基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统的制作方法
【专利摘要】本发明揭示了基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统。该方法包括：设置参数，监测根区各土层土壤含水量，基于相对根长密度分布计算根区加权平均土壤含水量，计算作物水分胁迫指数CWSI，当CWSI计算值大于预定的CWSI临界值时，开始灌水；还可以根据计划湿润层土壤含水量计算理论灌水量，当实际灌水量达到理论灌水量时，停止灌水。本发明能更加准确、便捷地估算作物所受到的水分胁迫程度，以此为依据控制灌溉时既考虑了根区土壤水分状况又考虑了作物水分状况，可为节水、增产目标的实现提供有效工具。
【专利说明】基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及自动控制技术，更具体涉及基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统。
【背景技术】
[0002]通过灌溉适时调节旱作物根区土壤水分状况，使其既有利于作物吸收利用又能减少土面蒸发与深层渗漏等损失，是实现节水、增产目标的关键。因此，推广农田自动灌溉控制系统具有十分重要的意义，而灌溉控制方法则是其核心所在。
[0003]迄今为止，已有的灌溉控制方法大概可分为以下两类。第一类灌溉控制方法借助作物对水分胁迫的生理响应(比如冠层温度、叶水势、气孔导度等生理指标的变化)来估算作物所受到的水分胁迫程度，并据此判断灌水时间，其中基于作物冠层温度估算作物水分胁迫指数(CWSI，表示因水分胁迫所导致的作物蒸散速率降低的程度)的方法较为常见。由于作物冠层温度在光照期间很容易随时间动态变化，并且受气候环境以及观测视野内土壤与作物枝干的影响较大，所以该方法存在稳定性与代表性较差的问题，在作物生长早期冠层较为稀疏时表现得尤为突出。其次，绝大多数情况下单纯依靠CWSI只能判断灌水时间，为确定灌水定额，仍需借助实测的土壤含水量剖面，除增加前期成本投入外，还给实际应用带来不便。另外，基于作物生理响应估算CWSI并确定灌水时间时，作物往往已经受到了一定程度的水分胁迫，所以很难实现真正意义上的充分灌溉。因此，绝大多数灌溉控制方法(第二类)都基于充分灌溉原理，将根区土壤含水量算术平均值(简称为根区算术平均土壤含水量)或根区某深度处的土壤含水量(或土壤水基质势)作为灌水控制指标，当其低于最适宜作物生长的土壤含水量下限时开始灌溉，直到其达到最适宜作物生长的土壤含水量上限。然而，因根区内土壤水分分布无统一规律，在绝大多数情况下，根区算术平均土壤含水量或根区某深度处的土壤含水量都不能真实代表根区土壤水分状况。而且，在一定的气候条件下，除土壤水分分布外，根系`生长分布也是影响作物根系吸水与蒸腾的重要因素。因此，在评价作物水分状况即估算CWSI时，脱离土壤水分分布与根系生长分布而只考虑根区算术平均土壤含水量或根区某深度处的土壤含水量是不合理的。由此可见，第二类灌溉控制方法在科学性方面存在明显缺陷，用该方法来判断灌水时间将带来较大偏差，从而影响作物生长以及灌溉水利用效率。
[0004]综上所述，作物水分状况是判断灌水时间的主要依据，而根区土壤水分状况是确定灌水定额的基础。因此，如何根据根区土壤水分分布与根系生长分布准确估算CWSI并进一步控制灌溉是目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本发明要解决的技术问题为:如何根据根区土壤水分分布与根系生长分布准确估算作物水分胁迫指数CWSI并进一步控制灌溉。[0007](二)技术方案
[0008]为了解决该技术问题，根据本发明的一方面，提出了一种基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法包括:
[0009]将灌溉区域的土壤从表层至最大扎根深度Lr处依次分为若干层，层数记为k，用每层土壤的平均深度Zi除以Lp得到每层土壤的相对深度Zh，用每层土壤的厚度hi除以Lp得到每层土壤的相对厚度Λ ，设定作物在每层土壤中的相对根长密度Lnrd(^i)、萎焉系数θ?、饱和土壤含水量0S、最适宜作物生长的土壤含水量上限ΘΗ与下限θ,;
[0010]测量每层土壤的含水量Θ i ；
[0011]计算根区加权平均土壤含水量
【权利要求】
