温室灌溉控制策略研究进展.pdf

第 null期 代志伟 等 温室灌溉控制策略研究进展 nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 温室灌溉控制策略研究进展 null 代志伟 程曼 袁洪波 蔡振江 河北农业大学机电工程学院 河北保定 nullnullnullnullnullnull 摘要 灌溉是温室生产中的一个重要环节 不合理的灌溉控制方法会造成水资源的浪费 通过对温室灌溉控制策略的发 展和应用情况进行综述 从基于蒸腾模型 土壤 基质湿度传感器 作物特性 null个方面阐述当前温室生产中灌溉控制策略 的研究进展 针对用于制定灌溉控制策略的不同蒸腾模型分析对比各自优缺点和适用条件 针对常见湿度传感器 分析 其测量原理并讨论具体应用 从形态学和生理两个角度对基于作物特性的灌溉控制测量进行分类讨论 最后 对当前温 室灌溉控制策略从控制策略融合度 灌溉控制策略与灌溉控制装备匹配度和泛化性以及普适性方面进行总结和展望 通 过分析展望发现土壤水分传感器和植物信息传感器很有发展前景 在未来的发展中 灌溉控制策略与灌溉控制装备的发 展将会不断交互融合 温室节水灌溉控制技术的发展趋势必定向着更高效 更简便以及更智能化的方向发展 关键词 温室灌溉 控制策略 蒸腾模型 土壤湿度传感器 作物特性 中图分类号 nullnullnullnull nullnull 文献标识码 null nullnull 文章编号 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 代志伟 程曼 袁洪波 蔡振江 null温室灌溉控制策略研究进展 null null中国农机化学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull年 null月 null日 nullnull 修回日期 nullnullnullnull年 nullnull月 nullnull日 null 基金项目 河北省重点研发计划项目 nullnullnullnullnullnull 河北省自然科学基金项目 nullnullnullnullnullnull 第一作者 代志伟 男 nullnullnullnull年生 河北沧州人 硕士研究生 研究方向为温室水肥一体化技术 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 通讯作者 蔡振江 男 nullnullnullnull年生 河北保定人 博士 教授 研究方向为智慧农业及智能农业装备 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 引言 目前水资源短缺已经成为一个全球性的危机问 题 null 其中用于农业灌溉的用水量约占全部生产生活 总用水量的 nullnullnull null 因此 改善灌溉方式和改进灌溉 控制方法对于环境水资源短缺具有重要的意义 在农 业生产中 设施农业占据了重要的地位 截止到 nullnullnullnull 年 我国设施园艺面积已从 nullnullnullnullnullnullnull null 发展到目前 第 nullnull卷 null 第 null期 nullnullnullnull年 null月 中国农机化学报 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 中国农机化学报 nullnullnullnull年 nullnullnullnullnullnullnullnull null 温室作为设施园艺生产的重要形式 对 于整个设施园艺产业的发展起着重要的影响作用 灌 溉是温室生产中不可或缺的一环 它对蔬菜等作物的 生长发育 产量起着关键作用 null 温室生产过程中需要消耗大量的灌溉用水 合理 的灌溉控制方法可以有效的降低用水量 提高用水效 率 节约水资源 null 目前 我国温室生产过程中多数仍 采用传统灌溉方式 不能根据实际情况进行 按需供 水 不但造成了水资源的浪费 作物产量和质量的提 高也极大地受到了制约 null nullnull 近些年来 我国在农业节 水方面做了大量工作 也取得了显著成绩 但是在温室 灌溉控制策略方面仍存在一些问题需进行深入研究 如何根据需水量进行精准灌溉是当前温室灌溉的一个 核心研究内容 围绕这一目标 国内外学者进行了大量 的研究 本文从基于蒸腾模型 基于土壤 基质传感 器 基于作物形态和生理特性参数角度对当前温室灌 溉控制策略进行了分析和讨论 并进行了总结和展望 null 基于蒸腾模型的灌溉控制策略 在土壤 植物 大气连续体 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 系统中 水分的循环是一个连续的过 程 在这一过程中水分呈现出一个液态 气态 液态 固 