基于基質(zhì)濕潤和根系生長特性的溫室生菜灌溉技術(shù).pdf

1、有機(jī)基質(zhì)栽培已經(jīng)成為設(shè)施園藝中避免連作障礙的一種有效技術(shù)。但是對(duì)于基質(zhì)的水分特性及其檢測(cè)方法還少有研究，這就導(dǎo)致基質(zhì)栽培中的水分灌溉尚達(dá)不到合理和精確的程度，影響作物生長及產(chǎn)量提高。如何能夠精確地監(jiān)測(cè)基質(zhì)中的水分含量，優(yōu)化基質(zhì)栽培的水分灌溉量，并實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)水灌溉，是基質(zhì)栽培高產(chǎn)高效迫切需要解決的一個(gè)問題。針對(duì)存在的問題，本文從基質(zhì)水分監(jiān)測(cè)傳感器的選擇、基質(zhì)濕潤體變化特征到溫室基質(zhì)栽培的生菜根系與基質(zhì)濕潤體的匹配等方面進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的

2、研究，并提出了基質(zhì)栽培的灌溉控制策略、開發(fā)了智能灌溉控制系統(tǒng)。主要研究工作有:
　　1)通過對(duì)現(xiàn)有土壤水分傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)分析，根據(jù)設(shè)施基質(zhì)栽培的特點(diǎn)選取EC-5電容傳感器作為基質(zhì)含水率的檢測(cè)設(shè)備，分析了基質(zhì)類型、基質(zhì)溫度、基質(zhì)容重和基質(zhì)電導(dǎo)率等因素對(duì)EC-5傳感器檢測(cè)基質(zhì)含水率精度的影響，確定主要影響因素并提出了簡(jiǎn)單易行的傳感器修正方法。通過對(duì)基質(zhì)剖面含水率的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)以及對(duì)不同深度基質(zhì)層含水率的變異性和相關(guān)性分析，采用聚類分析

3、法確定EC-5傳感器的布設(shè)位置。
　　2)研究了滴灌情況下滴灌流量、滴灌歷時(shí)、滴灌量和基質(zhì)初始含水率對(duì)基質(zhì)濕潤體和基質(zhì)水分分布的影響。結(jié)果表明:滴灌各基質(zhì)的濕潤體的形狀近似于旋轉(zhuǎn)拋物體，其水平入滲半徑最大的地方不在基質(zhì)表面，而是在基質(zhì)表面下3～6cm處。滴灌流量、基質(zhì)初始含水率和滴灌歷時(shí)均相同時(shí)，基質(zhì)濕潤體積大小為T4(醋糟+泥炭25％+蛭石25％)＞T3（醋糟+泥炭25％）＞T2（醋糟+泥炭50％）＞T1(T1醋糟)。相同灌溉量

4、，不同滴灌流量情況下，滴灌流量為0.15L/h時(shí)基質(zhì)水平入滲距離至少比0.5L/h的大23.3％，垂直入滲距離最多比0.5L/h的大5.5％，且形成的基質(zhì)濕潤體積較流量為0.5L/h大，滴箭8cm以下相同位置基質(zhì)的平均含水率至少比0.5L/h的高20％。相同灌溉歷時(shí)情況下，不同滴灌流量情況下，滴灌歷時(shí)60min，滴灌流量為0.5L/h時(shí)基質(zhì)水平入滲距離至少為0.15L/h的1.04倍，垂直入滲距離至少為0.15L/h的1.34倍，且形成

5、的基質(zhì)濕潤體積較流量為0.15L/h大，各基質(zhì)的最大基質(zhì)含水率比滴灌流量為0.15L/h的高9％13.5％。相同滴灌流量，不同灌溉量情況下，基質(zhì)的垂直入滲距離至少比水平入滲距離大62％，滴灌歷時(shí)為198min時(shí)，距滴箭水平方向3cm處基質(zhì)含水率至少比滴灌歷時(shí)為60min的高30％。相同滴灌歷時(shí)，隨基質(zhì)初始含水率的增加，基質(zhì)垂直入滲距離至少減小13％，水平入滲距離至少增加31％，基質(zhì)表層下方含水率等值線愈加彎曲。
　　3)研究了微噴

