CN114698540B - 一种基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，基于湿点时长偏差对根系几天内的吃水量进行判段，进而进行土壤水肥气垂向调控判定，使水肥液始终位于根尖稍远处，利用根系的向水肥性原理及胁迫效应，诱导根系逐步向下生长。这减少了密植时株间根系缠绕抢夺养分，增加了根系与土壤的接触面积，使根系充分吸收深层土壤的水分，从而提高作物的抗涝、抗旱、抗风能力，利于农作物的稳收稳产、增收增产。诱导结束后，滴灌装置可用于后续的灌溉需求，能对作物根系进行分层且可控流量的定点定区滴灌，能满足不同根区的养分需求且高效节水。
Description
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术领域，尤其是涉及一种基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法。
背景技术
作物根系向地下越扎得深，四周分布的呼吸根和吸收根就越多，吸收土壤中的养分就越多，营养循环也越旺盛，枝条、叶片、树势也就越强壮。传统灌溉技术水分及肥料灌溉存在不均匀性，在根系的生长过程中，侧根多水平分布在较浅的土层，由于灌溉不均匀性根系常聚集于一处，当作物密植时容易抢夺邻株的营养，这不利于根系吸收养分，使得养分吸收效率不高，作物生长缓慢。因此在根系生长期，使根系尽量向下生长，能减少株间缠绕争夺养分，利于作物生长。
我国东南沿海地区全年雨水充足，地表种植层的水分足以支撑植物生命周期，导致一些作物根系常浮于表面，根系横向发展过多，无法向下深扎，而汛期雨水下渗速率慢，大田出现大面积积水，使得作物根系长时间浸泡在雨水当中，出现烂根、死根现象，甚至出现作物死亡的情况，影响收成。而华北地区降雨量少，且存在典型的季节性干旱特点，当根系横向发展过多，无法向下深扎时，由于蒸发强烈土壤表层水分缺失，往往造成作物缺少水分而影响生长发育。此外，大风也常造成大田作物风折、倒伏等严重危害，这与一些作物抗风能力薄弱有关，大田作物在栽种时留有空间较小且多为表面灌溉，这使得根系为争夺养分无法扎到更深的土壤内，根系与土壤接触面积较小，抗风能力差，当大风来临时，往往造成收成不佳。因而，根系的向下生长能提高大田作物的抗涝、抗旱、抗风能力，对于农作物的稳收稳产、增收增产都具有重大的意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，在根系生长期，诱导根系尽可能向下生长，减少株间根系缠绕，解决大田作物密植时抢夺邻株的营养，使得根系养分吸收效率不高的问题。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，包括如下步骤：
S1:设备铺设
将螺旋式水肥气一体化滴灌装置埋设于种植穴中，穴深50-80cm，埋设时，螺旋式滴灌管的几何圆心与种植中心重合且第1个滴灌器距地表5cm；
S2:种植与缓苗
S201，选苗
选择需要诱导的作物幼苗，若作物根系侧根生长较发达，在不影响作物生长的前提下，适当剪短部分侧根，以促进主根生生长，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，在垂直方向上应保证作物的根盘全部扎于第1个滴灌器下面土壤的不远处；
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:初始设定
S301，目标值设定
根系向下生长土壤最佳含水率C＝50-70％；
S302，调控设定
诱导调控值kt＝0.8-1.3；胁迫调控值kP＝1-1.5；胁迫含水率C0＝10-30％；
S303，影响系数设定：
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；
S304，可靠域设定
a＝0.3-0.5；b＝0.5-0.7；
S305，滴灌层划分
将作物地下进行垂向分层，划分滴灌层，每层厚10cm，从上往下依次为第1滴灌层、第2滴灌层、第3滴灌层……，每层滴灌层对应一圈螺旋式滴灌管；
S4：灌溉决策执行
在缓苗结束后，根系进入生长期，此时开始进入诱导阶段，第R滴灌层每天执行诱导灌溉策略，所有第R滴灌层以上的滴灌层每天执行的胁迫灌溉策略；设第R滴灌层的诱导灌溉日序为i，i依次取1，2，3……随诱导灌溉天数变化；需注意的是，首次诱导灌溉，R取初始值2，即在首次诱导灌溉时，第2滴灌层每天执行诱导灌溉策略，第1圈区每天执行胁迫灌溉策略；
S5:当前土壤含水率获取
土壤探针每天实时获取每层滴灌层的当前土壤含水率，土壤含水率取该滴灌层土壤探针所测得土壤含水率的平均值，记第R滴灌层的当前土壤含水率为E；
S6:湿点时长获取
