基于K-means聚類算法的草莓灌溉策略研究

李 莉 王宏康 吳 勇 陳士旺 王海華 SIGRIMIS N A

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 3.雅典農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系， 雅典 11855)

0 引言

2016年，我國(guó)節(jié)水灌溉面積3 284.7萬(wàn)hm2[1]，僅占總播種面積的18.7%。實(shí)際耕地灌溉每公頃用水量253.3 m3，年農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)總用水量的62.4%，總體上農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)約為0.536[2]，與發(fā)達(dá)國(guó)家的0.7～0.8相比，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大。為實(shí)現(xiàn)“十三五”計(jì)劃中到2020年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上的要求，必須大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，改進(jìn)灌溉方法?；|(zhì)栽培是溫室封閉式栽培的主要形式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并利用基質(zhì)水分、優(yōu)化精細(xì)灌溉方法，對(duì)基質(zhì)栽培具有重要意義。

含水率是現(xiàn)代精細(xì)灌溉方法中的重要參數(shù)和指標(biāo)，但在基質(zhì)栽培環(huán)境下，缺乏有關(guān)基質(zhì)水分傳感器與水分變化規(guī)律的研究[3-8]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外研究大多通過(guò)對(duì)已有電介質(zhì)型土壤水分傳感器進(jìn)行標(biāo)定、校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)水分檢測(cè)，其中ECH2O系列性能最佳，但價(jià)格昂貴，僅適用于實(shí)驗(yàn)，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)[9-11]。采用頻域反射(FDR) 原理的土壤水分傳感器價(jià)格實(shí)惠，其精度與誤差滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[12-14]?，F(xiàn)代精細(xì)灌溉方法研究主要方向之一為按需灌溉，包括根據(jù)作物的最適含水量閾值灌溉和根據(jù)作物蒸騰量、需水量等模型灌溉兩個(gè)方向。在灌溉策略方面，文獻(xiàn)[15-20]針對(duì)作物需水量的不同影響因素，如含水量閾值、基質(zhì)EC值、基質(zhì)水勢(shì)、光照累計(jì)輻射等，建立了不同的灌溉控制策略，并進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)于傳統(tǒng)灌溉方式均有不同程度的改進(jìn)和提高。文獻(xiàn)[21-22]針對(duì)定時(shí)、水分閾值及按需等不同灌溉策略進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)和分析，得出水分閾值和按需灌溉提高灌溉頻率、減少每次灌溉量進(jìn)而減少水分散失的結(jié)論，達(dá)到節(jié)水的目的。國(guó)內(nèi)研究主要針對(duì)基質(zhì)環(huán)境下的短時(shí)水分遷移規(guī)律，并以此探究灌溉控制策略，建立灌溉系統(tǒng)，進(jìn)行控制與試驗(yàn)[23-25]。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，本文采集經(jīng)驗(yàn)灌溉下草莓果期內(nèi)的基質(zhì)含水率，并總結(jié)其變化規(guī)律，灌溉工具為已有水肥一體化灌溉設(shè)備，選用的土壤水分傳感器基于FDR原理，依據(jù)栽培基質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)后，試驗(yàn)分析其變化規(guī)律和溫度對(duì)基質(zhì)水分變化的影響作用，在此基礎(chǔ)上提出基于K-means算法的草莓區(qū)間定量灌溉策略。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)涿州科技園，栽培環(huán)境為混合基質(zhì)，栽培作物為草莓，品種為紅顏，于2017年11月7日于日光溫室定植，根距為20 cm，采用水肥一體化設(shè)備進(jìn)行灌溉，灌溉方式為滴灌，滴箭放置在植株中心附近，規(guī)格為4 L/h。試驗(yàn)時(shí)間處于果實(shí)采摘期。

1.1.1基質(zhì)

基質(zhì)的物理特性不僅適合草莓生長(zhǎng)，還會(huì)影響土壤水分傳感器的標(biāo)定校準(zhǔn)。本試驗(yàn)采用混合基質(zhì)，其主要成分為草炭、蛭石和珍珠巖，綜合考慮容重、吸水透氣以及根系的固定緩沖，配比4∶2∶1；經(jīng)干燥法檢測(cè)，容重為0.153 g/cm3，總孔隙度為87.1%，通氣孔隙為26.7%，持水孔隙為60.4%，水氣比為2.26。其中草炭為德國(guó)進(jìn)口，蛭石、珍珠巖產(chǎn)地為河北。表1為3種基質(zhì)的理化特性。

