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第 37 卷 第 8 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 Vol 37 No 8 2021 年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 133 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 王 柳 丁小明 李 愷 張凌風 裴慶余 尹義蕾 王春輝 侯 永 潘守江 田 婧 魯少尉 1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院設施農(nóng)業(yè)研究所 北京 100125 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室 北京 100125 摘 要 為滿足番茄椰糠條栽培條件下自動精量灌溉的需要 該研究研制了一套蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng) 包括蒸騰檢測 組件 通信組件 決策組件和灌溉組件 蒸騰檢測組件基于壓力傳感器測定番茄蒸騰量 決策組件基于椰糠條的持水特 性和番茄蒸騰量的變化建立了灌溉精量控制模型 精確控制水泵啟動和關閉 使灌溉量根據(jù)作物蒸騰量的多少變化 并 根據(jù)回液量及其電導率 Electrical Conductivity EC 值變化判斷調(diào)用正常灌溉模式或淋洗模式 使椰糠條始終處于適宜 的含水量范圍內(nèi) 保持一定的水氣比 以利于番茄根系生長和吸收營養(yǎng)液 解決灌溉不足造成的干旱脅迫和灌溉太多造 成的營養(yǎng)液浪費和回液處理量大的問題 通信組件用于各模塊間信號的傳遞 以荷蘭 RIDDER 公司研發(fā)的基于光輻射積 累量控制的灌溉系統(tǒng)為對照 檢驗該蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)的應用效果 結(jié)果表明 在番茄盛果期 該系統(tǒng)的灌溉量比 對照增加 9 4 回液量減少 18 且回液 EC 值比較穩(wěn)定 與定時灌溉相比 減少灌溉量 32 減少回液量 57 有更 多的營養(yǎng)液被植物吸收利用 栽培效果顯示 使用該系統(tǒng)灌溉的番茄產(chǎn)量 株高 節(jié)數(shù)與使用荷蘭 RIDDER 公司研制的 灌溉系統(tǒng)的沒有顯著差異 取得了與之相同的灌溉效果 而且 在 5 000 m 2 溫室內(nèi)設備設計使用年限 10 a 條件下 該智 能灌溉系統(tǒng)年運行成本與之相比還降低了 20 8 并能夠滿足自動精量灌溉的需求 若根據(jù)基質(zhì)類型不同調(diào)整灌溉控制 模型參數(shù) 該系統(tǒng)也可應用于巖棉條栽培 混合基質(zhì)盆栽等其他無土栽培的智能精量灌溉 關鍵詞 灌溉 蒸騰 傳感器 無土栽培 番茄 壓力傳感器 椰糠條 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 015 中圖分類號 S275 6 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2021 08 0133 10 王柳 丁小明 李愷 等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2021 37 8 133 142 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 015 http www tcsae org Wang Liu Ding Xiaoming Li Kai et al Development of transpiration feedback intelligent irrigation system for tomato under coconut coir slabs cultivation condition J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 8 133 142 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 015 http www tcsae org 0 引 言 番茄是中國設施中栽培最多的蔬菜 2016 年設施栽 培面積超過 80 萬 hm 2 占設施蔬菜總面積的 16 1 無 土栽培技術因其高產(chǎn) 克服連作障礙 在設施園藝中被 廣泛應用 椰糠因其成本較低 理化性狀良好 取材天 然 不污染環(huán)境等特性逐漸成為重要的無土栽培基質(zhì) 近年來推廣迅速 2 無土栽培營養(yǎng)液的恰當供給是作物吸 收養(yǎng)分和水分關鍵 無土栽培基質(zhì)體積遠小于土壤栽培 對水分和養(yǎng)分的緩沖性差 若不能及時供液會造成生產(chǎn) 上災難性的損失 若不間斷供液 作物根系長時間浸沒 