态的动态变化形式 与露天栽培可以通过降水补充水 分不同 温室中水分的供给全部来自于灌溉 理论上 通过评估水分的消耗就可以计算出灌溉所需用水量 在温室中水分消耗的主要形式有植物蒸腾 土壤蒸发 以及深层渗漏 其中大部分水分的消耗通过蒸腾作用 实现 且随着植株的生长发育所占比重越来越大 因 此 可以通过估算植物蒸腾量来计算灌溉用水量和灌 溉时间 null 以及制定出相应的灌溉策略 null nullnullnull 近年来 研究人员已经开发出了多种蒸腾模型用 于灌溉控制策略的制定 这些模型大部分都是基于联 合国 粮 食 及 农 业 组 织 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 提出的参考蒸腾量计算公式 即 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 公式 nullnull 如式 null 所示 nullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null 式中 nullnullnull 参考蒸腾量 nullnull nullnullnull 即当作物高度为 nullnullnullnullnull 时 并有固定的地表阻力 nullnullnull null 反射率为 nullnullnullnull 土壤水分供应充足条件 下假想的作物冠层蒸发腾发量 nullnull 作物表面净辐射量 nullnull null null nullnullnull null 土壤热通量 nullnull null null nullnullnull null 湿度计常数 nullnullnull null null 地面上 nullnull 高处空气平均温度 null nullnull 地面上 nullnull 高处风速 null null nullnull 空气饱和水汽压 nullnullnull nullnull 空气实际水汽压 nullnullnull null 空气实际水汽压与空气温度关系曲线斜 率 nullnullnull null 实际蒸腾量的可以在 nullnullnull 的基础上结合作物系数 nullnull 计算得到 作物系数的计算方法分为两种 单作物 系数法和双作物系数法 分别如式 null 和式 null 所示 nullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull null 式中 nullnullnull 实际蒸腾量 nullnull 综合作物系数 nullnullnull 基础作物系数 nullnull 土壤蒸发系数 通过研究表明 nullnullnull 可分为植物蒸腾 nullnull 和土壤蒸 发 null null 其中 nullnull 与植物生长密切相关 而 null null 被认为是 无效耗水 因此准确模拟温室 nullnull 和 null null 将对温室作物的 精确灌溉十分重要 nullnull 作物系数与作物品种 种植区 域 以及作物相关生理参数等有关 需要根据实际应用 情况进行确定 在单作物系数法中 将植物蒸腾和土 壤蒸发统一考虑 而在双作物系数中分别考虑了两者 的不同 并将作物系数分为 nullnullnull 和 nullnull 樊引琴 nullnull 和卢 晓鹏 nullnull 分别对 nullnullnullnullnullnull 推荐的双作物系数法和单作物 系数法进行了比较试验 试验结果一致表明当地面部分 覆盖较多时 双作物系数法更接近实测值 当完全覆盖 时 两者差异不大 另外 对于土壤蒸发和植物蒸腾模 拟的常用方法除了 nullnullnullnullnullnull 中的双重作物系数 nullnullnullnullnullnullnull 方法 还 有 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 模 型 为了验证这两种模型在温室栽培条件下的适用性 龚雪文 nullnull 和 nullnullnullnullnull nullnull 分别针对温室番茄和温室黄瓜进 行了试验 结果表明这两种模型可以用于温室作物的蒸 腾量评估 nullnullnullnull 等 nullnull 针对日光温室番茄栽培 分别用 nullnullnull 和 nullnullnullnullnullnullnull 模型估算蒸散量 试验结果表明用 nullnullnullnullnullnullnull 方法制定灌溉制度更简便 nullnullnull 公式针对的是露地种植情况 由于温室的 特有结构导致其与露地种植存在较大的差异 所以需 要根据实际情况对 nullnullnull 公式进行修正才能使用 在 温室中由于风速较低 赵颖等 nullnull 利用实时采集的温室 