表1 基質(zhì)理化特性Tab.1 Substrate physical and chemical properties

1.1.2傳感器選型及放置

試驗(yàn)選用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司JZH-0系列傳感器，工作電壓DC 12V，該土壤水分傳感器采用FDR方法檢測(cè)體積含水率，量程0～100%，精確度±3%，分辨率0.1，可長(zhǎng)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)。傳感器有兩根不銹鋼探針，探針長(zhǎng)62 mm，直徑5 mm，探針間隔24 mm。其他參數(shù)指標(biāo)包括溫度量程-20～60℃，準(zhǔn)確度±0.5℃(25℃)，相對(duì)濕度量程0～100%，精確度±3%(相對(duì)濕度5%～95%，25℃)，土壤溫度量程-20～60℃，準(zhǔn)確度±0.5℃(25℃)，光照強(qiáng)度0～5×104lx，精確度為量程的±5%；選用網(wǎng)關(guān)型號(hào)為KLHA-H1100。網(wǎng)關(guān)與傳感器如圖1所示，采集頻率為10 min采集1次。

圖1 網(wǎng)關(guān)與傳感器Fig.1 Gateways and sensors

土壤水分傳感器與土壤溫度傳感器放置在相鄰兩株植株中間，距離根系約10 cm。整個(gè)果期內(nèi)保持傳感器靜止，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基質(zhì)水分含量的變化并通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至服務(wù)器。

1.1.3灌溉設(shè)備及營(yíng)養(yǎng)液配比

試驗(yàn)采用現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的CAUA-12型水肥一體化灌溉設(shè)備進(jìn)行灌溉，設(shè)備如圖2所示。草莓摘果期的營(yíng)養(yǎng)液配置如表2所示。

圖2 CAUA-12型水肥一體化灌溉設(shè)備Fig.2 CAUA-12 integrated irrigation equipment for water and fertilizer

表2 草莓營(yíng)養(yǎng)液配置
Tab.2 Strawberry nutrient solution preparation

營(yíng)養(yǎng)液化學(xué)式質(zhì)量/gACa(NO3)2·4H2O930KNO3720MgSO4375BKH2PO4145NH4H2PO480EDTA-2NaFe300H3BO328.6CMnSO4·4H2O21.3ZnSO4·7H2O2.2CuSO4·5H2O0.8(NH4)6Mo7O24·4H2O0.2

其中營(yíng)養(yǎng)液A、B、C配比為1∶1∶0.1。按比例置于CAUA-12型水肥一體化灌溉設(shè)備的肥液桶中，設(shè)定其吸肥比例為1∶1∶0.1。灌溉時(shí)長(zhǎng)為10 min，灌溉量固定，灌溉周期人為控制，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。草莓果期氮肥、鉀肥需求量較大，要結(jié)合葉面肥(磷酸二氫鉀葉面肥)施肥。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1土壤水分傳感器標(biāo)定

試驗(yàn)將傳感器測(cè)量值與干燥法得到基質(zhì)實(shí)際水分含量進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)使用裝置為：方形容器(尺寸為40 cm×20 cm×30 cm)、圓臺(tái)形塑料容器(上端直徑16 cm，下端直徑10 cm，高度12 cm)、電子秤和干燥箱。

在方形容器中對(duì)混合基質(zhì)進(jìn)行配比以獲得不同體積含水率下的基質(zhì)樣本，根據(jù)基質(zhì)最大持水量與數(shù)據(jù)采集密度計(jì)算加水量間隔，將基質(zhì)從干燥到飽和配成18組不同體積含水率的樣本，分別將樣本基質(zhì)攪拌均勻，均勻裝入對(duì)應(yīng)圓臺(tái)塑料容器中，避免擠壓基質(zhì)，自然填裝，填滿后用保鮮膜封口，加蓋靜置于避光處。24 h后稱量塑料容器連同含水基質(zhì)的質(zhì)量。將保鮮膜揭開，將傳感器從容器上方正中心垂直插入基質(zhì)直至探針完全沒(méi)入基質(zhì)，為減小讀數(shù)誤差，取多次讀數(shù)的平均值為測(cè)量值，待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，每隔10 s采集1次數(shù)據(jù)，共采集5組數(shù)據(jù)，取其平均值作為傳感器測(cè)得水分含量。將基質(zhì)放入干燥箱，恒溫80℃干燥24 h，干燥結(jié)束后取出基質(zhì)冷卻至室溫稱量，讀數(shù)不變以后記錄干燥基質(zhì)的質(zhì)量。干燥法測(cè)量得到基質(zhì)體積含水率計(jì)算公式如下