当天由第R滴灌层的当前土壤含水率为E，算出最佳含水率C与当前土壤含水率E随时间变化的动态差值EC，EC＝C-E；由传感器获取EC值每次大于Nt的时间间隔即进行诱导灌溉的滴灌器阀门每次开启的时间间隔，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；
由下式算出当天(即为第i天)的平均湿点时长
其中，n为当天灌溉次数；
S7:湿点时长偏差计算
由下式计算得第i天的湿点时长偏差θi
S8:根系吃水量判定
由下式计算得当天的根系吃水量判定因子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，若外界因素忽略不计，K3取1；
以第R滴灌层的灌溉日序i为横坐标，根系吃水量判定因子ei为纵坐标建立直角坐标系，得判定点坐标(i，ei)，即每一个诱导灌溉日结束可得一个判定点；
由下列公式可算得当天的根系吃水量判定值ke，
其中，ui为i的均值，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，
其中
ui为i的均值，为ei的均值，δi为i的标准差，/>为ei的标准差，N为当天的灌溉总天数；
由当天的ke值及re值进行根系吃水量判定：
①当天的ke≤0，说明该滴灌层附近这几天不存在根系吃水或者根系吃水量过少；
②当天的ke>0，
若re∈(a，b)，则说明该滴灌层附近根系吃水量逐天增加且具备一定的可靠性；
若说明该滴灌层这几天存在根系吃水，但根系密度未达期望，不具备可靠性；
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；
S9:垂向调控与判定，具体如下：
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，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)，则该滴灌层根系吃水量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，该圈区的根系向下生长诱导成功，该圈区的滴灌器结束诱导灌溉；
i置为1，置R＝R+1，即下一层滴灌层开始进一步诱导根系向下生长，系统返回S4，重复执行S5-S9，依次类推，直至根系向下生长达到诱导预期，结束诱导灌溉；
③当诱导灌溉日序i≥12，若ke≤0或则判定第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，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，系统返回S4，重复执行S5-S9，依次类推，直至根系向下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向下诱导，结束诱导，重新种植。
进一步地，S202中，埋设完毕后，安装其他滴灌设施，并对灌溉系统进行调试，确保设备正常工作；所填土壤，需通过碾压处理达到土质疏松效果，使根系易于向下生长。
进一步地，S203中，缓苗时间1-5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80％。
进一步地，S305中，每次只有一个滴灌层进行诱导灌溉，设其第R滴灌层，对应滴灌管的第R圈区，R依次取1，2,3,4……。
进一步地，S4中，诱导灌溉策略和胁迫灌溉策略，具体如下：
(1)一日内的诱导灌溉策略：
S401:每当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向下生长，解决根系向下生长缺氧问题，且防止土壤或根系堵塞滴头；
S403:每当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％；
(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。
进一步地，S403中，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，S1中，螺旋式水肥气一体化滴灌装置其滴灌管外表面固接有滴灌气管，滴灌管的管道轨迹呈锥形螺旋状，螺距10cm。
进一步地，根据螺旋线的圈数将滴灌管分为多个圈区，圈区的数量根据诱导期望进行选择，每个圈区上设有多个滴灌器。
进一步地，每个滴灌器可进行水肥气灌溉且含有土壤探针获取对应湿点的含水率，每个圈区的滴灌器执行同样的灌溉决策。
本发明的技术方案基于湿点时长偏差对根系几天内的吃水量进行判段，进而进行土壤水肥气垂向调控判定，使水肥液始终位于根尖稍远处，利用根系的向水肥性原理及胁迫效应，诱导根系逐步向下生长。这减少了密植时株间根系缠绕抢夺养分，增加了根系与土壤的接触面积，使根系充分吸收深层土壤的水分，从而提高作物的抗涝、抗旱、抗风能力，利于农作物的稳收稳产、增收增产。诱导结束后，滴灌装置可用于后续的灌溉需求，能对作物根系进行分层且可控流量的定点定区滴灌，能满足不同根区的养分需求且高效节水。