环境参数 通过消除风速的方法修正了 nullnullnull 公式计 算了番茄作物每个生长期的蒸腾量 以此为基础进行 灌溉用水量的确定 并制定了滴灌条件下的灌溉控制 策略 刘浩等 nullnull 以 nullnullnull 公式为基础 利用温室条件 下的空气动力学阻力 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 计 第 null期 代志伟 等 温室灌溉控制策略研究进展 nullnull 算方法对风速的计算方法进行了改进 通过分析作物 系数与积温的关系 构建了基于常规气象资料的滴灌 条件下温室番茄需水量估算模型 并且在此研究对 nullnull 修正 的 基 础 上 同 时 对 作 物 冠 层 阻 力 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 进行了修正 得到一个只需常规气象数 据 番茄叶面积指数 nullnullnull 和冠层高度就能对日光温 室番茄的蒸腾量进行计算 nullnull 罗卫红等 nullnull 在 nullnullnull 模型中应用 nullnull 和 nullnull 特征值来计算蒸腾量 当其分别为 nullnullnullnull null 和 nullnullnullnull null 能够较好地模拟 nullnullnullnullnull 型温室冬 季黄瓜的蒸腾 但所得的特征值是否适用于其他温室 作物有 待 进 一 步 研 究 有 研 究 表 明 采 用 nullnull 为 定 值 nullnullnullnull null 的 nullnullnull 法可较好地估算温室 nullnullnull 闫浩芳 等 nullnull 根据温室内实测微气象因子 叶面积指数及土壤 水分数据对 nullnullnullnullnullnull 推荐的双作物系数中的 nullnullnull nullnull 进行修正 并且取空气动力学阻力为 nullnullnullnullnullnullnull null 对 nullnullnull 模型进行修正 进而估算 nullnullnullnullnull 型温室黄瓜蒸 发蒸腾量和植株蒸腾 高温和光照会造成温室内饱和 水汽压差 nullnullnull 的亏缺 特别是在夏季炎热的干旱条 件下 这一现象更加明显 nullnull nullnull 等构建了补偿辐射 nullnullnull 和 nullnullnull 的 nullnullnull 修正模型 并将其用于温室番 茄无土栽培精确灌溉的控制策略的制定 提高了灌溉 控制的精度 在 nullnullnull 方程中作物叶片气孔阻抗这一参数不易 计算 戴剑锋等 nullnull 通过分析番茄叶片气孔阻抗与温室 环境因子之间的关系与 nullnullnull 方程结合后计算了春冬 两季温室内番茄作物的累积蒸腾量 而针对 nullnullnull 公 式需要采集较多的环境参数且需要近似计算使得造成 的蒸腾模型精度较低等问题 袁洪波等 nullnull 利用灌溉量 与排出量的差值和采集的温室环境参数建立了蒸腾模 型 结合人工神经网络 nullnullnull 算法实现了温室封闭式 栽培智能灌溉控制 在确定黄瓜 番茄和辣椒的蒸散 量的研究中 nullnullnullnullnullnullnullnull 等 nullnull 采用了人工神经网络和遗 传算法 用排水蒸渗仪估算参考蒸散量 结果表明 两 种模型与作物实际蒸散量吻合较好 但遗传神经网络 模型比神经网络模型响应更好 综上所述 基于蒸腾模型制定灌溉控制策略在灌 溉控制中应用较多 不同的蒸腾模型具有不同的特点 表 null 为各种不同蒸腾模型的比较 表 null null 用于制定灌溉控制策略的不同蒸腾模型的比较 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 蒸腾模型 适用作物 改进 修正方法 优点 缺点 nullnullnull修正模型 番茄 消除风速 nullnull 在 nullnullnull 基 本 公 式 基 础 上 去除了风速参数 适用于温 室的蒸腾模型 违背了水汽扩散理论 因而不 能被广泛采用 番茄 修正空气动力学阻力和冠层 蒸腾气孔阻力 nullnull nullnullnull 蒸腾模型涉及参数较少 计 算简单 普适性较低 需要结合地域以 及对不同品种番茄适用性进 行验证 黄瓜 应用 null null 和 null null 特征值分别为 nullnullnull null null和 nullnullnullnull null计算蒸腾量 nullnull 模型中各参数的计算方法 简便 所需参数也易获取 此特征值是否适用于其他温 室作物有待进一步研究 无土 番茄 补偿 nullnullnull和 nullnullnul