土壤含水量(土壤濕度)數(shù)據(jù)在智能灌溉決策系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王 應(yīng) 海

(北京東方潤澤生態(tài)科技股份有限公司，北京 100191)

土壤含水量狀況對農(nóng)作物生長的重要性不言而喻，比如：土壤水分的高低直接影響作物對養(yǎng)分的吸收速率，土壤中有機養(yǎng)分的分解礦化離不開水分，施入土壤中的化學(xué)肥料只有在水中才能溶解，養(yǎng)分離子向根系表面遷移以及作物根系對養(yǎng)分的吸收都必須通過水分介質(zhì)來實現(xiàn)。理想的智能灌溉系統(tǒng)，需要基于具體可靠的土壤含水量數(shù)據(jù)做出科學(xué)灌溉決策來補充人的經(jīng)驗決策。本文首先討論滿足智能灌溉系統(tǒng)決策需要土壤含水量數(shù)據(jù)的特點，接著討論如何采集到可供智能灌溉決策系統(tǒng)使用的土壤含水量數(shù)據(jù)，最后討論智能灌溉決策系統(tǒng)如何處理使用土壤含水量數(shù)據(jù)。

1 滿足智能灌溉決策系統(tǒng)需要土壤含水量數(shù)據(jù)的特點

1.1 數(shù)據(jù)來源客觀可靠

(1)數(shù)據(jù)由土壤水分傳感器實時采集獲得。智能灌溉決策系統(tǒng)需要的土壤含水量數(shù)據(jù)必須由土壤水分傳感器實時采集獲得為主，人工獲取校驗為輔。通過傳統(tǒng)烘干法或土壤水分速測儀得到的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)耗時費工，在實現(xiàn)方式、數(shù)據(jù)數(shù)量、質(zhì)量上都不能滿足智能灌溉決策需求。比如：人工不可能在深夜里到田間采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，烘干法通常需要持續(xù)烘干12小時才能得到數(shù)據(jù)，這滯后于灌溉管理實時需求。

(2)數(shù)據(jù)來自對多個監(jiān)測點的連續(xù)監(jiān)測。土壤自身的差異性、不一致性巨大，即使在同一地塊中，不同監(jiān)測點間數(shù)據(jù)的可能差異顯著。由于土壤翻耕均勻度、土壤中空隙、土塊、石頭、農(nóng)作物根系、有機物等大量存在，土壤中含水量的差異客觀存在。實踐經(jīng)驗表明，在同一農(nóng)業(yè)地塊中，在相同灌溉條件下，土壤含水量差異仍可達(dá)3%-5%，即使兩個監(jiān)測點的距離可能短至0.5米。因此，應(yīng)用于智能灌溉系統(tǒng)決策的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)必須是對同一個地塊中多個監(jiān)測點連續(xù)監(jiān)測獲得的、具有統(tǒng)計意義的數(shù)據(jù)。使用同一地塊中不同監(jiān)測點、不同時間點的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對比分析，可能會誤導(dǎo)灌溉決策。

(3)數(shù)據(jù)來自對同一地點多個土壤深度的監(jiān)測。從土壤角度觀察，在同一監(jiān)測點的不同深度，土壤含水量有明顯差異；從農(nóng)作物角度觀察，農(nóng)作物的活動根系深度分布在不同的生育期有明顯差異。智能灌溉決策需要動態(tài)監(jiān)測農(nóng)作物主要吸水根系所在土層的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，而不是固定深度土層的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。農(nóng)作物的根系是連續(xù)生長的，掌握農(nóng)作物隨生育期變化的主要吸水根系所處的土層深度，需要實時獲得相應(yīng)土層深度的水分?jǐn)?shù)據(jù)。從這個角度，管式多深度土壤水分傳感器是滿足智能灌溉決策土壤水分監(jiān)測需求的理想選擇。