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为本发明实施例灌溉层划分示意图；
图3为本发明实施例垂向调控与判定流程图；
图4为本发明实施例螺旋式水肥气一体化地下滴灌装置的结构示意图；
图5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-螺旋式滴灌管4-螺旋式气管5-压力导气阀6-进气管7-滴灌器8-气孔9-滴灌孔10-毛管11-滴头12-导气管13-流量控制阀14-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，
一种基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，包括如下步骤：
S1:设备铺设
将螺旋式水肥气一体化滴灌装置埋设于种植穴中，穴深50-80cm，埋设时，螺旋式滴灌管的几何圆心与种植中心重合且第1个滴灌器距地表5cm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。若作物根系侧根生长较发达，在不影响作物生长的前提下，可适当剪短部分侧根，以促进主根生生长，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，在垂直方向上应保证作物的根盘全部扎于第1个滴灌器下面土壤的不远处。埋设完毕后，安装其他滴灌设施，并对灌溉系统进行调试，确保设备正常工作。。所填土壤，需通过碾压处理达到土质疏松效果，使根系易于向下生长。
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1-5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80％。
S3:初始设定
(1)目标值设定：根系向下生长土壤最佳含水率C＝50-70％
(2)调控设定：诱导调控值kt＝0.8-1.3；胁迫调控值kp＝1-1.5；胁迫含水率C0＝10-30％
(3)影响系数设定：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
(4)可靠域设定：a＝0.3-0.5；b＝0.5-0.7
(5)滴灌层划分:将作物地下进行垂向分层，划分滴灌层，每层厚10cm，从上往下依次为第1滴灌层、第2滴灌层、第3滴灌层等，每层滴灌层对应一圈螺旋式滴灌管。每次只有一个滴灌层进行诱导灌溉，设其第R滴灌层，对应滴灌管的第R圈区(R依次取1，2,3,4……)，具体划分情况如图2所示,
S4：灌溉决策执行
在缓苗结束后，根系进入生长期，此时开始进入诱导阶段，第R滴灌层每天执行诱导灌溉策略，所有第R滴灌层以上的滴灌层每天执行的胁迫灌溉策略。
设第R滴灌层的诱导灌溉日序为i，i依次取1，2，3...随诱导灌溉天数变化。
需注意的是，首次诱导灌溉，R取初始值2，也就是说，在首次诱导灌溉时，第2滴灌层每天执行诱导灌溉策略，第1圈区每天执行胁迫灌溉策略。
所述诱导灌溉策略和胁迫灌溉策略，具体如下：
(1)一日内的诱导灌溉策略：
S1:每当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向下生长，解决根系向下生长缺氧问题，且防止土壤或根系堵塞滴头。
S3:每当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:当前土壤含水率获取
土壤探针每天实时获取每层滴灌层的当前土壤含水率，所述土壤含水率取该滴灌层土壤探针所测得土壤含水率的平均值。记第R滴灌层的当前土壤含水率为E。
S6:湿点时长获取
进一步的，当天由第R滴灌层的当前土壤含水率为E，算出最佳含水率C与当前土壤含水率E随时间变化的动态差值EC，EC＝C-E。
进一步的，由传感器获取EC值每次大于Nt的时间间隔(即进行诱导灌溉的滴灌器阀门每次开启的时间间隔)。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)。
进一步的，由下式算出当天(即为第i天)的平均湿点时长
其中，n为当天灌溉次数
S7:湿点时长偏差计算
进一步的，由下式计算得第i天的湿点时长偏差θi
S8:根系吃水量判定
进一步的，由下式计算得当天的根系吃水量判定因子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，若外界因素忽略不计，K3取1。
进一步的，以第R滴灌层的灌溉日序i为横坐标，根系吃水量判定因子ei为纵坐标建立直角坐标系，得判定点坐标(i，ei)，即每一个诱导灌溉日结束可得一个判定点。
进一步的，由下列公式可算得当天的根系吃水量判定值ke，
