CN116569821A - 一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统及方法，其中系统包括：作物模块、若干土壤模块、监测模块和灌溉模块；所述作物模块用于收集作物基本信息；若干所述土壤模块用于采集土壤信息，若干所述土壤模块分别设置在地下不同埋深处；所述监测模块用于基于所述土壤信息得到土壤基质势，并计算灌水量；所述灌溉模块用于基于所述灌水量对作物进行根灌。本申请可以根据作物生长不同阶段对水分、养分需求的要求，结合土壤级配、土壤干容重、土壤水分特征曲线的特性，监测作物生长情况、土壤含水率与氮磷钾含量等参数，以及基质势的监测和比对，给予作物适宜的施肥和精确灌溉，减少了水分和养分的浪费，提高作物的水分、养分利用效率和产量。

Description

一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统及方法

技术领域

本申请属于作物灌溉技术领域，具体涉及一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统及方法。

背景技术

土壤基质势是土壤水势的重要组成部分，其受到多种因素的影响，其中最重要的是土壤的结构组成和含水率，土壤基质势在作物生长和灌溉中是一个非常重要的参数。

长久以来，我国对作物的灌溉方式主要采用如漫灌、沟灌、喷灌等地面灌溉方式，灌溉水从地面渗透到作物的根部，作物根系吸水吸肥，从而满足自身的生长发育，但这些灌溉方式造成了一半以上的水、肥浪费。然而，作物根系分层灌溉，将水、肥直接灌于作物根系，减少了水分的损失和肥的浪费，可增加水、肥的利用率。

发明内容

本申请旨在解决现有技术的不足，提出一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统及方法，通过采集土壤级配数据、土壤容重和土壤含水率数据，结合给定结构的土壤水分特征曲线，对土壤基质势进行监测推求，并基于得到的土壤基质势控制根灌的灌水量。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，包括：作物模块、若干土壤模块、监测模块和灌溉模块；

所述作物模块用于储存作物基本信息；

若干所述土壤模块用于采集土壤信息，若干所述土壤模块分别设置在地下不同埋深处；

所述监测模块用于基于所述土壤信息得到土壤基质势，并计算灌水量；

所述灌溉模块用于基于所述灌水量对作物进行根灌。

优选的，所述作物模块包括：交互单元和作物信息库；

所述交互单元用于接收工作人员输入的所述作物基本信息；

所述作物信息库用于存储不同种类作物的所述作物基本信息。

优选的，所述基本信息包括：作物生长所需水分、作物生长所需养分和作物根系吸力。

优选的，所述土壤模块包括：土壤特征存储单元、级配检测单元、干容重检测单元和含水率检测单元；

所述土壤特征存储单元用于存储不同类型土壤的土壤水分特征曲线；

所述级配检测单元用于采集土壤级配数据；

所述干容重检测单元用于采集土壤干容重数据；

所述含水率检测单元用于采集土壤含水率数据。

优选的，所述监测模块包括：作物监测单元、基质势监测单元和处理单元；

所述作物监测单元用于监测作物生长情况，并基于所述生长情况提取所述作物基本信息；

所述基质势监测单元用于基于所述土壤级配数据和所述土壤干容重数据确定土壤类型和结构，并基于所述土壤类型和结构提取相应的所述土壤特征曲线，再基于所述土壤含水率数据和所述土壤特征曲线推求所述土壤基质势；

所述处理单元用于基于所述作物基本信息、所述土壤干容重数据和所述土壤基质势计算作物的所述灌水量。

优选的，所述监测模块还包括无机盐监测单元；

所述无机盐监测单元用于监测土壤的氮磷钾含量，得到无机盐信息；

所述处理单元还用于基于所述无机盐信息判断作物是否需要施肥。

优选的，所述灌溉模块包括：控制单元和若干根灌管；

所述控制单元用于基于所述灌水量控制所述根灌管开闭；

若干所述根灌管分别设置在地下不同埋深处。

本申请还提供了一种基于基质势的分层根灌节水灌溉方法，包括以下步骤：

采集作物基本信息；

采集不同埋深处的土壤信息；

基于所述土壤信息得到土壤基质势，并计算灌水量；

基于所述灌水量对作物进行根灌。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请可以根据作物生长不同阶段对水分、养分需求的要求，监测作物生长情况、土壤含水率与氮磷钾含量等参数，结合土壤级配、土壤干容重、土壤水分特征曲线的特性，监测作物生长情况、土壤含水率与氮磷钾含量等参数，以及得到土壤基质势的，通过基质势和作物信息监测和比对，给予作物适宜的施肥和精确灌溉，减少了水分和养分的浪费，提高作物的水分、养分利用效率和产量，同时不会对土壤和地下水质量造成污染，改善了土地的生态环境。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例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是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的系统结构示意图；