(1)

式中θ——基質(zhì)體積含水率，%

W——靜置24 h后塑料容器與含水基質(zhì)質(zhì)量，g

Wd——干燥后塑料容器與干燥基質(zhì)質(zhì)量，g

Wc——塑料容器質(zhì)量，g

ρ——被測(cè)基質(zhì)容重，g/cm3

根據(jù)課題組之前研究成果[13]，基質(zhì)電導(dǎo)率與基質(zhì)溫度對(duì)測(cè)量值影響較小，可忽略不計(jì)?；|(zhì)壓實(shí)程度會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生干擾，可通過(guò)定期標(biāo)定傳感器的方法來(lái)降低誤差，減少容重對(duì)測(cè)量值的影響。

1.2.2K-means聚類算法

K-means聚類算法基本思想是：以空間中k個(gè)點(diǎn)為形心進(jìn)行聚類，以數(shù)據(jù)點(diǎn)到原型的某種距離作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，利用函數(shù)求極值的方法得到迭代運(yùn)算的調(diào)整規(guī)則。通過(guò)迭代的方法，逐次更新各簇的形心值，直至得到最好的聚類結(jié)果。本文采取歐氏距離作為相似度測(cè)度，采用均值作為聚類準(zhǔn)則函數(shù)，求解對(duì)應(yīng)某一形心的最優(yōu)分類。算法具體流程如下：

(1)在樣本數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取k個(gè)樣本點(diǎn)作為初始形心ci(i=1,2,…,k)。

(2)在第j次迭代中，對(duì)任意一個(gè)樣本點(diǎn)pt(t=1,2，…,n)求其到k個(gè)形心的歐氏距離

(2)

(3)將該樣本歸類到與其距離最小的形心所在的簇。

(4)采用均值更新各簇的形心值

(3)

式中ni——族序號(hào)

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)，直到各簇的形心值不再變化。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 土壤水分傳感器標(biāo)定曲線

混合基質(zhì)下傳感器測(cè)量值與干燥法測(cè)量值之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 混合基質(zhì)中傳感器測(cè)量值與干燥法測(cè)量值之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between sensor measurements and drying methods measurements in mixed substrate

從圖3可以看出，傳感器檢測(cè)下限為8%。傳感器測(cè)量值基本呈現(xiàn)線性規(guī)律?；旌匣|(zhì)的理化特性與土壤的理化特性在持水性能方面較為接近，傳感器能較好地表征混合基質(zhì)的體積含水率。測(cè)量結(jié)果的決定系數(shù)R2為0.983，線性度高，平均絕對(duì)誤差(Mean absolute error，MAE)為1.06%，均方根誤差(Root mean squared error，RMSE)為3.47%，平均測(cè)量值比干燥法測(cè)量值低3.47個(gè)百分點(diǎn)，與干燥法測(cè)量值接近。可認(rèn)為該傳感器測(cè)量值能表征實(shí)際水分含量。

對(duì)采集的傳感器測(cè)量值按照標(biāo)定方程換算后進(jìn)行分析。由于每次灌溉時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)小于每次灌溉的間隔時(shí)間，所以將基質(zhì)水分的變化分為2個(gè)階段分別分析：第1階段為灌溉開始后60 min內(nèi)，以傳感器采樣周期10 min為間隔分析；第2階段為灌溉后第1天至下次灌溉前1 d，根據(jù)采集到的當(dāng)天數(shù)據(jù)取平均值以天為間隔分析。