于飽和營養(yǎng)液中會使根際通風不良 不利于根系的呼吸 從而不利于根系和作物的生長 嚴重的導致根壞死 因 此必須根據(jù)作物的需求來調(diào)整營養(yǎng)液的灌溉量和灌溉頻 收稿日期 2021 01 19 修訂日期 2021 03 19 基金項目 十三五 國家重點研發(fā)計劃 溫室智能化精細生產(chǎn)技術及裝備 研發(fā) 2017YFD0701500 河北省重點研發(fā)計劃 鮮食型口感番茄綠色生 產(chǎn)與品質(zhì)提升關鍵技術研究與示范 20326901D 作者簡介 王柳 博士 研究方向為設施園藝 Email wangliu 通信作者 丁小明 研究員 研究方向為溫室設施裝備研究和標準化 Email dingxiaoming 率 對于開放式 非循環(huán) 營養(yǎng)液供液系統(tǒng) 超出作物 需求的營養(yǎng)液供給還會造成水和肥料的浪費和環(huán)境污 染 對于封閉 循環(huán) 式營養(yǎng)液供給系統(tǒng) 超量營養(yǎng)液 供給導致大量的回液增加了處理量 特別是以椰糠為栽 培基質(zhì)的系統(tǒng)中 回液中含有有機物 雜質(zhì)顆粒和色素 回收利用更加困難 因此 恰到好處地自動精量供給營 養(yǎng)液能有效解決上述問題 土壤栽培中講究 見干見濕 以調(diào)節(jié)水氣平衡 而在基質(zhì)無土栽培中 營養(yǎng)液也是間 歇供給 目前國內(nèi)外基質(zhì)栽培自動供液方式有以下幾種 1 根 據(jù)經(jīng)驗使用定時器實現(xiàn)定時定量供給 這是中國基質(zhì)栽培 采用的主要方式 3 4 這種方式有可能會造成早晚灌溉過多 而中午蒸騰量大的時候灌溉不足 2 基于 Penman Monteith 模型 5 6 或修正的 Penman Monteith 模型 7 8 估測的蒸散量來 決策營養(yǎng)液的供給 這種方式需要的氣象參數(shù)很多 且難 以獲取 許多參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗選取的 有很大的局限性 3 利用介電傳感器如時域反射儀 9 10 頻域反射儀 11 13 電容傳感器 14 15 以及導熱率傳感器 16 等測得的基質(zhì)體積 含水率和水分 電導率 溫度組合傳感器測得的電導率 17 18 決定灌溉頻率 但這些方法存在傳感器價格昂貴 需要 校正和測量數(shù)值受基質(zhì)結(jié)構(gòu) 溫度和鹽度的影響等缺陷 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2021 年 134 4 通過監(jiān)測作物的反應來控制灌溉 如監(jiān)測作物的反射 率 19 圖像 20 熱平衡流量傳感器測得的莖液流或直徑 傳感器測得的直徑變化 10 21 22 葉片溫度 23 等 但這些方 法受取樣的代表性和其他因素影響準確率較低 且作物 反饋缺水時已經(jīng)受了傷害 5 無土栽培中較常用的是灌 溉控制模型是基于太陽輻射 當太陽輻射積累到一定量 時啟動一次灌溉 24 26 這種方式考慮了營養(yǎng)液需求的日 變化 但他是一種間接控制模型 因為不同品種作物不 同生長階段葉面積不同 同樣的輻射累積量 作物的蒸 騰量也不一樣 因此需要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整不同作物不同時 期的輻射累積量 作物的蒸騰同時還受溫度和風速的影 響 基于一個地方氣候條件和種植品種建立的灌溉模型 在另一個地方未必適用 這就是很多荷蘭先進的基于太 陽輻射累積量的灌溉控制系統(tǒng)引進中國后 水土不服 的原因 7 基于張力計 27 或負水頭供液決策的自動灌溉方 式 28 29 裝置比較復雜 對于成品的椰糠條張力計或多孔陶 瓷盤難以安裝 因此無法用于椰糠條的栽培 6 基于平板 天平自動稱量種有作物的基質(zhì)或容器的質(zhì)量 當其達到設 定閾值時則啟動灌溉 10 30 33 質(zhì)量隨時間的降低量反應了蒸 騰 蒸發(fā)和淋溶損失的水量 從而可以實現(xiàn)簡單而直接的 灌溉控制 該技術在國外已授權(quán)專利 荷蘭的 PRIVA RIDDER Hoogendoorn 等公司可以提供該技術 但設備和 支撐軟件較為昂貴 34 且控制模型不為中國所掌握 鑒于以上方法存在的問題 本研究采用壓力傳感器 檢測基質(zhì)質(zhì)量和回液質(zhì)量的方法 開發(fā)一種蒸騰反饋智 能灌溉系統(tǒng) 以期能根據(jù)作物蒸騰規(guī)律及時 精準控制 灌溉 本灌溉系統(tǒng)可應用于作物的設施無土栽培中 達 到節(jié)約水肥的目的 本研究對于降低精準灌溉系統(tǒng)的應 用成本具有重要意義 1 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)構(gòu)成 1 1 總體結(jié)構(gòu) 基于壓力傳感器的椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能 灌溉系統(tǒng)如圖 1 和圖 2 所示 