基于海棠莖干含水率的智能灌溉控制策略研究

趙燕東 鄭 焱 周海洋,3 林劍輝,3 張 鑫 于福滿

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.林業(yè)裝備與自動(dòng)化國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 4.天津創(chuàng)世生態(tài)景觀建設(shè)股份有限公司， 天津 300110)

0 引言

近年來(lái)，灌溉控制策略研究逐漸從依據(jù)土壤水分、土壤水勢(shì)等間接的工程指標(biāo)轉(zhuǎn)移到植物本身的生理指標(biāo)(如莖流、莖干直徑、莖干水分等)上。植物生理參數(shù)是評(píng)價(jià)植物生理需水最直接、最準(zhǔn)確的指標(biāo)，這一觀點(diǎn)得到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的認(rèn)可[1-3]。其中，利用莖流計(jì)測(cè)量莖流具有較高的準(zhǔn)確性，被廣泛用于估算植物蒸騰耗水，對(duì)指導(dǎo)灌溉具有重要意義[4-5]。NICOLAS等[6]利用莖流計(jì)測(cè)定杏樹的液流速率，以此來(lái)估測(cè)杏樹蒸騰量，證實(shí)該方法與Penman-Monteith公式之間具有密切的相關(guān)性，可以用來(lái)制定杏園的灌溉策略。張亞雄等[7]利用莖流計(jì)測(cè)定了不同灌水處理下蘋果樹的莖流速率，并得出灌水上下限分別為田間持水量的90%和60%是適宜蘋果樹的灌水方案。但由于莖流計(jì)價(jià)格昂貴，難以推廣普及。莖干直徑的周期性變化與植物莖干內(nèi)部含水率密切相關(guān)，一些學(xué)者用日最大收縮量(MDS)、日生長(zhǎng)量(DI)和當(dāng)日復(fù)原所需時(shí)間(RT)等參數(shù)診斷植物含水率的變化，為研究灌溉策略提供了新思路[8-9]。GOLDHAMER等[10]利用最大收縮量指導(dǎo)杏樹灌溉，取得了良好的節(jié)水效果。張寄陽(yáng)等[11]在不同程度的水分脅迫下分析得出，莖干直徑的當(dāng)日復(fù)原所需時(shí)間是適宜棉花灌溉的指標(biāo)，并認(rèn)為MDS和DI受多種因素影響，不適于單獨(dú)作為灌溉指標(biāo)。由于莖干直徑變化幅度在微米之間，不僅對(duì)傳感器的精確性有很高的要求，還容易受到環(huán)境因素的干擾，使其難以具有普適性。因此，尋找一種既能表征植物生理信息又易于工程實(shí)現(xiàn)的灌溉指標(biāo)對(duì)發(fā)展節(jié)水灌溉尤為重要。

植物莖干水分是衡量植物木質(zhì)部導(dǎo)管與韌皮細(xì)胞組織間水分交換的重要參數(shù)[12-16]。研究莖干水分變化與植物生理需水的關(guān)系對(duì)智能灌溉的發(fā)展具有重要意義，但有關(guān)莖干水分在灌溉領(lǐng)域應(yīng)用的研究還不夠深入。近年來(lái)，隨著莖干含水率監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，趙燕東等[17]基于駐波率原理研發(fā)出BD-IV型植物莖體水分傳感器，當(dāng)植物莖體直徑在5.0～10.5 cm之間時(shí)，可準(zhǔn)確檢測(cè)出植物的莖干含水率。該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)植物莖干水分的實(shí)時(shí)、連續(xù)、無(wú)損測(cè)量，并且安裝簡(jiǎn)易、適用范圍廣。

本文以海棠樹為研究對(duì)象，以莖干含水率為研究參數(shù)，基于BD-IV型植物莖體水分傳感器探究干旱脅迫下海棠樹莖干含水率與土壤含水率之間的關(guān)系，確定能夠表征活立木健康生長(zhǎng)的指標(biāo)閾值和適宜的灌溉指標(biāo)，制定具有普適性的灌溉策略，并通過(guò)灌溉試驗(yàn)驗(yàn)證灌溉策略的有效性和可行性。

1 灌溉控制策略及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 灌溉控制策略

植物遭受水分脅迫時(shí)，莖干含水率隨土壤含水率的降低而降低。莖干含水率過(guò)低或下降范圍過(guò)大都會(huì)影響植物的生理健康。因此，制定灌溉策略首先需設(shè)置莖干含水率下限，保證植物在經(jīng)過(guò)灌溉后能夠恢復(fù)到健康范圍；還需考慮植株間的差異性，對(duì)于某些含水率較高的個(gè)體，需設(shè)置莖干含水率最大下降范圍，避免出現(xiàn)下降范圍過(guò)大而導(dǎo)致植物不能恢復(fù)到健康狀態(tài)的情況?？蓪⑦@兩個(gè)指標(biāo)作為開始灌溉的閾值。