2.2 灌溉后基質(zhì)含水率變化

草莓摘果期內(nèi)共進(jìn)行了8次灌溉數(shù)據(jù)分析，依照時(shí)間先后順序進(jìn)行排序，每次灌溉后60 min內(nèi)的基質(zhì)含水率變化曲線如圖4所示。綜合8次灌溉分析，基質(zhì)含水率在灌溉后10 min左右達(dá)到峰值，說(shuō)明傳感器對(duì)于灌溉過(guò)程中基質(zhì)水分突增具有良好的響應(yīng)，能夠及時(shí)反映出灌溉過(guò)程中基質(zhì)含水率的變化，每次灌溉將基質(zhì)含水率平均提高21.5個(gè)百分點(diǎn)。10～30 min基質(zhì)含水率快速下降，此時(shí)滴箭附近的基質(zhì)水勢(shì)明顯大于遠(yuǎn)離滴箭位置的基質(zhì)水勢(shì)，基質(zhì)水分由高水勢(shì)向低水勢(shì)運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程水分向下入滲、向周邊擴(kuò)散，遷移相對(duì)較快，水分的入滲擴(kuò)散使得基質(zhì)水勢(shì)差減小，水勢(shì)趨近相同，基質(zhì)水分快速遷移過(guò)程中，基質(zhì)含水率在20 min平均下降3.5個(gè)百分點(diǎn)。30～60 min基質(zhì)水分變化趨于平穩(wěn)，由于基質(zhì)水勢(shì)差減小，水分遷移速率降低，說(shuō)明此時(shí)植株附近水勢(shì)差較小，水分均勻分布在植株附近，可以認(rèn)為此時(shí)的基質(zhì)含水率為經(jīng)過(guò)灌溉后的基質(zhì)含水率，此階段基質(zhì)含水率在30 min內(nèi)平均下降了1.2個(gè)百分點(diǎn)，相較于灌溉前提高了16.8個(gè)百分點(diǎn)。

圖4 灌溉開始后60 min內(nèi)基質(zhì)含水率變化曲線Fig.4 Substrate moisture changing curves within 60 min after start of irrigation

綜上所述，每次灌溉10 min，滴箭出水量4 L/h，每株草莓獲得約0.67 L水，其基質(zhì)含水率提高16.8個(gè)百分點(diǎn)，試驗(yàn)期間共進(jìn)行8次灌溉，每株草莓總共獲得5.33 L水。將灌溉時(shí)間與基質(zhì)水分變化量的關(guān)系近似為線性關(guān)系，用于計(jì)算理論耗水量。

2.3 灌溉結(jié)束至下次灌溉前基質(zhì)含水率變化

圖5 灌溉結(jié)束至下次灌溉前基質(zhì)含水率變化曲線Fig.5 Substrate moisture changing curves from end of irrigation to next before irrigation

灌溉結(jié)束后至下次灌溉前的基質(zhì)含水率變化曲線如圖5所示。由于灌溉量固定，灌溉周期根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，因此每次灌溉后獲取數(shù)據(jù)量不同，由于第4次和第5次灌溉之間僅隔1 d，所以第4次灌溉不予討論。綜合6個(gè)灌溉周期分析，基質(zhì)含水率呈逐漸減小、線性變化趨勢(shì)。對(duì)每一個(gè)灌溉周期內(nèi)基質(zhì)水分變化曲線進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如表3所示。6個(gè)灌溉周期內(nèi)基質(zhì)含水率變化的R2均大于0.96，線性程度非常好，說(shuō)明在同一生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，每次灌溉后，基質(zhì)水分均呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，即斜率表示的日變化率相對(duì)穩(wěn)定；隨著時(shí)間推移，基質(zhì)含水率日變化率整體逐漸增加，從最初的0.011 4增加至0.036 5，說(shuō)明果期草莓需水量呈現(xiàn)逐漸增加的規(guī)律。

表3 基質(zhì)含水率變化曲線線性參數(shù)分析Tab.3 Analysis of linear parameters of substrate moisture changing curves

結(jié)合圖5分析，隨著光照和溫度升高，以及果實(shí)產(chǎn)量增加，為保證草莓開花結(jié)果，每個(gè)灌溉周期的最后一天基質(zhì)含水率也呈增加趨勢(shì)，最后平均值保持在27%。

由于第5次灌溉后氣溫較高、光照較強(qiáng)，在此階段果實(shí)長(zhǎng)勢(shì)較好，草莓日平均需水量較大，其基質(zhì)含水率下降速度較快，為確保果實(shí)良好發(fā)育提前進(jìn)行第6次灌溉。隨后當(dāng)?shù)爻掷m(xù)處于惡劣天氣，受其影響基質(zhì)含水率下降速率減慢，所以此次灌溉后隔14 d進(jìn)行下一次灌溉，最后1 d基質(zhì)含水率為26.9%，處于較高水平。因此該周期內(nèi)基質(zhì)含水率日變化率明顯小于前后兩次的日變化率。