其中，ui为i的均值，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，
其中
ui为i的均值，为ei的均值，δi为i的标准差，/>为ei的标准差，N为当天的灌溉总天数
进一步的，由当天的ke值及re值进行根系吃水量判定：
①当天的ke≤0，说明该滴灌层附近这几天不存在根系吃水或者根系吃水量过少；
②当天的ke＞0，
若re∈(a，b)，则说明该滴灌层附近根系吃水量逐天增加且具备一定的可靠性。
若说明该滴灌层这几天存在根系吃水，但根系密度未达期望，不具备可靠性。
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。
S9：垂向调控与判定，如图3所示，具体如下：
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)，则说明该滴灌层根系吃水量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，该圈区的根系向下生长诱导成功，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(即下一层滴灌层开始进一步诱导根系向下生长)，系统返回S4，重复执行S5-S9，依次类推，直至根系向下生长达到诱导预期，结束诱导灌溉。
③当诱导灌溉日序i≥12，若ke≤0或则判定第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，系统返回S4，重复执行S5-S9，依次类推，直至根系向下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向下诱导，结束诱导，重新种植。
如图4和图5所示，本发明采用水肥气一体化地下滴灌装置作为灌溉装置，其螺旋式滴灌管3的外表面固接有螺旋式气管4，管道轨迹呈锥形螺旋状，螺距10cm，结构示意图如图4所示，根据螺旋线的圈数将滴灌管分为多个圈区(圈区的数量根据诱导期望进行选择)，每个圈区上设有多个滴灌器7，结构示意图如图5所示，每个滴灌器7可进行水肥气灌溉且含有土壤探针获取对应湿点的含水率，每个圈区的滴灌器执行同样的灌溉决策。
上述实施例中，所采用的螺旋式水肥气一体化地下滴灌装置，如图4和图5所示，包括进水管1、进气管6、螺旋式滴灌管3和螺旋式气管4，进水管1与水肥一体化机连接，进气管6与微纳米气泡发生器连接。进气管6和进水管1的前端之间设有压力导气阀5，压力导气阀5包括压力气阀，压力导气阀5的进气口与进气管6的侧边出气口连接，压力导气阀5的出气口与进水管1侧壁上的进气孔连接。
螺旋式滴灌管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。螺旋式滴灌管3的前端通过过滤器2与进水管1连接，螺旋式滴灌管3的末端通过密封水口堵头密封封闭。
螺旋式气管4的前端与进气管6连接，螺旋式气管4的末端通过密封气口堵头密封封闭，螺旋式气管4与螺旋式滴灌管3并列设置且螺旋式气管4和螺旋式滴灌管3固定连接；
螺旋式气管4和螺旋式滴灌管3的形状以等距涡状线做为管道轨迹，螺旋式气管4的管道轨迹与螺旋式滴灌管3的管道轨迹平行且等距，螺旋式气管4固接于螺旋式滴灌管3的正上方。
螺旋式滴灌管3的侧壁上设有若干滴灌孔9，螺旋式气管4的侧壁上设有若干气孔8，气孔8的数量与滴灌孔9的数量相同，且气孔8与滴灌孔9一一对应设置。滴灌孔9上固定有滴灌器7，滴灌器7分别与滴灌孔9和气孔8连接。
滴灌器7包括流量控制阀13和土壤探针14，流量控制阀13与滴灌孔9连接，流量控制阀13的顶部连接有导气管12，导气管12与气孔8连接，流量控制阀13通过毛管10与滴头11连接，滴头11的出水端设有滴箭，滴箭的出水箭头为单头箭头或双头箭头或四头箭头。土壤探针14固定在流量控制阀13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5。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6中的微纳米气泡经压力导气阀5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的出水口与螺旋式滴灌管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。
本发明的螺旋式滴灌管3的进水口与过滤器2的出水口连接，密封水口位于末端，被密封水口堵头堵死密封。密封水口堵头当螺旋式滴灌管3工作时，具有密封作用，当螺旋式滴灌管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。
