一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置及灌溉方法与流程

本发明属于农业节水灌溉设备技术领域，具体涉及一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置，本发明还涉及应用该装置进行灌溉的方法。

背景技术：

在农田作物生产过程中，适度的水分补给不仅可以提高作物的新陈代谢作用，而且促进作物的生长，是作物生长增产的必需条件。尤其在干旱地区，作物生长过程均需要人为灌溉进行田间土壤水分补给，以满足作物生长的正常需水量。田间灌溉发展到现在，已经有很多种灌溉形式出现，比如漫灌、滴灌，喷灌、微喷灌、渗灌及根灌等。灌溉形式的选择主要是通过出水量的调节，来满足不同作物对土壤水分的需求。在我国北方干旱与半干旱区域，由于农业用水的过度紧张，发展农田作物灌溉方式的同时，还需结合当地水资源的分布状况。因此，根据田间作物种类的需水量，发展节水灌溉技术，是目前农业灌溉科学发展的新方向。

果树类作物的生命周期一般均为多年生，根系发达且扎根较深，采用漫灌或滴灌的灌溉形式，灌溉水利用效率较低且容易造成水资源的过度浪费。针对于果树类作物的需水规律，农业技术人员主要采取根灌方式为果树提供土壤水分，相较于滴灌方式而言，根灌可以穿过作物根层上部土壤，将水分直接送到作物根系层，供作物根系吸收利用，这不仅提高了作物对水分利用效率的同时，也减少了土层表面水资源的蒸发浪费。

现有的根灌方式在实际应用过程中，也存在一定弊端。通过将管道插入土体中容易造成管道末端的堵塞，存在对堵塞管道的维护困难、无法实现土体湿润均匀、未能实现根灌的自动化、未考虑根灌出流在土体中的湿润面积均匀程度等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置，解决了现有技术中存在的在极端农业土壤环境下，根据果树根层土壤水分胁迫无法及时做出响应进行果树根层补水的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置，包括供水箱、中转水箱、根灌管，供水箱、中转水箱、根灌管通过管路依次连接形成回路，中转水箱还连接有马氏瓶；供水箱与中转水箱之间设置有水泵和电磁阀a，马氏瓶与中转水箱之间设置有电磁阀b，中转水箱与根灌管之间设置有电磁阀c，根灌管与供水箱之间设置有电磁阀d；电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c、电磁阀d、水泵均电性连接控制器；控制器还连接有数个传感器，传感器设置于根灌管周围；控制器连接电源。

本发明的特点还在于：

根灌管为螺旋型。

根灌管内部接通有多个消能块。

根灌管出水口周围设置有防堵护网。

传感器为tdr土壤水分传感器。

传感器垂向等间距布设。

中转水箱设置有底座，底座的高度可调节。

控制器为he5710。

本发明的有益效果是，实现果树根区三维立体全角度灌溉补水，提高果树根系对土壤水分的吸收，将根区土壤含水量保持在一个相对稳定的变化范围内，供果树根系吸水生长。同时可以对果树根区土壤含水量实时监测，提高预判风险能力，操作简单，结构稳定。

本发明的另一目的是提供一种根层灌溉的方法。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种根层灌溉的方法，采用上述技术方案中的一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置，具体按照以下步骤实施：传感器实时监测果树根区土壤含水量，低于设定阈值下限时传递信号至控制器，控制器控制电磁阀a、电磁阀c、电磁阀d、水泵开启，根灌管道内充满水进行灌溉作业；待根灌管流量稳定，控制器控制电磁阀a、电磁阀d、水泵关闭，并开启电磁阀b，通过马氏瓶为根灌管供水；若高于设定阈值下限时传递信号至控制器，控制器控制电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c、电磁阀d、水泵关闭，停止供水。

本发明的特点在于：

根灌管的供水过程分为两个阶段，利用水泵迅速充满管道积水，并产生水流压力提高根灌管上出水孔的水流流量，满足根区土壤前期累积入渗量较多的状况，管道内形成循环水流；当出水孔周围根区土壤入渗率保持相对稳定，根灌管供水流量也趋于稳定后，停止水泵供水过程，开启马氏瓶供水。马氏瓶与中转水箱配合，提供静压稳定的水流补给，与根灌管出水流量保持一个动态平衡，持续缓慢地向果树根区进行灌溉补水。