2.4 溫度對(duì)基質(zhì)含水率的影響

圖6 灌溉結(jié)束后至下次灌溉前溫室內(nèi)日平均溫度與日基質(zhì)含水率變化量的關(guān)系Fig.6 Relationship between daily average temperature in greenhouse and variation of daily substrate moisture from end of irrigation to next before irrigation

由于基質(zhì)含水率日變化率隨時(shí)間推移逐漸增加，預(yù)測(cè)溫度、光照強(qiáng)度也隨時(shí)間增加，而溫度與光照強(qiáng)度具有強(qiáng)耦合性，因此初步考慮溫度對(duì)于基質(zhì)含水率的影響。由于基質(zhì)含水率取決于每次灌溉的具體情況，因此要分析基質(zhì)含水率變化與溫度的關(guān)系需將每天的基質(zhì)含水率變化量與當(dāng)日平均溫度對(duì)比分析，其每日的基質(zhì)含水率變化量與日平均溫度的關(guān)系如圖6所示，日平均溫度并不能與基質(zhì)體積含水率日變化量存在較明顯的耦合關(guān)系，平均變化量為1.97個(gè)百分點(diǎn)，方差為1.25，決定系數(shù)為0.387 1。綜上所述，草莓結(jié)果期基質(zhì)含水率下降趨勢(shì)明顯且穩(wěn)定，而日平均溫度波動(dòng)較大，因此當(dāng)日溫度與基質(zhì)含水率變化不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

采用K-means聚類算法對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別設(shè)定形心數(shù)為2、3、4個(gè)，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 K-means聚類結(jié)果Fig.7 K-means clustering results

分析形心數(shù)分別為2、3、4時(shí)各簇的特征，具體參數(shù)如表4所示。當(dāng)形心數(shù)為2時(shí)，樣本分為兩類，層次性明顯，第1簇形心坐標(biāo)為(17.2，1.09)，日平均溫度在13～20.5℃之間，基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.09個(gè)百分點(diǎn)，組內(nèi)方差為0.244 2；第2簇形心坐標(biāo)為(23.5，2.45)，日平均溫度在20.5～27 ℃之間，基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.14個(gè)百分點(diǎn)，組內(nèi)方差1.148 5，總方差為0.830 8，小于分組前方差，但大于其他兩組方差；形心數(shù)為4時(shí)，第1簇形心坐標(biāo)為(14.7，1.01)，日平均溫度在13～16℃之間，基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.01個(gè)百分點(diǎn)，組內(nèi)方差0.022 4；第2簇形心坐標(biāo)為(18.7，1.14)，日平均溫度在16～20.5℃之間，基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.14個(gè)百分點(diǎn)，組內(nèi)方差0.357 9；第3簇形心坐標(biāo)為(21.9，1.79)，日平均溫度在20.5～23.6℃之間，基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.79個(gè)百分點(diǎn)，組內(nèi)方差0.505 3；第4簇形心坐標(biāo)為(24.8，3.00)，日平均溫度在23.6～27℃之間，基質(zhì)含水率日變化量平均值為3.00個(gè)百分點(diǎn)，組內(nèi)方差1.022 7；總方差最小，為0.593 9，小于分組前方差，但考慮到第1簇與第2簇平均值過(guò)于接近，實(shí)際灌溉中難以區(qū)分，因此形心數(shù)為4時(shí)分類無(wú)現(xiàn)實(shí)意義，予以排除。