螺旋式滴灌管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。螺旋式滴灌管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。螺旋式滴灌管3的正上方固接有螺旋式气管4。螺旋式滴灌管3的管体上开设有若干个滴灌孔9，滴灌孔9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9与滴灌器7的进水口连接，将螺旋式滴灌管3的水肥液运输至滴灌器7。
螺旋式滴灌管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。土壤探针14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。
本发明诱导根系向下生长原理：
根系具有向水性、向肥性，其生长方向常因施肥、施水的位置而转移，在根尖稍远位置施加水肥，便能诱导根系往施肥点方向生长。因此，在幼苗根系生长期，对根域进行水肥气垂向调控，使水肥液始终位于根尖稍远处而气体优化土壤环境优化，便可诱导根系逐步垂向生长及改善根系分布情况。
根系处于干燥的土壤环境中，根系能够感受到土壤干旱，从而产生干旱胁迫效应。在根尖稍远位置施加水肥，而使其他根区部位产生一定的干旱胁迫效应，将使根系的向水肥性更加明显，迫使根系尽可能地向下生长。
湿点时长偏差，指几天内滴灌层灌溉后的湿润持续时长的偏差情况。本发明通过土壤探针实时获取当前土壤含水率，进而得出每次滴灌后湿点时长(滴灌层土壤的湿润持续时长)，根据几天内该滴灌层湿点时长偏差情况来表征根系的吃水量，进而通过根系吃水量预测该滴灌层附近根系的生长情况。当根系吃水量明显逐天递增时，认定根系在该滴灌层的向下生长已达预期，进而开始更下一层滴灌层的根系向下生长诱导灌溉，如此往复，逐层诱导，调控养分始终位于根尖稍远位置，从而使根系逐步向下生长。
本发明基于湿点时长偏差对根系几天内的吃水量进行判段，进而进行土壤水肥气垂向调控判定，使水肥液始终位于根尖稍远处，利用根系的向水肥性原理及胁迫效应，诱导根系逐步向下生长。这减少了密植时株间根系缠绕抢夺养分，增加了根系与土壤的接触面积，使根系充分吸收深层土壤的水分，从而提高作物的抗涝、抗旱、抗风能力，利于农作物的稳收稳产、增收增产。诱导结束后，滴灌装置可用于后续的灌溉需求，能对作物根系进行分层且可控流量的定点定区滴灌，能满足不同根区的养分需求且高效节水滴灌装置的加气灌溉改善了土壤环境，解决了根系向下生长的缺氧问题，提高了土壤通透性使根系更易于向下生长，且防止土壤或根系堵塞滴头。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 (7)
1.一种基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:设备铺设
将螺旋式水肥气一体化滴灌装置埋设于种植穴中，穴深50-80cm，埋设时，螺旋式滴灌管的几何圆心与种植中心重合且第1个滴灌器距地表5cm；
S2:种植与缓苗
S201，选苗
选择需要诱导的作物幼苗，若作物根系侧根生长较发达，在不影响作物生长的前提下，适当剪短部分侧根，以促进主根生长，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，在垂直方向上应保证作物的根盘全部扎于第1个滴灌器下面土壤的不远处；
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:初始设定
S301，目标值设定
根系向下生长土壤最佳含水率C＝50-70％；
S302，调控设定
诱导调控值kt＝0.8-1.3；胁迫含水率C0＝10-30％；
S303，影响系数设定：
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；
S304，可靠域设定
a＝0.3-0.5；b＝0.5-0.7；
S305，滴灌层划分
将作物地下进行垂向分层，划分滴灌层，每层厚10cm，从上往下依次为第1滴灌层、第2滴灌层、第3滴灌层……，每层滴灌层对应一圈螺旋式滴灌管；第R滴灌层对应滴灌管的第R圈区，R依次取2、3、4……；
S4：灌溉决策执行
在缓苗结束后，根系进入生长期，此时开始进入诱导阶段，第R滴灌层每天执行诱导灌溉策略，所有第R滴灌层以上的滴灌层每天执行胁迫灌溉策略；设第R滴灌层的诱导灌溉日序为i，i依次取1，2，3……随诱导灌溉天数变化；需注意的是，首次诱导灌溉，R取初始值2，即在首次诱导灌溉时，第2滴灌层每天执行诱导灌溉策略，第1滴灌层每天执行胁迫灌溉策略；
S5:当前土壤含水率获取
土壤探针每天实时获取每层滴灌层的当前土壤含水率，土壤含水率取该滴灌层土壤探针所测得土壤含水率的平均值，记第R滴灌层的当前土壤含水率为E；
S6:湿点时长获取
当天由第R滴灌层的当前土壤含水率E，算出最佳含水率C与当前土壤含水率E随时间变化的动态差值EC，EC＝C-E；由传感器获取EC值每次大于