图2为本申请实施例的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

在本实施例中，如图1所示，一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，包括：作物模块、若干土壤模块、监测模块和灌溉模块；

作物模块用于储存作物基本信息。作物模块包括：交互单元和作物信息库。交互单元用于接收工作人员输入的作物种类，在本实施例中，交互单元可选用液晶触摸屏，工作人员可以根据种植的作物，输入相应的作物种类；作物信息库用于存储不同种类作物的作物基本信息，基本信息包括：作物生长所需水分、作物生长所需养分和作物根系吸力，当交互单元接收到输入的作物种类后，作物信息库会根据作物种类，提取相应的作物基本信息。

若干土壤模块用于采集土壤信息，若干土壤模块分别设置在地下不同埋深处。土壤模块包括：土壤特征存储单元、级配检测单元、干容重检测单元和含水率检测单元。土壤特征存储单元用于存储不同类型土壤的土壤水分特征曲线。级配检测单元用于采集土壤级配数据，本实施例中，级配检测单元包括第一样本采集装置和土壤筛析机，第一样本采集装置可以采集不同埋深度的土壤样本，并将得到样本进行标号，之后，通过土壤筛析机对土壤样本进行不同筛孔规格的筛选，进而得到土壤级配数据；干容重检测单元用于采集土壤干容重数据，干容重检测单元包括：环刀和测量装置，环刀用于对耕层土壤进行采样，得到耕层土壤样本，测量装置用于对耕层土壤样本进行称重和计算，得到土壤干容重数据；含水率检测单元用于采集土壤含水率数据，含水率检测单元包括第二样本采集装置、烘干装置和测量装置，第二样本采集装置用于采集不同埋深度的土壤样本，并对土壤样本进行标号，之后通过测量装置测量样本的初始重量，再利用烘干装置将样本烘干，并再次测量重量，得到样本烘干后重量，最后测量装置基于初始重量和烘干后重量计算土壤含水率数据。

监测模块用于基于土壤信息得到土壤基质势，并计算灌水量。监测模块包括：作物监测单元、基质势监测单元和处理单元。作物监测单元用于监测作物生长情况，作物监测单元包括图像识别装置和微处理器，图像识别装置用于采集作物图像信息，并利用图像识别技术对作物图像进行识别，得到作物的生长情况，微处理器基于生长情况，从作物信息库提取该生长情况下的作物基本信息。基质势监测单元用于基于土壤级配数据和土壤干容重数据确定土壤类型和结构，并基于土壤类型和结构提取相应的土壤特征曲线，再基于土壤含水率数据和土壤特征曲线推求土壤基质势：当土壤水分低时，土壤基质势会大，当土壤水分高时，土壤基质势会小；处理单元用于将作物根系吸力和土壤基质势进行比对，判断作物是否需要灌溉，若判断为是，则基于土壤干容重数据和土壤基质势计算作物的灌水量：

m＝γH(θ₁-θ₂)

其中，m为灌水量，γ为土壤干容重，H为计划湿润层厚度，θ₁为计划土壤含水量，θ₂为土壤样本当前含水量。

在本实施例中，监测模块还包括无机盐监测单元。无机盐监测单元用于监测土壤的氮磷钾含量，得到无机盐信息；处理单元还用于基于无机盐信息判断作物是否需要施肥。

灌溉模块用于基于灌水量对作物进行根灌。灌溉模块包括：控制单元和若干根灌管。控制单元用于基于灌水量控制根灌管开闭；若干根灌管分别设置在地下不同埋深处。在本实施例中，基质势监测单元还可以根据不同埋深处的土壤含水量推求不同埋深处的土壤基质势，控制单元中可以设定土壤基质势阈值，并对比不同埋深处的土壤基质势和土壤基质势阈值，当某一埋深处的实际的土壤基质势小于阈值时，可以根据计算出的该埋深处的灌水量，控制该埋深处的根灌管进行根灌。

实施例二

在本实施例中，如图2所示，一种基于基质势的分层根灌节水灌溉方法，包括以下步骤：

S1.采集作物基本信息。

工作人员可以根据种植的作物，输入相应的作物种类，当接收到输入的作物种类后，作物信息库会根据作物种类，提取相应的作物基本信息，基本信息包括：作物生长所需水分、作物生长养分和作物根系吸力，。