一种基于该装置的灌溉方法的有益效果是：分阶段供水方式协调配合使用，保证了根区土壤含水量的相对稳定，且节省了大部分农业灌溉用水，防止水资源的流失浪费。同时，管道供水过程中大部分水流动力通过大气压差和重力作用，节省了电力等能源消耗，降低了农业生产投入成本。

附图说明

图1是本发明一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置的结构示意图；

图2是本发明一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置的俯视图；

图3是本发明一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置的消能块的结构示意图。

图中，1.供水箱，2.中转水箱，3.根灌管，3-1防堵护网，3-2消能块，4.马氏瓶，5.水泵，6.电磁阀a，7.电磁阀b，8.电磁阀c，9.电磁阀d，10.控制器，11.传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于根区土壤水分胁迫响应的灌溉装置，如图1和图2所示，包括供水箱1、中转水箱2、根灌管3，供水箱1、中转水箱2、根灌管3通过管路依次连接形成回路，中转水箱2还连接有马氏瓶4；供水箱1与中转水箱2之间设置有水泵5和电磁阀a6，马氏瓶4与中转水箱2之间设置有电磁阀b7，中转水箱2与根灌管3之间设置有电磁阀c8，根灌管3与供水箱1之间设置有电磁阀d9；电磁阀a6、电磁阀b7、电磁阀c8、电磁阀d9、水泵5均电性连接控制器10；控制器10还连接有数个传感器11，传感器11设置于根灌管3周围；控制器10连接电源。

根灌管3为螺旋上升型设置，埋设在果树根系周围。如图3所示，其内设置有多个依次连通的消能块3-2，消能块3-2为内部设置有迂回通道的结构，通道始端开设有多个进水孔方便管道水进入消能通道，通道末端开设有两个出水孔形成出口。出水口外围是出水口的防堵护网3-1。根区灌溉主要通过管壁开设的出水孔为果树根区土壤进行补充水分，消能块3-2实现灌溉出水分流消能，保证灌溉水以水滴状流出，防止因束状水流流出而破坏根区土壤结构；而根灌出水口的防堵护网3-1可以防止土壤颗粒堵塞出水孔。

供水箱1、水泵2、根灌管3、中转水箱7、电磁阀a6、电磁阀c8及电磁阀d9之间通过管道连接，连通形成一个可调节管道水流压力的根区快速供水系统。当装置开启后，水泵5为管道内部水流提供动力，管道内水流流速升高，供水系统的管道内迅速充满水，形成管道内部水流循环。同时，由于管道水流压力的提高，根灌管3侧壁的出水流量增加，迅速补充果树根区土壤水分。

马氏瓶4、中转水箱2及根灌管3通过管道首部连接，连通形成一个根区持续静压供水系统。马氏瓶4起到持续供水的作用。系统开始工作后，当中转水箱2中的水位因根区供给入渗而有降低时，马氏瓶4中的水在势能的作用下流向中转水箱2，使中转水箱2中的水稳定在原来的位置，中转水箱2中的水仍保持原来的水位。由于中转水箱2中水流向根灌管3，马氏瓶4中的水补充了中转水箱2中的水，使马氏瓶4中的水位下降，此时马氏瓶4内的气压比大气压小，外界空气将通过马氏瓶4上部的进气孔进入马氏瓶4以达到新的平衡；当中转水箱2连续向根灌管3供水时，平衡过程就是上述的重复，达到静压持续供水的过程。

中转水箱2设置于底座上，底座为可调节高度。可通过调节底部的高度支架来控制根灌管3内的水头压力。

电磁阀a6、电磁阀b7、电磁阀c8、电磁阀d9、水泵5、传感器11和控制器10构成了整个控制终端。其中，传感器15为tdr土壤水分传感器，控制器10为he5710。通过果树根区垂向等间距布设的传感器11进行根层土壤含水量监测，根据果树不同生育期对土壤含水量的需求，设定果树根区土壤含水量保持范围在田间持水量的50％～80％。当果树根区土壤含水量不满足设定要求时，通过控制器10发出工作指令，控制相应的电磁阀a6、电磁阀b7、电磁阀c8、电磁阀d9依次启闭工作，补充根区土壤含水量。

