预定目标时，系统结束诱导灌溉；
若作物生长不良，则放弃该植株的根系横向诱导，结束诱导。
2.根据权利要求1所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，S203中，缓苗时间3-5天，此阶段要求灌溉要灌透，灌溉时应保证土壤的最佳含水率C大于90％。
3.根据权利要求1所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，S403中，所述水肥液由水肥一体化机按每100kg水加入吲哚丁酸0.2g,萘乙酸0.3g，植物生长调节剂1g，磷肥0.8g，高速搅拌30min配制而成后运输至滴灌装置。
4.根据权利要求3所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，所述植物生长调节剂包括萘乙酸生长素、α-萘乙酰基硫脲类化合物和6-苄氨基嘌呤，三者质量比为1:1:0.2。
5.根据权利要求1所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，S5中，在开始阶段，R为初始值2，即在滴灌装置的第2圈区每天执行诱导灌溉，第1圈区每天执行胁迫灌溉。
6.根据权利要求1所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，S1中，所述涡状线式水肥气一体化滴灌装置包括涡状线式滴灌管和涡状线式气管，所述涡状线式气管与所述涡状线式滴灌管并列设置且所述涡状线式气管和所述涡状线式滴灌管固定连接。
7.根据权利要求6所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，所述涡状线式滴灌管呈螺旋形布置，所述涡状线式滴灌管的几何圆心与种植中心重合。
8.根据权利要求6所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，所述涡状线式滴灌管的侧壁上设有若干滴灌孔，所述涡状线式气管的侧壁上设有若干气孔，所述滴灌孔上固定有滴灌器，所述滴灌器分别与所述滴灌孔和所述气孔连接。
9.根据权利要求8所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，所述滴灌器包括流量控制阀和土壤探针，所述流量控制阀与所述滴灌孔连接，所述土壤探针固定在所述流量控制阀的底部，所述土壤探针与控制模块连接。
10.根据权利要求6所述的大田中诱导根系横向生长的灌溉方法，其特征在于，所述涡状线式水肥气一体化滴灌装置具有清水灌溉模式、水肥液灌溉模式、气体灌溉模式和水肥气灌溉模式四种灌溉模式。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Zheng Jiapeng

Inventor after: Liang Zhongwei

Inventor after: Xiao Jinrui

Inventor after: He Peng

Inventor after: Ye Yu

Inventor after: Hu Bin

Inventor before: Liu Xiaochu

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