(4)數(shù)據(jù)來自對農(nóng)作物根系附近、與根系吸水高度相關(guān)位置中土壤含水量的監(jiān)測。土壤容重、孔隙大小、孔隙類型及土壤顆粒組成中黏粒含量等對土壤水分分布和擴(kuò)散率都有一定的影響，土壤水分傳感器測量位置的土壤水分含量和農(nóng)作物根系位置的土壤含水量可能存在差異，尤其在局部灌溉(如：滴灌)模式下，非濕潤區(qū)域的土壤水分含量和濕潤區(qū)域的水分含量相差巨大。因此，土壤水分傳感器采集監(jiān)測的必須是農(nóng)作物根系附近、與根系吸水高度相關(guān)位置中土壤含水量數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量

(1)數(shù)據(jù)要能夠動態(tài)反映土壤水分的連續(xù)變化情況。這要求土壤水分傳感器的數(shù)據(jù)采集間隔智能可調(diào)，因為：在灌溉或降雨時需要密集監(jiān)測當(dāng)前的有效灌溉量、有效降雨量，水分在土層中的下滲狀態(tài)；在非灌溉或降雨時期，增大數(shù)據(jù)采集間隔，以避免土壤水分傳感器的高強度耗電，采集到變化量很小的大量重復(fù)數(shù)據(jù)，增加系統(tǒng)運算量。

(2)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過同位置土壤溫度數(shù)據(jù)的修正。水在5攝氏度時的介電常數(shù)為85.9，在35攝氏度時的介電常數(shù)為74.9，干土的介電常數(shù)為3-6，因此，通過測量土壤介電常數(shù)變化來測量土壤水分的傳感器都必須同位監(jiān)測土壤溫度數(shù)據(jù)以補償由于溫度差異引起的傳感器測量誤差。

(3)水分傳感器必須具有高度的穩(wěn)定性、抗干擾能力。在野外實際測量中，通訊基站，灌溉泵房高壓電設(shè)備，農(nóng)機作業(yè)等外部因素都會對在工作狀態(tài)的土壤水分傳感器產(chǎn)生電磁干擾；野外環(huán)境的高低溫變化、土壤中復(fù)雜的化學(xué)成分會腐蝕傳感器。這些因素要求水分傳感器必須具有高度的穩(wěn)定性、抗干擾能力。

2 如何采集到可供智能灌溉決策系統(tǒng)使用的土壤含水量數(shù)據(jù)

根據(jù)前述內(nèi)容，采用智能一體化管式多深度土壤水分傳感器可以得到滿足智能灌溉決策系統(tǒng)需要的土壤含水量數(shù)據(jù)。

管式土壤水分傳感器具有比插針式水分儀的更大的土壤傳感范圍，例如，對于直徑63 mm的管式土壤水分傳感器，以傳感器為中心，直徑30厘米范圍內(nèi)的土壤水分都會影響傳感器的采集數(shù)據(jù)，這是插針式水分儀約20倍的土壤傳感范圍。這有效降低了由于土壤的不一致性帶來的所測量數(shù)據(jù)的代表性不高的風(fēng)險。

管式土壤水分傳感器的探測單元不直接接觸土壤，探測單元內(nèi)置于耐腐蝕的PVC管殼中。“智墑”牌管式土壤水分傳感器中還充有氮氣對探測單元進(jìn)行保護(hù)，延緩電子元器件的氧化衰老。

采用打孔后以原狀土灌漿法安裝管式土壤水分傳感器是對土壤擾動最小的安裝方法，確保傳感器與土壤的緊密接觸。

3 土壤含水量數(shù)據(jù)的分析處理和使用

(1)通過追蹤土壤含水量的連續(xù)變化情況，獲得土壤下滲速率、田間持水量、飽和含水量等土壤中客觀發(fā)生的，反應(yīng)土壤相關(guān)特征的數(shù)值。