S2.采集不同埋深处的土壤信息。

首先，收集并存储不同土壤类型的土壤特征曲线。

其次，采集土壤级配数据：本实施例中，采集不同埋深度的土壤样本，并将得到样本进行标号，之后，对土壤样本进行不同筛孔规格的筛选，进而得到土壤级配数据。

再次，采集土壤干容重数据：本实施例中，对耕层土壤进行采样，得到耕层土壤样本，对耕层土壤样本进行称重和计算，得到土壤干容重数据。

最后，采集土壤含水率数据：本实施例中，采集不同埋深度的土壤样本，并对土壤样本进行标号，之后测量样本的初始重量，再利用烘干装置将样本烘干，并再次测量重量，得到样本烘干后重量，最后基于初始重量和烘干后重量计算土壤含水率数据，并根据土壤含水率数据生成土壤水分特征，该特征可以通过土壤水分特征曲线展示。

S3.基于土壤信息得到土壤基质势，并计算灌水量。

首先，监测作物生长情况：采集作物图像信息，并利用图像识别技术对作物图像进行识别，得到作物的生长情况，基于生长情况，从作物信息库提取该生长情况下的作物基本信息。

基于土壤级配数据和土壤干容重数据确定土壤类型和结构，并基于土壤类型和结构提取相应的土壤特征曲线，再基于土壤含水率数据和土壤特征曲线推求土壤基质势：当土壤水分低时，土壤基质势会大，当土壤水分高时，土壤基质势会小；处理单元用于将作物根系吸力和土壤基质势进行比对，判断作物是否需要灌溉，若判断为是，则基于土壤干容重数据和土壤基质势计算作物的灌水量：

m＝γH(θ₁-θ₂)

其中，m为灌水量，γ为土壤干容重，H为计划湿润层厚度，θ₁为计划土壤含水量，θ₂为土壤样本当前含水量。

在本实施例中，还可以监测土壤的氮磷钾含量，得到无机盐信息，并基于无机盐信息判断作物是否需要施肥。

S4.基于灌水量对作物进行根灌。

基于灌水量对作物进行根灌。在本实施例中，可以根据不同埋深处的土壤含水量推求不同埋深处的土壤基质势，设定土壤基质势阈值，并对比不同埋深处的土壤基质势和土壤基质势阈值，当某一埋深处的实际的土壤基质势小于阈值时，可以根据计算出的该埋深处的灌水量，控制该埋深处的根灌管进行根灌。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，其特征在于，包括：作物模块、若干土壤模块、监测模块和灌溉模块；

所述作物模块用于储存作物基本信息；

若干所述土壤模块用于采集土壤信息，若干所述土壤模块分别设置在地下不同埋深处；

所述监测模块用于基于所述土壤信息得到土壤基质势，并计算灌水量；

所述灌溉模块用于基于所述灌水量对作物进行根灌。

2.根据权利要求1所述一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，其特征在于，所述作物模块包括：交互单元和作物信息库；

所述交互单元用于接收工作人员输入的所述作物基本信息；

所述作物信息库用于存储不同种类作物的所述作物基本信息。

3.根据权利要求2所述一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，其特征在于，所述基本信息包括：作物生长所需水分、作物生长所需养分和作物根系吸力。

4.根据权利要求1所述一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，其特征在于，所述土壤模块包括：土壤特征存储单元、级配检测单元、干容重检测单元和含水率检测单元；

所述土壤特征存储单元用于存储不同类型土壤的土壤水分特征曲线；

所述级配检测单元用于采集土壤级配数据；

所述干容重检测单元用于采集土壤干容重数据；

所述含水率检测单元用于采集土壤含水率数据。

5.根据权利要求4所述一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，其特征在于，所述监测模块包括：作物监测单元、基质势监测单元和处理单元；

所述作物监测单元用于监测作物生长情况，并基于所述生长情况提取所述作物基本信息；

所述基质势监测单元用于基于所述土壤级配数据和所述土壤干容重数据确定土壤类型和结构，并基于所述土壤类型和结构提取相应的所述土壤特征曲线，再基于所述土壤含水率数据和所述土壤特征曲线推求所述土壤基质势；

所述处理单元用于基于所述作物基本信息、所述土壤干容重数据和所述土壤基质势计算作物的所述灌水量。

6.根据权利要求5所述一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，其特征在于，所述监测模块还包括无机盐监测单元；

所述无机盐监测单元用于监测土壤的氮磷钾含量，得到无机盐信息；

所述处理单元还用于基于所述无机盐信息判断作物是否需要施肥。

7.根据权利要求5所述一种基于基质势的分层根灌节水灌溉系统，其特征在于，所述灌溉模块包括：控制单元和若干根灌管；

所述控制单元用于基于所述灌水量控制所述根灌管开闭；

若干所述根灌管分别设置在地下不同埋深处。

8.一种基于基质势的分层根灌节水灌溉方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集作物基本信息；

采集不同埋深处的土壤信息；

基于所述土壤信息得到土壤基质势，并计算灌水量；

基于所述灌水量对作物进行根灌。