一种稻田增氧灌排模拟控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种稻田增氧灌排模拟控制系统及方法，系统包括模拟稻田装置、控制器、蓄水池、集水池、水位传感器、湿度传感器、溶解氧传感器和加气泵；模拟稻田装置为无盖的内盛土壤的容器；容器的土壤中设有加气管道；加气管道与容器外的加气泵相连；加气泵受控于控制器；蓄水池通过进水管与模拟稻田装置相连，进水管上设有第一电磁阀；模拟稻田装置通过排水管与集水池相连，排水管上设有第二电磁阀；水位传感器、湿度传感器和溶解氧传感器均与控制器相连。发明还包括排水再利用机构，主要是通过渠道收集稻田的回归水汇集到集水池，来达到灌溉水的可持续利用，解决干旱时山区调水难的问题。系统简洁高效，具有巨大的推广潜力。
【专利说明】
一种稻田増氧灌排模拟控制系统及方法
技术领域
[0001 ]本发明属于农业技术领域，涉及一种稻田增氧灌排模拟控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 水稻长期处于淹水或接近饱和的水分状态，使得根区土壤多处于还原状态，会导 致还原性物质的富集，虽然水稻根系有泌氧作用，但也会出现黑根等现象，从而影响水稻根 系生长。加气灌溉可实现根域气体环境的改善，促进作物生长，提高根系活力，增加水肥利 用率，提高作物产量与品质，达到高效高产、高品质的目的。水稻常规灌溉供氧不足导致根 部的各项指标下降，成为微生物细菌和病原体感染攻击的目标，引发病虫害，根系水肥利用 率下降，引起作物产量与品质下降。并且在不同生育阶段叶片的光合速率得到显著增强.刘 杰等研究了根区加气对温室小型西瓜形态指标〃产量〃品质的影响，结果表明根区加气处理 对地下滴灌条件下日光温室小型西瓜形态指标〃产量〃品质产生了明显影响，加气频率采用 1次/2d处理优于其他加气处理。现有技术中，没有专门的模拟装置以研究水稻的灌排和增 氧对水稻生长的影响。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种稻田增氧灌排模拟控制系统及方法，该稻 田增氧灌排模拟控制系统采用集中控制模式，结构紧凑，易于实施，且具有良好的节水效 果。
[0004] 发明的技术解决方案如下：
[0005] -种稻田增氧灌排模拟控制系统，包括模拟稻田装置、控制器、蓄水池、集水池、水 位传感器、湿度传感器、溶解氧传感器和加气栗；
[0006] 模拟稻田装置为无盖的内盛土壤的容器;容器的土壤中设有加气管道;加气管道 与容器外的加气栗相连;加气栗受控于控制器；
[0007] 蓄水池通过进水管与模拟稻田装置相连，进水管上设有受控于控制器的第一电磁 阀；
[0008] 模拟稻田装置通过排水管与集水池相连，排水管上设有受控于控制器的第二电磁 阀；
[0009] 水位传感器、湿度传感器和溶解氧传感器均与控制器相连。
[0010] 控制器为单片机、DSP或ARM处理器。
[0011] 控制器置于智能控制箱中。
[0012] 智能控制箱内设有远程通信模块。
[0013] 蓄水池通过供水管与集水池相连，供水管上设有受控于控制器的水栗；蓄水池内 设有浮球阀。
[0014] -种稻田增氧灌排模拟控制方法，采用前述的的稻田增氧灌排模拟控制系统模拟 稻田增氧灌排。
[0015] 在水稻的分蘖期间，在上午7-9点之间以及下午的4-6点之间通过加气栗增氧2-5 分钟。优选上午的7点，下午的5点半。
[0016] 增氧时间为3分钟。
[0017] 在水稻的返青期、分蘖期、灌浆抽穗期，以稻田水层深度作为控制依据，水层深度 低于1CM，灌溉水，直到水层深度为3CM，水层深度高于3CM则排水；
[0018] 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘖期是指分蘖后25-30天;拔节孕穗期指拔节 后第18-25天;灌浆抽穗期指灌浆后第15-30天;黄熟期指进入黄熟后10-15天。灌浆抽穗期 结束后就进入黄熟期，该阶段延续10-15天。
[0019] 在水稻的返青期和灌浆抽穗期，上午的7点和下午的5:30通入气体2-5分钟，优选3 分钟。