6、灌情況下基質(zhì)初始含水率和微噴灌量對(duì)基質(zhì)垂直入滲距離和基質(zhì)水分分布的影響。結(jié)果表明:各基質(zhì)處理均出現(xiàn)中間層，約在垂直方向4～10cm范圍內(nèi)，基質(zhì)含水率在該層變化較大;相同基質(zhì)初始含水率，基質(zhì)水分的垂直入滲距離隨灌溉量的增加而增大，噴灌歷時(shí)為30min時(shí)的中間層平均基質(zhì)含水率至少比15min的大22％。相同灌溉量，隨基質(zhì)初始含水率的增加，復(fù)配基質(zhì)T2，T3和T4水分垂向平均運(yùn)移速率增加56％，而基質(zhì)T1在低基質(zhì)初始含水率時(shí)的水分垂向運(yùn)移速率

7、較大，比復(fù)配基質(zhì)水分平均運(yùn)移速率大58％，中間層平均基質(zhì)含水率至少增加7.4％，但其基質(zhì)含水率等值線密度則隨基質(zhì)初始含水率的增加而降低。
　　4)采用無量綱分析法，建立了微灌情況下基質(zhì)濕潤體特征模型，并在此基礎(chǔ)上建立了基質(zhì)濕潤體半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，滴灌情況下，4種基質(zhì)的水平入滲距離和垂直入滲距離的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)0.8以上，回歸估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE和平均誤差ME最大分別為1.06cm和1.

8、18cm和-0.154和-0.53cm;微噴灌情況下，4種基質(zhì)的垂直入滲距離的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)0.9以上，RMSE和ME最大分別為1.06cm和1.3cm，表明該模型能較準(zhǔn)確的模擬微灌情況下基質(zhì)濕潤體變化。
　　5)分析了影響生菜根系生長和分布的主要因素。以積溫作為定量發(fā)育進(jìn)程的尺度，構(gòu)建了預(yù)測(cè)生菜根長和根深的模擬模型，以積溫和根深為自變量，建立了根區(qū)半徑動(dòng)態(tài)變化模型。結(jié)果表明:通過對(duì)不同采樣期的生菜根長、根深和

9、不同根深處的根區(qū)半徑進(jìn)行方差分析，最小的P值均大于0.05，沒有顯著差異性，可以忽略本實(shí)驗(yàn)所用栽培基質(zhì)種類的影響;不同灌溉方式下，生菜根長密度主要集中在0-6cm基質(zhì)層內(nèi)，約占總根長密度70％以上。所建的生菜根長、根深和根區(qū)半徑動(dòng)態(tài)模型對(duì)滴灌和微噴灌生菜的根長、根深和根區(qū)半徑的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間回歸估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE和相對(duì)誤差RE最大分別為290cm、0.81cm、0.63cm和15％、12％、13％，模型能較好的預(yù)測(cè)生菜營養(yǎng)生長階段

10、根系的生長情況。
　　6)分析了影響灌溉控制的影響因素并進(jìn)行蒸散量估算，提出了基于蒸散量、生菜根系與基質(zhì)濕潤體剖面面積重疊度的滴灌控制策略、匹配原則，以及基于蒸散量、生菜根深與基質(zhì)垂直濕潤鋒的微噴灌控制策略。對(duì)設(shè)施基質(zhì)栽培灌溉控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的設(shè)施基質(zhì)栽培智能灌溉控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了灌溉試驗(yàn)，達(dá)到優(yōu)化控制目標(biāo)。
　　結(jié)合前文灌溉開始后基質(zhì)濕潤體變化預(yù)