由蒸騰檢測組件 通信組件 決策組件和灌溉組件組成 其中 蒸騰檢測組件由基質(zhì)質(zhì) 量檢測組件和回液檢測組件構(gòu)成 圖 3 基質(zhì)質(zhì)量檢測 組件包括壓力傳感器 回液收集槽和底座 回液檢測組件 包括回液引流管 可選 回液檢測罐 托盤 壓力傳感 器 底座 pH 值傳感器 可選 EC 值傳感器 可選 通信組件包括 2 個 LoRa 模塊 一個放置于中央控制室 另一個放置于溫室中 決策組件由放置于中央控制室的計 算機和控制模型構(gòu)成 灌溉組件包括營養(yǎng)液工作液儲罐 繼電器 潛水泵 供液支管 供液毛管和滴箭 計算機和放置于中央控制室內(nèi)的通信組件間為有線 連接 放置于中央控制室內(nèi)的通信組件和放置于溫室內(nèi)的 通信組件間為無線連接 放置于溫室內(nèi)的通信組件和繼電 器 基質(zhì)質(zhì)量檢測組件 回液檢測組件有線連接 基質(zhì)質(zhì) 量檢測組件和回液檢測組件檢測的實時質(zhì)量數(shù)據(jù)信號和 繼電器開關狀態(tài)信號經(jīng)過通信組件傳輸給決策組件中的 控制模型調(diào)用 控制模型給出的控制信號通過通信組件傳 輸給繼電器控制潛水泵的開關 從而實現(xiàn)灌溉控制 圖 1 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Topology diagram of transpiration feedback intelligent irrigation system for tomato under coco coir slabs cultivation condition 1 計算機 2 通信組件 置于中央控制室 3 通信組件 置于溫室內(nèi) 4 繼電 器 5 潛水泵 6 營養(yǎng)液工作液儲罐 7 供液支管 8 供液毛管 9 滴箭 10 基質(zhì)質(zhì)量和回液檢測組件 1 Computer 2 Communication component In the central control room 3 Communication component In the greenhouse 4 Relay 5 Submersible pump 6 Nutrient solution tank 7 Branch pipe 8 Lateral 9 Emitter 10 Substrate weight detector and drainage detector 圖 2 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)布置圖 Fig 2 Layout diagram of transpiration feedback intelligent irrigation system for tomato under coco coir slabs cultivation condition a 主視圖 a Front view b 側(cè)規(guī)圖 b Side view 1 吊蔓繩 2 番茄植株 3 巖棉塊 4 椰糠條 5 回液收集槽 6 壓力傳感器 基質(zhì)質(zhì)量檢測組件中 7 底座 基質(zhì)質(zhì)量檢測組件中 8 幾字型栽培 架 9 回液引流管 10 回液檢測罐 11 EC 值傳感器 12 pH 值傳感器 13 托盤 14 壓力傳感器 回液檢測組件中 15 底座 回液檢測組件中 1 Support wire 2 Tomato 3 Rockwool cube 4 Coconut coir slab 5 Trough for collecting drainage 6 Load cell In the substrate weight detector 7 Pedestal In the substrate weight detector 8 Gutter 9 Drainage tube 10 Tank for monitoring drainage 11 EC sensor 12 pH sensor 13 Tray 14 Load cell In the drainage detector 15 Pedestal In the drainage detector 圖 3 基質(zhì)質(zhì)量檢測和回液檢測組件示意圖 Fig 3 Schematic diagram of the substrate weight detector and drainage detector 第 8 期 王 柳等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 135 1 2 系統(tǒng)硬件選型 系統(tǒng)的硬件規(guī)格型號和性能如表 1 所示 考慮到果 菜長季節(jié)栽培的需要和無土栽培基質(zhì)質(zhì)量范圍差別較 大 選用 0 500 kg 大量程壓力傳感器作為檢測基質(zhì)質(zhì)量 的傳感器 最大誤差不超過 0 15 kg 一般每個基質(zhì)條上 4 株番茄每天灌溉量不少于 2 L 最大誤差占最小灌溉量 的 7 5 在可接受范圍內(nèi) 回液收集槽和底座采用輕質(zhì) 