[0020] 本发明以稻田水层深度和田间含水率的上下限作为自动灌溉标准，通过水位传感 器测针获取田间水位或田间含水率，将其与设定的最佳值比较，得到的差值作为控制器的 输入变量，建立控制系统，驱动、控制电阀门的开启，实现自动灌排，与此同时，利用稻田表 面土壤水溶解氧量一天的变化趋势，控制增氧灌溉时间，达到适时适量高效节水灌溉目的。 该增氧灌溉灌排控制系统主要是采用自动监测的水位传感器对水位进行调控以达到浅湿 灌溉，发展高效农业目的，利用夏季晴天稻田表面土壤水溶解氧量一天的变化趋势，控制增 氧灌溉时间；控制系统在设计时采取了控制信号的通用性，既能控制电机，又能控制电磁 阀。
[0021] 有益效果：
[0022] 本发明存在以下优点：
[0023]本发明根据不同水稻生长时期稻田的需水量及土壤含水量，利用电磁阀调节灌排 水量。先通过水位、湿度传感器和溶解氧传感器监测稻田水层、稻田表层土壤水溶解氧含 量、水稻根系层土壤含水量的变化来获得水稻生长的盈亏水状况及增氧灌溉时间，并反馈 给中央处理器，而后处理器根据水稻不同生长时期的需水量及灌溉技术来调节稻田的灌溉 水量，以达到灌溉的最优化。比如，当稻田水层过高时，则通过调节田坎出水管的电磁阀排 水，调节稻田水位到适宜水稻生长的状态；当稻田土壤含水量过低时，则打开电磁阀进行灌 溉，并确定每天的增氧灌溉时间。发明还包括排水再利用，主要是通过渠道收集稻田的回归 水汇集到集水池，来达到灌溉水的可持续利用，解决干旱时山区调水难的问题。系统简洁高 效，具有巨大的推广潜力。
【附图说明】
[0024]图1为稻田增氧灌排模拟控制系统的总体结构框图；
[0025]图2为稻田表层土壤水溶解氧含量变化量趋势图；
[0026] 图3为节水灌溉的自动控制主程序方框图。
[0027] 标号说明：1、水栗;2、加气栗;3、浮球阀；4、加气管道;5、溶解氧传感器;6、温度传 感器;7、过滤网；8、水位传感器;9、第一电磁阀；10、第二电磁阀。
【具体实施方式】
[0028] 为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全 面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于一下具体实施例。
[0029] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相 同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的 保护范围。
[0030] 实施例：
[0031] 参见图1，一种稻田增氧灌排模拟控制系统，包括模拟稻田装置、控制器、蓄水池、 集水池、水位传感器8、湿度传感器6、溶解氧传感器5和加气栗2;
[0032]模拟稻田装置为无盖的内盛土壤的容器;容器的土壤中设有加气管道4;加气管道 与容器外的加气栗相连;加气栗受控于控制器；
[0033]蓄水池通过进水管与模拟稻田装置相连，进水管上设有受控于控制器的第一电磁 阀9;
[0034]模拟稻田装置通过排水管与集水池相连，排水管上设有受控于控制器的第二电磁 阀10;
[0035] 水位传感器、湿度传感器和溶解氧传感器均与控制器相连。
[0036] 控制器为单片机、DSP或ARM处理器。
[0037]控制器置于智能控制箱中。
[0038] 智能控制箱内设有远程通信模块。
[0039] 蓄水池通过供水管与集水池相连，供水管上设有受控于控制器的水栗1;蓄水池内 设有浮球阀3;水管与模拟稻田装置接通处设有过滤网7。
[0040] 一种稻田增氧灌排模拟控制方法，采用前述的稻田增氧灌排模拟控制系统模拟稻 田增氧灌排。
[0041] 在水稻的分蘖期间，在上午7-9点之间以及下午的4-6点之间通过加气栗增氧2-5 分钟。优选上午的7点，下午的5点半。
[0042] 增氧时间为3分钟。
[0043]在水稻的返青期、分蘖期、灌浆抽穗期，以稻田水层深度作为控制依据，水层深度 低于1CM，灌溉水，直到水层深度为3CM，水层深度高于3CM则排水；
[0044] 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘖期是指分蘖后25-30天;拔节孕穗期指拔节 后第18-25天;灌浆抽穗期指灌浆后第15-30天;黄熟期指进入黄熟后10-15天。灌浆抽穗期 结束后就进入黄熟期，该阶段延续10-15天。