Nt的时间间隔即进行诱导灌溉的滴灌器阀门每次开启的时间间隔，Nt为灌溉触发阈值，每次诱导灌溉时触发滴灌器开始滴灌的阈值，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；
由下式算出当天(即为第i天)的平均湿点时长
其中，n为当天灌溉次数；
S7:湿点时长偏差计算
由下式计算得第i天的湿点时长偏差θi
S8:根系吃水量判定
由下式计算得当天的根系吃水量判定因子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，若外界因素忽略不计，K3取1；
以第R滴灌层的灌溉日序i为横坐标，根系吃水量判定因子ei为纵坐标建立直角坐标系，得判定点坐标(i，ei)，即每一个诱导灌溉日结束可得一个判定点；
由下列公式可算得当天的根系吃水量判定值ke，
其中，ui为i的均值，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，
其中
ui为i的均值，为ei的均值，δi为i的标准差，/>为ei的标准差，N为当前的灌溉总天数；
由当天的ke值及re值进行根系吃水量判定：
①当天的ke≤0，说明该滴灌层附近这几天不存在根系吃水或者根系吃水量过少；
②当天的ke>0，
若re∈(a，b)，则说明该滴灌层附近根系吃水量逐天增加且具备一定的可靠性；
若说明该滴灌层这几天存在根系吃水，但根系密度未达期望，不具备可靠性；
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；
S9:垂向调控与判定，具体如下：
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，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)，则该滴灌层根系吃水量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，该圈区的根系向下生长诱导成功，该圈区的滴灌器结束诱导灌溉；
i置为1，置R＝R+1，即下一层滴灌层开始进一步诱导根系向下生长，系统返回S4，重复执行S5-S9，依次类推，直至根系向下生长达到诱导预期，结束诱导灌溉；
③当诱导灌溉日序i≥12，若ke≤0或则判定第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，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；系统返回S4，重复执行S5-S9，依次类推，直至根系向下生长到达预定目标时，系统结束诱导灌溉；
若作物生长不良，则放弃该作物的根系向下诱导，结束诱导，重新种植。
2.根据权利要求1所述的基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，其特征在于，S202中，填土完毕后，安装其他滴灌设施，并对灌溉系统进行调试，确保设备正常工作；所填土壤，需通过碾压处理达到土质疏松效果，使根系易于向下生长。
3.根据权利要求1所述的基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，其特征在于，S203中，缓苗时间1-5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80％。
4.根据权利要求1所述的基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，其特征在于，S305中，每次只有一个滴灌层进行诱导灌溉，设其第R滴灌层，对应滴灌管的第R圈区，R依次取2,3,4……。
5.根据权利要求1所述的基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，其特征在于，S1中，螺旋式水肥气一体化滴灌装置其螺旋式滴灌管外表面固接有螺旋式气管，螺旋式滴灌管的管道轨迹呈锥形螺旋状，螺距10cm。
6.根据权利要求5所述的基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，其特征在于，根据螺旋线的圈数将螺旋式滴灌管分为多个圈区，圈区的数量根据诱导期望进行选择，每个圈区上设有多个滴灌器。
7.根据权利要求6所述的基于湿点时长偏差诱导根系向下生长的灌溉方法，其特征在于，每个滴灌器可进行水肥气灌溉且含有土壤探针获取对应湿点的含水率，每个圈区的滴灌器执行同样的灌溉决策。
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| GR01 | Patent grant | ||
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