的鋁合金材質(zhì)自制 安裝運輸方便 每個基質(zhì)條上種植 4 株番茄 灌溉量最大時一般每天每株不超過 2 L 回液量 最大一般不超過灌溉量的 40 因此選用 0 5 kg 量程的 壓力傳感器作為回液質(zhì)量檢測的傳感器 對應選用 5 L 的 量杯作為回液檢測罐 托盤和底座采用耐腐蝕的不銹鋼 自制 RS 485 標準的數(shù)字通信網(wǎng)絡能在遠距離條件下以 及電子噪聲大的環(huán)境下有效傳輸信號 使得連接本地網(wǎng) 絡以及多支路通信鏈路的配置成為可能 35 因此本系統(tǒng) 采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換儀表和變送器將壓力傳感器信號轉(zhuǎn)換成 RS 485 輸出信號 對應灌溉組件中的繼電器的輸入信號 也為 RS 485 LoRa 模塊具有功耗低 傳輸距離遠 信 號穿透性強 靈敏度高 穩(wěn)定性好 兼容性廣 組網(wǎng)方 便等優(yōu)點 選用其作為通信組件 3 個小區(qū)共種植番茄 480 株 按最大灌溉量每天每株 2 L 計 每天灌溉總量不 超過 1 m 3 因此選用 1m 3 的營養(yǎng)液工作液儲罐 灌溉組 件中的支管 毛管和滴箭為原高架栽培灌溉系統(tǒng)原有配 置 潛水泵根據(jù)管路長短和滴箭流量選型 本試驗系統(tǒng) 中采用了營養(yǎng)液工作液儲罐的方式 營養(yǎng)液工作液一天 一配 未來系統(tǒng)成熟后可連接到施肥機 pH 值傳感器和 EC 值傳感器為選裝設備 本試驗中暫時未安裝 由人工 檢測 表 1 系統(tǒng)硬件規(guī)格型號及性能 Table 1 Specifications and performance of system hardware 組件名稱 Component name 組件構(gòu)成 Components 規(guī)格型號 Specifications 數(shù)量 Number 性能 Performance 壓力傳感器 DYLF 102 4 綜合誤差 0 03 量程 0 500 kg 多路接線盒 DY JXH S4 1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換儀表 DY220 K1T2 1 輸出信號 RS 485 回液收集槽 自制 鋁合金材質(zhì) 800 mm 200 mm 30 mm 1 輕 基質(zhì)質(zhì)量檢測組件 Substrate weight detector 底座 自制 斷面 30 mm 30 mm 的鋁型材制成 800 mm 200 mm 方框 1 輕 安裝方便 壓力傳感器 YZC 1B 1 綜合誤差 0 02 量程 0 5 kg 變送器 RW GT01D 輸出信號 RS 485 回液檢測罐 材質(zhì)聚氯乙烯 PVC 容積 5L 1 輕 耐腐蝕 回液引流管 材質(zhì)聚氨酯 PU 直徑 10 mm 長度 500 mm 1 輕 耐腐蝕 托盤 材質(zhì)不銹鋼 直徑 150 mm 厚度 4 mm 耐腐蝕 回液檢測組件 Drainage detector 底座 材質(zhì)不銹鋼 直徑 150 mm 厚度 4 mm 耐腐蝕 通信組件 Communication component LoRa 模塊 USR LG206 L P 1 傳輸距離 3 500 m 最大發(fā)射功率 20 dBm 接收靈敏度 138 5 dBm 0 268 Kbps 決策組件 Decision component 計算機 聯(lián)想天逸 510S 08IKL 1 潛水泵 QDX1 5 25 0 55L2 1 流量 1 5 m 3 h 揚程 16 m 2 路繼電器 JY DAM0200 1 RS 485 輸入 Modbus RTU 通信協(xié)議 營養(yǎng)液工作液儲罐 材質(zhì)聚氯乙烯 PVC 容積 1 m 3 1 支管 材質(zhì)聚氯乙烯 PVC 內(nèi)徑 25 mm 1 毛管 材質(zhì)高密度聚乙烯 DPE 內(nèi)徑 16 mm 3 灌溉組件 Irrigation component 滴箭 NDJ 滴箭 2 3 L h 灰色長角迷宮流道 含 Netafim 2 L h 防滴漏 壓力補償?shù)晤^ 壁厚 3 mm 直徑 5 mm 白色微管 960 流量 2L h 2 灌溉決策模型參數(shù)選擇及系統(tǒng)軟件設計 2 1 灌溉決策模型及參數(shù)選擇 2 1 1 基質(zhì)結(jié)構(gòu)及其特征 基質(zhì)的性質(zhì)是灌溉決策的基礎 本試驗采用的是荷 蘭 FORTECO Power 商品椰糠條和 Grodan Delta 商品巖 棉塊 性質(zhì)比較均一 椰糠條泡發(fā)后體積為 100 cm 15 cm 10 cm 6 面塑料膜包裹 僅底邊留有排液孔 巖 棉塊體積為 10 cm 10 cm 6 5 cm 4 面塑料膜包裹 1 面 與椰糠接觸 僅 1 面暴露于空氣中 蒸發(fā)損失很小 幾 乎可以忽略 因此灌溉量減去回液量即為蒸騰量 可以 通過檢測基質(zhì)和回液的質(zhì)量計算蒸騰量 進而基于蒸騰 