[0045] 在水稻的返青期和灌浆抽穗期，上午的7点和下午的5:30通入气体2-5分钟，优选3 分钟。
[0046]本系统选用中央控制模式，包括智能控制箱、单片机、蓄水池，集水池、水位、湿度 传感器和溶解氧传感器及其附件。蓄水池用于模拟山区水塘水库蓄水用于灌溉;模拟稻田 池中设有湿度，水位高度及溶解氧传感器采集稻田信息，调控灌排与增氧;集水池，用于收 集多余的雨水和灌溉用水，以备旱季缺水之需;远程智能控制箱，由显示屏和单片机两大部 分组成，外设小型信号塔用以通讯和传输数据。显示屏上显示有水位高度，土壤湿度，溶解 氧量及水稻所处生长时期等参数。
[0047]多年来，农业专家一直致力于水稻节水灌溉技术的研究，也推广了各种节水灌溉 方式，本系统采取的是单季水稻的"浅、湿、干"节水灌溉方式。"浅"指灌溉水层上限为30mm; "湿"指水层为零，土壤含水量100% ; "干"指各生育期土壤含水量要求的下限值，可通过仪 器测试，或依据不同下限值对应的土壤裂缝宽度、脚印深度等经验值判断。一般不到土壤含 水量下限值不灌溉。何时灌水依据土壤含水量而定，到了下限值就灌，不到就等。除了大量 降水超过规定的蓄雨上限和盐碱地排碱要求外，一般不排水。该技术可节约30.5%左右的 水资源，提高约9%的水稻产量。"控制灌溉"是指稻苗本田移栽后，田面保持5~25mm薄水层 返青活苗，在返青以后的各个生育阶段，田面不建立灌溉水层，以根层土壤含水率作为控制 指标，遇雨可保持一定水层，如表1所示。
[0048]表1水稻生育阶段稻田水层控制标准
[0051] 返青期是指移栽后15-25天，分蘖期是指分蘖后25-30天;拔节孕穗期指拔节后第 18-25天;灌浆抽穗期指灌浆第15-30天;黄熟期指黄熟第10-15天。
[0052] 返青期、分蘖期、灌浆抽穗期水层为田间水层深度，控制在l-3Cm;黄熟期末不再灌 水，使田间水分自然落干;表中所列含水量均指体积含量，为根层观测深度内土壤含水量平 均值，
[0053] 拔节孕穗期与黄熟期指各阶段饱和含水量;灌水上下限含水量由饱和含水量与各 生育阶段设定的控制百分比（70%_100%)相乘得到。
[0054] 从表1中可知，水稻的灌溉可以控制稻田水层深度，且不同的生育期的控制要求不 同。水稻灌溉从蓄水池自流灌溉，通过调节灌溉水位来控制灌溉量，农田灌溉量的多少由水 稻生长需水量来调节。
[0055] 返青期、分蘖期、灌浆抽穗期:应用水位传感器采集稻田水位，并将它们与设定值 比较，大于设定值3CM则排水，接近设定值下限1CM则灌溉，调节水位到（1CM-3CM)，所选取的 输入变量不仅反映了土壤情况，还反映了田间气候、作物的生长状况。根据稻田的水位，控 制电磁阀门进水、排水。
[0056] 拔节孕穗期、黄熟期。应用湿度传感器采集稻田土壤含水量，并将它们与设定值比 较，大于设定值70%则排水，接近设定值下限70%则喷水灌溉，根据稻田土壤含水量，控制 电磁阀门进水、排水。
[0057] 为进行系统控制，本项目组成员以分蘖期为例，于2015年7月13日对盆栽水稻进行 稻田表层土壤水溶解氧含量测定，其结果如下：
[0058]分蘖期稻田表层土壤水溶解氧含量测定值(mg/L)
[0061]本试验在水稻分蘖期分别于上午8点与下午5点用加气栗加2-53分钟气以增氧。根 据稻田表层土壤水溶解氧含量变化趋势，CK组在上午10点50出现最大值10.03mg/L，而增氧 组在12点40出现最大值6.81mg/L，且本试验分别于上午8点与下午5点用加气栗加3分钟气 以增氧，发现加氧后表层土壤水溶解氧含量分别出现降低值5.21mg/L与4.72mg/L，说明可 用表层土壤水溶解氧含量出现最低值作为增氧时间，接近该数值，则加入氧气2-5103分钟。 [0062]结论:返青期、分蘖期、灌浆抽穗期:则以稻田水层深度作为计算依据，少于1CM，灌 溉水，直到3CM，多于3CM则排水，同时，分别在上午的7点和下午的5:30通入气体2-5分钟。 [0063]拔节孕穗期、黄熟期：则以饱和含水量作为计算依据，少于70%，灌溉水，直到 100%，饱和含水量= 78%，不需要通气 [0064]黄熟期末不再灌水，使田间水分自然落干。
[0065]水稻节水灌溉的流程图如图3所示，当田间水层高于最大允许值时，排水；当田间 水层低于最小允许值时，进行灌溉。