1.一种基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法包括: 将灌溉区域的土壤从表层至最大扎根深度L处依次分为若干层，层数记为k，用每层土壤的平均深度Zi除以Lp得到每层土壤的相对深度Zh，用每层土壤的厚度hi除以Lp得到每层土壤的相对厚度Azm设定作物在每层土壤中的相对根长密度Lmd(zJ、萎焉系数9W、饱和土壤含水量Qs、最适宜作物生长的土壤含水量上限ΘΗ与下限测量每层土壤的含水量Θ i ；
计算根区加权平均土壤含水量P:
2.如权利要求1所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于， 所述测量每层土壤的含水量Θ i，是将土壤水分探针垂直插入根区土壤，并在土壤水分探针上对应的各土层深度处设有一个土壤水分传感器，从而测得每层土壤的含水量Θ i。
3.如权利要求2所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于， 所述测得每层土壤的含水量Θ i，是将分布在灌溉区域内的多根土壤水分探针上相同土层深度处的土壤水分传感器的测量值取平均而获得。
4.如权利要求1所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法还包括:在所述最大扎根深度范围内设定计划湿润层深度，记录从表层到计划湿润层深度的土壤层数n，设定田间持水量Qf、土壤灌溉湿润比p、田间水分有效利用系数η和灌溉面积A， 按下式计算单位面积的灌水定额M: 然后用M乘以A，得到理 论灌水量； 当实际灌水量达到理论灌水量时，停止灌水。
5.如权利要求1至4其中任一项所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法还包括: 当计算得到的CWSI大于预定的临界值时，若预报在设定的时间区间内有降雨，则不灌水，否则开始灌水。
6.一种基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于，该系统包括参数输入子系统、土壤水分采集子系统、中央决策子系统和灌水控制子系统: 参数输入子系统，用于设定作物的最大扎根深度Lp灌溉区域内从土壤表层至最大扎根深度L处所分的层数k，每层土壤的平均深度Zi以及厚度Iii,作物在每层土壤中的相对根长密度Lmd (?)、萎焉系数θ?、饱和土壤含水量0S、最适宜作物生长的土壤含水量上限ΘΗ与下限Θ y以及CWSI临界值； 土壤水分采集子系统，用于测量每层土壤的含水量Θ i，并发送给中央决策子系统； 中央决策子系统，包括计算模块、天气预报模块和决策模块； 计算模块，用Zi除以Lp得到每层土壤的相对深度;用比除以Lp得到每层土壤的相
对厚度Λ Zi ;然后计算根区加权平均土壤含水量θ:
7.如权利要求6所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于， 所述土壤水分采集子系统，包括土壤水分探针，土壤水分探针上对应每层土壤设有一个土壤水分传感器，通过将土壤水分探针垂直插入根区土壤，从而测得每层土壤的含水量Θ JO
8.如权利要求7所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于， 在灌溉控制区域内，所述土壤水分探针为多根，所述测得每层土壤的含水量Θ i，是将灌溉区域内的多根土壤水分探针上相同土层深度处的土壤水分传感器的测量值取平均而获得。
9.如权利要求6所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于， 参数输入子系统，还用于输入从表层到计划湿润层深度的土壤层数n，并设定田间持水量Qf、土壤灌溉湿润比p、田间水分有效利用系数η和灌溉面积A; 中央决策子系统的计算模块还包括计算单位面积的灌水定额M:
10.如权利要求6-9其中任一项所述的基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制系统，其特征在于， 中央决策子系统还包括天气预报模块，用于接收天气预报，当预报在设定的时间区间内有降雨时，则中央决策子系统中的决策模块不发出开始灌水的指令。
【文档编号】A01G25/16GK103493715SQ201310462562
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】石建初, 左强, 戴秋明 申请人:中国农业大学