表4 參數(shù)分析Tab.4 Analysis of parameters

形心數(shù)為3時(shí)，層次清晰，界限明確，分類效果最好。第1簇形心坐標(biāo)為(15.7，0.88)，日平均溫度在13～18℃之間，此簇溫度最低，基質(zhì)含水率日變化量最低，一般不超過(guò)1.25個(gè)百分點(diǎn)，平均值為0.88個(gè)百分點(diǎn)，其方差只有0.086 8，小于其他簇，說(shuō)明在溫度較低時(shí)，作物生長(zhǎng)發(fā)育較為緩慢，作物需水量較少，同時(shí)溫度對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的限制作用明顯；第2簇形心坐標(biāo)為(20.5，1.76)，日平均溫度在18～22.5℃之間，此簇溫度適宜，基質(zhì)含水率日變化量有明顯提高，平均值為1.76個(gè)百分點(diǎn)，方差為0.344 6，較第1簇增加，說(shuō)明作物需水量隨溫度升高而有明顯提高，溫度升高促進(jìn)作物生長(zhǎng)；第3簇形心坐標(biāo)為(24.4，2.63)，日平均溫度在22.5～27℃之間，基質(zhì)含水率日變化量平均值較其他簇最大，但是分布較為分散，方差最大，為1.409 7，說(shuō)明在溫度較高時(shí)，基質(zhì)含水率變化量均值也顯著提高，與之前變化規(guī)律相同，但是溫度不再是影響作物需水的主要因素，光照強(qiáng)度、空氣濕度等其他因素對(duì)作物需水的影響增加。

2.5 基于溫度的區(qū)間定量灌溉策略

由于作物生長(zhǎng)所需水分主要從根部獲得，在未灌溉的條件下基質(zhì)含水率一定會(huì)隨著作物生長(zhǎng)逐漸降低，若忽略基質(zhì)中的水分自然流失，可近似認(rèn)為作物需水量等于基質(zhì)中水分減少量。灌溉策略應(yīng)當(dāng)能夠在充分滿足作物需水量的前提下，減少水分自然流失，最為切實(shí)可行的方法是提高灌溉頻率，降低灌溉量以減少水分流失。

基于上述分析，提出一種基于日平均溫度的日光溫室封閉式栽培灌溉方法，其策略如下：設(shè)定3個(gè)溫度范圍13～18℃、18～22.5℃、22.5～27℃，并依次對(duì)應(yīng)3個(gè)基質(zhì)含水率日變化量0.88、1.76、2.63個(gè)百分點(diǎn)。計(jì)算當(dāng)天的日平均溫度，根據(jù)其所屬溫度區(qū)間選取合適的基質(zhì)含水率日變化量，于第2天進(jìn)行灌溉。每7 d為一個(gè)周期，在周一進(jìn)行修正，若基質(zhì)含水率高于前一個(gè)周期初始值，則不進(jìn)行灌溉，若低于前一個(gè)周期初始值，則進(jìn)行補(bǔ)充。依據(jù)這一區(qū)間定量灌溉策略，理論上果期每株草莓僅需要4.51 L水，相比實(shí)際耗水，節(jié)水約15.4%，節(jié)水能力有較大提高，具有可行性。

3 結(jié)論

(1)基于FDR原理的土壤水分傳感器能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)水分遷移作出響應(yīng)，并能夠長(zhǎng)時(shí)間工作在基質(zhì)環(huán)境下，能夠應(yīng)用于溫室的實(shí)際生產(chǎn)和管理之中。

(2)基質(zhì)含水率在灌溉第1階段結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值，能夠較好地反映灌溉時(shí)長(zhǎng)；灌溉結(jié)束后基質(zhì)含水率在20 min內(nèi)快速下降，然后趨于平穩(wěn)；在每個(gè)灌溉周期內(nèi)，基質(zhì)含水率呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，其斜率能夠較好反映基質(zhì)含水率日變化量；在整個(gè)果期內(nèi)，基質(zhì)含水率下降速度隨時(shí)間逐漸增加，斜率由0.011 4增加至0.036 5，反映出溫度升高對(duì)作物需水量的影響增大。

(3)日均氣溫與基質(zhì)含水率日變化量并無(wú)明顯關(guān)系，但是通過(guò)K-means聚類算法分類，得到層次界限清晰的分簇。依據(jù)各簇的參數(shù)特征，得到溫度區(qū)間與區(qū)間內(nèi)基質(zhì)含水率日變化量平均值，依據(jù)前一天日平均溫度所處分類區(qū)間，選取對(duì)應(yīng)基質(zhì)含水率日變化量進(jìn)行灌溉。該灌溉策略合理增加灌溉頻率，理論上果期每株草莓僅需要4.51 L水，可節(jié)水15.4%。由于灌溉方式為水肥一體化灌溉，施肥量隨用水量的減少而減少，該灌溉策略也具有一定節(jié)肥效果。