[0066] 1)该传感器具有高精度和高准确性，且性能稳定，能真实反映传感器附近稻田水 分、稻田表层土壤水溶解氧含量状况。
[0067] 2)该系统可防止过量灌溉，还提高了灌溉效率，节省了水资源。该系统根据电容式 水位传感器测量稻田水位数值，进行自动灌溉，无需维护，大大节省了人力及维护费用。根 据水稻不同生长时期需水量进行灌溉，大大提高了灌溉效率，防止了以往的根据定时器进 行灌溉导致的水资源的浪费，大大节约了水和电的消耗。该系统只在作物需要灌溉时才灌 溉，需要增氧时才增氧，可根据设定的上限和下限，自动适应在任何气候环境下进行灌溉。
[0068] 监控员在电脑上可查看灌溉活动，并进行灌溉设置，让灌溉更简单、灵活。
[0069] 本发明的特色：
[0070] 1)首次提出利用稻田表层土壤水溶解氧含量确变化趋势确定增氧时间；
[0071] 2)利用加气栗对土壤加气，不是利用滴管系统加氧，而是通过在不同土层布设不 同的加气管，并以梅花状布置气孔，这更有助于土壤下层各点均匀受气；
[0072] 3)蓄水池中设有浮球阀，当蓄水池中蓄水过低或干旱时期，可从集水池中抽取部 分水混合灌溉，实现水的高效利用；
[0073] 4)盆栽实验证明本发明的应用效果好，增氧灌溉对水稻不同生育阶段叶绿素、可 溶性蛋白质和可溶性糖的质量分数均有不同程度增加，叶片光合速率得到显著增强，增氧 灌溉尤其对水稻分蘖期作用显著，分蘖数、株高、根系活力、根系发达程度、生物量积累和光 合特征指标都明显优于常规灌溉对照处理，水稻生育后期根系功能增强，叶片超氧化物歧 化酶活性提高，最终促进籽粒灌浆结实。
【主权项】
1. 一种稻田增氧灌排模拟控制系统，其特征在于，包括模拟稻田装置、控制器、蓄水池、 集水池、水位传感器、湿度传感器、溶解氧传感器和加气栗； 模拟稻田装置为无盖的内盛土壤的容器;容器的土壤中设有加气管道;加气管道与容 器外的加气栗相连;加气栗受控于控制器； 蓄水池通过进水管与模拟稻田装置相连，进水管上设有受控于控制器的第一电磁阀； 模拟稻田装置通过排水管与集水池相连，排水管上设有受控于控制器的第二电磁阀； 水位传感器、湿度传感器和溶解氧传感器均与控制器相连。2. 根据权利要求1所述的稻田增氧灌排模拟控制系统，其特征在于，控制器为单片机、 DSP或ARM处理器。3. 根据权利要求1所述的稻田增氧灌排模拟控制系统，其特征在于，控制器置于智能控 制箱中。4. 根据权利要求3所述的稻田增氧灌排模拟控制系统，其特征在于，智能控制箱内设有 远程通信模块。5. 根据权利要求1所述的稻田增氧灌排模拟控制系统，其特征在于，蓄水池通过供水管 与集水池相连，供水管上设有受控于控制器的水栗;蓄水池内设有浮球阀。6. -种稻田增氧灌排模拟控制方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的稻田 增氧灌排模拟控制系统模拟稻田增氧灌排。7. 根据权利要求6所述的稻田增氧灌排模拟控制方法，其特征在于，在水稻的分蘖期 间，在上午7-9点之间以及下午的4-6点之间通过加气栗增氧2-5分钟。8. 根据权利要求7所述的稻田增氧灌排模拟控制方法，其特征在于，增氧时间为3分钟。9. 根据权利要求6所述的稻田增氧灌排模拟控制方法，其特征在于，在水稻的返青期、 分蘖期、灌浆抽穗期，以稻田水层深度作为控制依据，水层深度低于1CM，灌溉水，直到水层 深度为3CM，水层深度高于3CM则排水； 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘖期是指分蘖后25-30天;拔节孕穗期指拔节后第 18-25天;灌浆抽穗期指灌浆后第15-30天;黄熟期指进入黄熟后10-15天。10. 根据权利要求7-9任一项所述的稻田增氧灌排模拟控制方法，其特征在于，在水稻 的返青期和灌浆抽穗期，上午的7点和下午的5:30通入气体2-5分钟。
【文档编号】A01G25/16GK105850674SQ201610235676
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】张文萍, 胡文武, 肖卫华, 姚帮松, 曾鹏, 黄蔚, 陈家立, 熊子维, 张哲栋
【申请人】湖南农业大学