反饋精準調(diào)控灌溉量 取 3 個干椰糠條 稱質(zhì)量 用量杯加水 15 min 加 1 次 每次 1 L 每個椰糠條加水 15 L 放置 1 晚排除重力 水 第 2 天早上排除多余的水后稱質(zhì)量 2 次質(zhì)量相減即 可得其持水量為 8 32 0 35 kg 同理測得巖棉塊的持 水量為 0 53 0 03 kg 則 1 個椰糠條和 4 個巖棉塊的 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2021 年 136 持水總量為 10 44 0 47 kg 2 1 2 模型的選擇 1 經(jīng)驗定時灌溉模型 于番茄第一穗果成熟期 本研究請有經(jīng)驗的園藝師 設定經(jīng)驗定時灌溉模式 作為控制模型選擇的參考 表 2 試驗結(jié)果顯示 3 個相似的晴朗或多云天氣下 回液占比均在 30 左右 同時 根據(jù)荷蘭種植者建議 36 回液占灌溉量的比例為 25 30 當其低于 10 15 時基質(zhì)袋中的 pH 值和 EC 值會偏離合理的范圍 并且很 難調(diào)整 當回液的占比超過 30 基質(zhì)袋中的環(huán)境穩(wěn)定 但耗水耗肥較多 鑒于此 經(jīng)驗定時灌溉模型控制下耗 水耗肥較多 且灌溉頻率和單次灌溉時間的確定嚴重依 賴于園藝師的經(jīng)驗 不利于推廣 表 2 經(jīng)驗定時灌溉試驗條件和結(jié)果 Table 2 Conditions and results of experience timed irrigation test 日期 Date 灌溉量 Irrigation volume mL d 1 株 1 回液量 Drainage volume mL d 1 株 1 回液占比 Drainage proportion 天氣 Weather 風力 Wind 2020 11 28 1 330 455 34 晴轉(zhuǎn)多云 微風 2020 11 29 1 330 430 32 晴 微風 2020 11 30 1 330 380 29 多云 微風 注 9 00 9 45 10 30 11 15 和 12 00 每次灌溉 6 min 12 45 和 13 30 每次 灌溉 5 min Note Each time irrigated 6 min at 9 00 9 45 10 30 11 15 and 12 00 Each time irrigated 5 min at 12 45 and 13 30 2 灌水上下限控制模型 土壤栽培的自動灌溉一般采用灌水上下限的控制 模式 當土壤含水量達到下限時啟動灌溉 達到上限時 則停止 有研究表明 37 綜合產(chǎn)量 畸形果率和灌溉 水利用效率等因素 番茄開花坐果期 0 60 cm 土層的 土壤含水率保持在田間持水率的 80 左右為宜 參考 該結(jié)果 本研究將基質(zhì)持水量的 80 設為灌溉下限 基質(zhì)持水量的 100 設為灌溉上限進行預試驗 試驗結(jié) 果顯示 1 d 僅灌溉 2 次 總灌溉時間 51 min 灌溉量 1 796 mL d 株 回液量達到 650 mL d 株 回 液占比達到 38 灌溉量遠超過番茄需求量 造成大 量的水肥浪費 因此 土壤栽培的灌溉自動控制模型對 于持水性差的基質(zhì)并不適用 椰糠條栽培番茄灌溉應遵 循少量多次的原則 3 蒸騰反饋智能灌溉控制模型 鑒于上述 2 種灌溉控制模型對于椰糠條栽培番茄的 精準灌溉并不適用 本研究在分析番茄每日蒸騰變化規(guī) 律的基礎上開發(fā)一種蒸騰反饋智能灌溉控制模型 有研究表明 31 基質(zhì)栽培番茄一天中蒸騰速率呈梯 形變化 7 00 左右蒸騰速率開始迅速上升 在 12 00 左右 達到高峰 然后維持在這一水平直至 15 30 左右開始下 降 同時 也有研究 32 證明了巖棉栽培番茄在不同生育 期 不同天氣 晴天 陰天 的耗水速率基本符合上述 規(guī)律 還有研究表明 38 39 番茄莖流速率在 12 00 13 00 左右達到峰值 椰糠條栽培基質(zhì)體積小 4 棵番茄共用 15 L 基質(zhì) 每株不到 4 L 對水氣的緩沖性小 因此需根據(jù)其蒸騰速 率的日變化規(guī)律精確調(diào)控水肥供給 同時從工程設計的 角度考慮 應盡量避免灌溉設備頻繁啟停 據(jù)此本研究 設計了基于蒸騰反饋的智能灌溉控制模型如圖 4 所示 該控制模型分為正常灌溉模式和淋洗模式 通常情況下 使用正常灌溉模式 當基質(zhì) EC 值超過植物耐受范圍或蒸 騰量特別大時采用淋洗模式 a 正常灌溉模式 a Normal irrigation mode b 淋洗模式 b Flushing mode 注 時段 表示從開始灌溉到日中時刻 時段 表示從日中時刻到停止淋洗 時段 表示從停止淋洗到停止灌溉 時段 表示從停止灌溉到第 2 天開始灌 溉 在正常灌溉模式下時段 的時間為 0 Note Stage is from the beginning of irrigation to midday stage is from midday to stopping flushing stage is from stopping