根灌管3是仿照果树类根系分布轮廓特征而埋设。果树类根系分布特征一般呈现为根系密度随土壤深度逐渐减小，根据此特征根灌管3布设为螺旋上升型，环绕果树根系实现三维立体全角度灌溉补水，覆盖整个果树根系吸水区。

根灌管3的给水装置包括两套独立的系统，通过水泵5提供动力的管道灌溉水快速循环装置可快速补给根区水分和补满管道内灌溉水分布，待根灌管3上的出水孔流量稳定后，关闭管道灌溉水快速循环装置，开启通过马氏瓶4提供恒定水头压力的根区持续供水装置进行根区供水，两套系统相互协调配合使用，实现高效供水过程；

管道灌溉水快速循环装置的另一个优势在于，可以利用水泵5提供动力，在非农业生产期进行管道内的抗堵塞清洗；

恒定水头压力的根区持续供水装置采用马氏瓶4进行静压稳流补给灌溉水，不需要电力等能源消耗，节省农业生产成本；

采用传感器11来监测果树根区土壤含水量，布设方式为垂向等间距布设，可获得根区土壤整体的含水量分布情况，为灌溉补水决策提供精确依据；

装置的工作流程为监测-计算-控制，通过根区含水量的实时监测，结合作物生长需水模型，及时作出供水管道的启闭指令，控制整个根灌系统的高效运行。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种根层灌溉的方法，具体按照以下步骤实施：传感器11实时监测果树根区土壤含水量，低于设定阈值下限时传递信号至控制器10，控制器控制10电磁阀a6、电磁阀c8、电磁阀d9、水泵5开启，根灌管3道内充满水进行灌溉作业；待根灌管3流量稳定，控制器10控制电磁阀a6、电磁阀d9、水泵5关闭，并开启电磁阀b7，通过马氏瓶4为根灌管3供水；若高于设定阈值下限时传递信号至控制器10，控制器10控制电磁阀a6、电磁阀b7、电磁阀c8、电磁阀d9、水泵5关闭，停止供水。

根灌管3的供水过程分为两个阶段，利用水泵5迅速充满管道积水，并产生水流压力提高根灌管3上出水孔的水流流量，满足根区土壤前期累积入渗量较多的状况，同时，管道内形成循环水流，可清洁管道内的化学沉积物，防止管道出水孔堵塞；当出水孔周围根区土壤入渗率保持相对稳定，根灌管3供水流量也趋于稳定后，停止水泵5供水过程，开启马氏瓶4供水。马氏瓶4与中转水箱2配合，可提供静压稳定的水流补给，与根灌管4出水流量保持一个动态平衡，持续缓慢地向果树根区进行灌溉补水。两个供水阶段协调配合使用，保证了根区土壤含水量的相对稳定，且节省了大部分农业灌溉用水，防止水资源的流失浪费。同时，管道供水过程中大部分水流动力通过大气压差和重力作用，节省了电力等能源消耗，降低了农业生产投入成本。

本发明包括果树根区的根灌管3，与之连接的是两组给水装置(管道灌溉水快速循环装置、恒定水头压力的根区持续供水装置)，以及通过传感器11测定根区土壤含水率而控制整体装置启闭的中枢控制终端。根灌管3是仿照果树类根系分布轮廓特征而布设。为果树根区实现三维立体全角度灌溉补水，提高果树根系对土壤水分的吸收。将水泵5抽水灌溉和马氏瓶4静压输水灌溉两者协调配合使用，灌溉前期采用水泵抽水，提高根灌管3管壁出水孔的出水流量，加快根区土壤入渗；入渗稳定后，切换马氏瓶4进行静压稳定持续供水，将根区土壤含水量保持在一个相对稳定的变化范围内，供果树根系吸水生长。另外，采用tdr土壤水分传感器对果树根区土壤含水量实时监测，提高预判风险能力，采用中枢控制实现整个装置的高效运行。且该根层灌溉装置具有操作简单，结构稳定等优点。

使用该装置的根灌方法可应用于干旱地区各类农业生产条件，分阶段供水方式协调配合使用，保证了根区土壤含水量的相对稳定，且节省了大部分农业灌溉用水，防止水资源的流失浪费。同时，管道供水过程中大部分水流动力通过大气压差和重力作用，节省了电力等能源消耗，降低了农业生产投入成本。