如圖1，當(dāng)土壤水分傳感器密集采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)時，可以觀察到土壤水分在土壤中的連續(xù)變化情況，進(jìn)而識別到下述信息：①圖1中4次土壤含水量的迅速升高表示發(fā)生了4次灌溉或降雨。②當(dāng)灌溉停止后，由于水在土壤中下滲，10 cm深土層土壤水分含量開始迅速下降，接著下降速度變緩。本示例中10厘米深土壤含水量下降到約18%的水平后下降速度變緩，說明當(dāng)前土層土壤的田間持水量是比18%低的一個數(shù)值。③土壤含水量下降曲線的斜率呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，從對應(yīng)的時間看出，在白天(由于大量土壤蒸發(fā)、植物蒸騰耗水)含水量下降速度比夜間土壤含水量下降速度快。④可以直接計算出某日該10 cm土層的含水量減少量。本示例中，凌晨土壤含水量為12%，經(jīng)過一天，到夜間土壤含水量下降到7%，一天中，10 cm深土層的含水量減少量為12%-7%=5%?！爸菈劇迸乒苁酵寥浪謧鞲衅鳒y量得到10 cm深土壤水分含量本質(zhì)上是指：地表到地下10 cm深這樣一個100 mm厚土層的體積百分比含水量的平均值。因此，12%體積百分比的含水量等同于：100 mm厚的土層中含有12 mm的水分，7%體積百分比的含水量等同于：100 mm厚的土層中含有7 mm的水分，經(jīng)過一天時間，地表到地下10 cm深100 mm厚土層中包含的水分由12 mm下降到7 mm，共減少了5 mm。

圖1 在10 cm深度土壤含水量連續(xù)變化曲線圖

(2)通過監(jiān)測位置的傳感器歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前含水量狀態(tài)，虛擬根系深度，實時計算當(dāng)前有效儲水量數(shù)據(jù)、蓄水潛力數(shù)據(jù)。

圖2為北京東方潤澤生態(tài)科技股份有限公司智能灌溉平臺的土壤水分分析處理“YH土壤水分模型”。

YH土壤水分模型具有以下特點：①通過YH土壤水分模型系統(tǒng)可以動態(tài)計算出土壤中的“有效儲水量”及“蓄水潛力”。②YH土壤水分模型中的所有數(shù)據(jù)都是

圖2 智能灌溉土壤水分分析“YH土壤水分模型”

土壤水分傳感器采集到的數(shù)據(jù)。③YH土壤水分模型中歷史最低含水量、歷史最高含水量、作物虛擬根系深度均隨著土壤水分傳感器數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

模型中的“有效儲水量”是指：在作物根系區(qū)域土層中，當(dāng)前土壤含水量高與該監(jiān)測位置歷史實測到的最低土壤含水量部分所包含的水量，單位為毫米。有效儲水量與土質(zhì)差異、農(nóng)作物差異、農(nóng)作物不同生育期、根系不同深度多個因素相關(guān)。

模型中的“蓄水潛力”是指：在作物根系區(qū)域土層中，該監(jiān)測位置歷史實測到的最高土壤含水量與當(dāng)前土壤含水量所包含的水量。所實測到的歷史最高含水量與灌溉模式、土地的翻耕、農(nóng)作物的根系生長、土壤中施肥、有機物含量的變化等因素相關(guān)。土壤蓄水潛力表達(dá)了土壤的“胃”還能裝多少東西，超過土壤“胃”容量的灌溉將導(dǎo)致水肥下滲到根系以下土層，水肥浪費。單位為毫米，乘以面積可得到灌溉量。

(3)結(jié)合未來降雨量、耗水量預(yù)測數(shù)據(jù)，確定灌溉時間、灌溉量。

4 結(jié) 語

連續(xù)化、自動化土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的監(jiān)測、采集和分析處理是智能灌溉系統(tǒng)正確運行的基礎(chǔ)，大量與具體農(nóng)作物生長規(guī)律、區(qū)域氣候特點、種植管理目標(biāo)相適應(yīng)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集是形成科學(xué)灌溉制度的首要條件。

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