flushing to stopping irrigation stage is from stopping irrigation to the beginning of irrigation in next day Under the condition of normal irrigation mode the time of stage is zero 圖 4 基于蒸騰反饋的智能灌溉控制模型示意圖 Fig 4 Schematic diagram of intelligent irrigation control model based on transpiration feedback 2 1 3 蒸騰反饋智能灌溉控制模型參數(shù)的確定 采用蒸騰反饋智能灌溉控制模型需要確定日出時 刻 日中時刻 日落時刻 開始灌溉時刻 達到基質(zhì)持 水量時刻 停止淋洗時刻 停止灌溉時刻 基質(zhì)含水量 設定下限 基質(zhì)含水量設定上限 基質(zhì)持水量 單次灌 溉時間等參數(shù) 由前人研究 31 32 38 39 和本研究預試驗可知 番茄夜 間的蒸騰速率很小 蒸騰速率在日中時刻左右達到最 大 據(jù)此將一天大致劃分為 4 個時段 開始灌溉到日 中時刻為第 時段 此時需順應蒸騰速率逐漸增大的 規(guī)律 將基質(zhì)含水量逐漸灌至含水量設定上限 日中 時刻至停止淋洗為第 時段 此時基質(zhì)實時含水量應 維持在基質(zhì)持水量以上 以淋洗出基質(zhì)中多余鹽分 淋洗結(jié)束至停止灌溉為第 時段 此時基質(zhì)實時含水 第 8 期 王 柳等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 137 量應維持在基質(zhì)持水量上下以滿足午后高蒸騰速率的 需要 保證有充足的水分和養(yǎng)分滿足作物光合作用的 需要 停止灌溉至第 2 天灌溉啟動前為第 時段 此 時應使基質(zhì)含水量逐漸回落至適宜的基質(zhì)含水量設定 下限 使空氣進入基質(zhì) 保證根系的呼吸作用和正常 生長 第 時段為淋洗階段 正常灌溉模式時第 時 段的時間為 0 灌溉系統(tǒng)安裝地點的日出 日中和日落時刻是灌溉 時段劃分的重要依據(jù) 其日出時刻 t sunrise 計算如式 1 所示 sunrise lo la 2 9 24 180 180 15 acos tan 23 43 cos tan 360 180 365 180 D tTS S 1 式中 T 為安裝地點所在地理時區(qū) 如北京的時區(qū)為東 8 區(qū) T 8 S lo 為安裝地點緯度 北緯為正 南緯為負 rad S la 為安裝地點經(jīng)度 東經(jīng)為正 西經(jīng)為負 rad D 為日期序列數(shù) 即當天在這一年中的序列 如 2 月 11 日為 42 式 1 計算結(jié)果為小于 24 的數(shù)值 如 6 69 則表示 6 41 日落時刻 t sunset 計算如式 2 所示 sunset lo sunrise 24 180 15 180 tTSt 2 日中時刻 t midday 計算如式 3 所示 sunrise sunset midday 2 tt t 3 有研究表明 40 高架袋培番茄一般采用流量為 33 mL min 的滴箭 與本研究所選滴箭流量相同 該研究 還表明 40 番茄坐果后供液量 1 500 mL d 株 左右 每 天灌溉 6 8 次 每次供液量 100 120 mL 據(jù)此 本研 究確定每次每株番茄供液量為 120 mL 左右 結(jié)合本研究 所選用的滴箭流量 33 mL min 將單次灌溉時間確定為 4 min 則每次灌溉時 1 個椰糠條上 4 株番茄的總供液量 為 528 mL 其質(zhì)量約為 0 5 kg 當回液檢測組件第 1 次檢測到回液質(zhì)量時椰糠條 中的含水量達到其基質(zhì)持水量 基質(zhì)質(zhì)量檢測組件記錄 此時質(zhì)量為 m f c kg 如上文所述在第 時段 基 質(zhì)實時含水量需圍繞 m f c 上下波動 而在 4 min 的單次 灌溉時間內(nèi)蒸騰量很小 可忽略不計 基質(zhì)實時含水量 表現(xiàn)為直線上升 據(jù)此結(jié)合 1 個椰糠條上單次供液的質(zhì) 量為 0 5 kg 將基質(zhì)持水量減去 1 個椰糠條上單次供液 質(zhì)量的 1 2 即 m f c 0 25 kg 設為基質(zhì)含水量設定上 限 m 3 kg 有研究表明 34 對于椰糠基質(zhì)中的番茄 第 D 天 的最后一次灌溉到第 D 1 天的第 1 次灌溉 基質(zhì)實 時含水量比基質(zhì)持水量減少 10 15 則其水分保 持在最佳范圍內(nèi) 基質(zhì)實時含水量的減少是由于蒸騰 作用 為留有一定的保險系數(shù) 本研究取基質(zhì)含水量 設定下限為比基質(zhì)持水量下降 10 結(jié)合前文測得的 基質(zhì)持水量 10 44 kg 可知 基質(zhì)含水量設定下限為 m f c 1 kg 若日出前基質(zhì)實時質(zhì)量達到基質(zhì)含水量 下限 則啟動 1 次 2 min 灌溉 補充基質(zhì)水分到下限 以上 開始灌溉時刻 t 1 需確定在日出后番茄蒸騰速率迅 速增加時 根據(jù)經(jīng)驗 當日出后基質(zhì)實時質(zhì)量比基質(zhì)含 水量設定下限下降 1 個椰糠條每次供液量的 1 2 即 0 25 kg 時啟動當天第 1 次灌溉 設此時的質(zhì)量為 m 1 kg 此時的時刻為開始灌溉時刻 當日輻射越強 則 日出后基質(zhì)總質(zhì)量越早達到 m 1 根據(jù)對稱原則 設下午 停止灌溉的時刻為 t 3 令 t 1 t sunrise t sunset t 3 淋洗時間段 的時長則需要根據(jù)需要回液的量和回液的 EC 值綜合確 定 設停止淋洗時刻為 t 4 設第 時段 基質(zhì)質(zhì)量上升階段任意時刻 t 2 的基質(zhì) 設定質(zhì)量為 m 2 kg 其計算如式 4 所示 31 2211 midday 1 mm mttm tt 4 采用正常灌溉模式時 當基質(zhì)實時質(zhì)量小于或等于 m 2 時 決策組件發(fā)出灌溉信號 并在接收到灌溉組件 灌溉確認的反饋信號時開始計時 并在 4 min 后發(fā)出結(jié) 束灌溉指令 如此循環(huán) 直至 t 2 t midday 進入第 時段 此時段內(nèi)當基質(zhì)實時質(zhì)量再次達到 m 3 時決策組件發(fā)出 灌溉信號 并在接收到灌溉組件灌溉確認反饋信號時開 始計時 并在 4 min 后發(fā)出灌溉結(jié)束指令 如此循環(huán) 直至到達 t 3 時刻進入第 時段 第 時段結(jié)束后當回 液檢測組件檢測到回液質(zhì)量不再增加時讀取此時的回 液質(zhì)量并計算當天的灌溉總量 計算回液質(zhì)量在總灌溉 量中的占比并記錄 如采用淋洗灌溉模式時 則當 m 2 m f c 進入第 時 段 此時段內(nèi)當基質(zhì)實時質(zhì)量再次達到 m f c 時決策組件發(fā) 出灌溉信號 并在接收到灌溉組件灌溉確認反饋信號時 開始計時 并在 4 min 后發(fā)出灌溉結(jié)束指令 如此循環(huán) 直至 t 4 時刻 進入第 時段 后續(xù)過程與采用正常灌溉 模式時相同 若根據(jù)基質(zhì)類型不同調(diào)整灌溉控制模型參數(shù) 該蒸 騰反饋智能灌溉系統(tǒng)也可用于巖棉條栽培 混合基質(zhì)盆 栽等其他無土栽培的智能精量灌溉 2 2 蒸騰反饋智能灌溉控制系統(tǒng)軟件設計 蒸騰反饋智能灌溉控制系統(tǒng)軟件是在 Qt 5 14 2 軟 件平臺下開發(fā) 前端依靠 QML JavaScript 語言實現(xiàn)顯 示界面及控制邏輯 后臺依靠 C 語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的 操作 組件間的通信 前后端的數(shù)據(jù)溝通 日出日中日 落時刻的獲取 系統(tǒng)工作流程如圖 5 所示 系統(tǒng)還配備 了手動模式 以備在停電 斷網(wǎng) 自動控制模型故障時 使用 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2021 年 138 注 EC 為電導率 mS cm 1 m f c 為基質(zhì)持水量 kg m f c 1 kg 為含水量設定下限 kg m 1 為首次灌溉時的質(zhì)量 kg m 2 為計算實時質(zhì)量 kg m 3 為含水 量設定上限 m 3 m f c 0 25kg kg t 1 為首次灌溉啟動時刻 t 2 為當前時刻 即實時 t 3 為灌溉結(jié)束時刻 Note EC is the electrical conductivity mS cm 1 m f c is the water hold capacity of the substrate kg m f c 1 kg is the lower line of water content kg m 1 is the weight at the beginning of the irrigation kg m 2 is the calculated real time weight kg m 3 is the upper line of water content m 3 m f c 0 25 kg kg t 1 is the time at the beginning of the irrigation t 2 is the current moment i e real time t 3 is the time of stopping irrigation 圖 5 智能灌溉控制流程圖 Fig 5 Flowchart of intelligent irrigation control 3 蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)應用試驗 3 1 試驗地點及方法 2020 年 9 月 4 日至 2021 年 1 月 13 日在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 規(guī)劃設計研究院河北廊坊永清基地連棟玻璃溫室 A2 試 驗區(qū)進行試驗 基地溫室面積 5 000 m 2 溫室檐口高度 6 m 每個試驗區(qū)長 寬為 34 m 16 m 試驗區(qū)配置有內(nèi) 外遮陽 內(nèi)保溫 濕簾風機 加溫管道 頂部為散射光 玻璃 試驗布置如圖 2 所示 南北方向設置栽培行 處 理組 TK 與對照組 CK 間隔排列 3 次重復 處理 組采用本研究開發(fā)的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)進行灌溉 對照組連接到荷蘭 RIDDER 公司的施肥機 以光輻射累 積量控制灌溉 該系統(tǒng)通過 CX500 工控計算機實現(xiàn)溫室 環(huán)境及灌溉自動控制 初始投入 31 萬元 其中灌溉控制 系統(tǒng)軟硬件約 9 1 萬元 番茄品種為 JUANITA 拜耳公司 德澳特 櫻桃番 茄 栽培模式采用椰糠條無土栽培 營養(yǎng)液為荷蘭營 養(yǎng)液配方 苗期 初花期和結(jié)果期營養(yǎng)液 EC 值分別為 1 5 2 8 2 5 mS cm 營養(yǎng)液 pH 值為 5 3 5 8 5 5 2020 年 9 月 4 日播種到 72 穴育苗盤 育苗基質(zhì)為椰糠和珍珠 巖混合基質(zhì) 2020 年 9 月 24 日移植到巖棉塊 2020 年 10 月 17 日定植到椰糠條 椰糠條提前 2 d 用營養(yǎng)液泡發(fā) 每小區(qū)標記 3 株測產(chǎn) 用 Statistix 9 軟件中 One way AOV 程序進行方差分析 3 2 試驗結(jié)果與分析 3 2 1 灌溉量和回液量 應用本智能灌溉系統(tǒng)和使用荷蘭 RIDDER 公司研發(fā) 的灌溉系統(tǒng)進行灌溉的效果如表 3 所示 采用本灌溉系 統(tǒng)的番茄平均每天每株的灌溉量比采用荷蘭 RIDDER 公 司研發(fā)的灌溉系統(tǒng)的多 9 4 回液量少 18 且回液的 EC 值比較穩(wěn)定 說明使用本智能灌溉系統(tǒng)根據(jù)作物吸收 營養(yǎng)液的規(guī)律灌溉 更多的營養(yǎng)液被作物利用 對比表 2 可知 使用本智能灌溉系統(tǒng)比經(jīng)驗定時灌溉平均減少灌 溉量 32 減少回液量 57 第 8 期 王 柳等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 139 表 3 本智能灌溉系統(tǒng)與 RIDDER 公司研發(fā)的灌溉系統(tǒng)灌溉效果對比 Table 3Comparison of irrigation results between intelligent irrigation system designed by this study and irrigation system designed by RIDDER company 本智能灌溉系統(tǒng) Intelligent irrigation system designed by this study RIDDER 公司研發(fā)的灌溉系統(tǒng) Irrigation system designed by RIDDER company 日期 Date 灌溉量 Irrigation volume mL d 1 株 1 回液量 Drainage volume mL d 1 株 1 回液占比 Drainage proportion 回液 EC 值 Drainage EC mS cm 1 灌溉量 Irrigation volume mL d 1 株 1 回液量 Drainage volume mL d 1 株 1 回液占比 Drainage proportion 回液 EC 值 Drainage EC mS cm 1 天氣 Weather 風力 Wind 2020 12 24 1064 225 21 6 5 1100 337 5 31 6 8 晴 微風 2020 12 25 780 125 16 6 5 850 275 32 7 9 晴 微風 2020 12 26 931 250 27 6 2 750 2 212 5 28 7 9 晴 微風 2020 12 27 931 225 24 6 6 850 225 26 8 晴 微風 2020 12 28 780 200 26 6 3 500 125 25 7 5 晴轉(zhuǎn)多云 微風 2020 12 29 931 125 13 6 4 750 162 5 22 7 6 多云 北風 3 4 級 2020 12 30 931 112 5 12 6 6 1000 200 20 7 3 晴 微風 平均 Mean 907 180 20 829 220 26 3 2 2 番茄生長與產(chǎn)量 截至 2021 年 1 月 11 日 使用本智能灌溉系統(tǒng)的番 茄單株產(chǎn)量 株高和節(jié)數(shù)為 380 24 g 387 8 cm 和 41 2 0 8 與使用 RIDDER 公司研發(fā)的灌溉系統(tǒng) 的 382 17 g 3