此外，SHAHZAD等[18]指出適宜的虧缺灌溉能夠提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率；過(guò)高的土壤含水率會(huì)造成水資源浪費(fèi)和植物根系腐爛。而植物根系緩慢吸水的生理特性決定了莖干含水率對(duì)灌溉補(bǔ)水的響應(yīng)滯后于土壤含水率，若選擇莖干含水率作為停止灌溉的指標(biāo)，則會(huì)出現(xiàn)過(guò)量灌溉的情況。所以，應(yīng)該選擇適宜植物生長(zhǎng)的土壤含水率作為停止灌溉的指標(biāo)，避免過(guò)量灌溉引起水資源的浪費(fèi)。

本次灌溉控制策略的制定主要遵循3個(gè)原則：①設(shè)定莖干含水率下限閾值。②設(shè)定莖干含水率最大下降范圍。③設(shè)定土壤含水率上限閾值。如圖1所示，灌溉控制策略具體為：當(dāng)灌溉監(jiān)測(cè)控制器檢測(cè)到莖干含水率低于所設(shè)定的下限值或者下降范圍超過(guò)所設(shè)定的最大下降范圍時(shí)，控制器給相應(yīng)的閥門發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)行灌溉；當(dāng)檢測(cè)到土壤含水率高于所設(shè)定的上限閾值時(shí)，停止灌溉。

圖1 灌溉控制策略框圖Fig.1 Schematic of irrigation control strategy

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能灌溉控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)控制器、通信中轉(zhuǎn)模塊、上位機(jī)3部分組成。如圖2所示，控制器將采集的數(shù)據(jù)打包并通過(guò)NetPort模塊將RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議，通過(guò)路由器將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)包發(fā)送到上位機(jī)；上位機(jī)在解析完數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，當(dāng)達(dá)到灌溉設(shè)定閾值時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)控制器發(fā)送啟動(dòng)命令，通過(guò)路由器、NetPort中轉(zhuǎn)后，現(xiàn)場(chǎng)控制器接收到命令后開啟相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行灌溉，當(dāng)檢測(cè)到土壤含水率高于所設(shè)定的上限閾值時(shí)，停止灌溉。

圖2 智能灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Intelligent irrigation control system structure diagram

1.2.2現(xiàn)場(chǎng)控制器設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)控制器主要由以下硬件子模塊組成：中央處理器、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、NetPort通信模塊、時(shí)鐘模塊、AD采集模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)控制器框圖Fig.3 Field controller block diagram

該控制器以ATmega 2560為核心；電源模塊給控制器和傳感器提供電能；控制器具備SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)；通過(guò)NetPort模塊實(shí)現(xiàn)232協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，再將路由器與上位機(jī)設(shè)置成相同的網(wǎng)段便能夠?qū)崿F(xiàn)控制器與上位機(jī)之間的通信；時(shí)鐘模塊采用RX8025芯片，通過(guò)I2C與單片機(jī)進(jìn)行連接，保證時(shí)鐘的精確性；通過(guò)AD采集模塊實(shí)時(shí)獲取土壤含水率和莖干含水率，

為灌溉策略提供數(shù)據(jù)支撐；繼電器部分與電磁閥門相連接，通過(guò)驅(qū)動(dòng)繼電器控制閥門開關(guān)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于北京市海淀區(qū)八家三頃園，地處東經(jīng)116°20′，北緯40°0′，海拔約為50 m，占地面積約為30 000 m2。園內(nèi)土壤質(zhì)地為粘壤土，土壤容重約為1.3 g/cm3，pH值在7～8之間。平均氣溫約為12.8℃，年日照時(shí)數(shù)約為2 560 h，年均降水量590 mm(主要集中在夏季，約占全年的70%)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

園內(nèi)種植樹齡5 a的西府海棠，莖干挺直，平均直徑約為46.9 mm，主分叉距地面平均高度約為1.2 m，平均樹高約2.4 m，長(zhǎng)勢(shì)良好。2019年4月初選擇5棵生長(zhǎng)狀況較好的西府海棠，移栽于直徑70 cm、高60 cm的花盆中，并對(duì)花盆進(jìn)行覆膜處理，目的是讓水分散失只通過(guò)植物蒸騰作用消耗，同時(shí)減少降雨對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

設(shè)置4個(gè)處理組和1個(gè)對(duì)照組，對(duì)照組試驗(yàn)期間每天灌溉，處理組設(shè)置不同梯度的土壤含水率并進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，只在規(guī)定時(shí)間進(jìn)行灌溉(表1)。試驗(yàn)分為2個(gè)階段：第1階段為6月11—15日；第2階段為6月16—25日。

處理情況如表1所示，處理1起始土壤含水率為20%，灌溉補(bǔ)水時(shí)間為第5天和第15天；處理2起始土壤含水率為25%，灌溉補(bǔ)水時(shí)間為第5天和第15天；處理3起始土壤含水率為30%，灌溉補(bǔ)水時(shí)間為第5天和第15天；處理4起始土壤含水率為35%，試驗(yàn)期間不灌溉。對(duì)照組起始土壤含水率為35%，試驗(yàn)期間每天灌溉。

表1 試驗(yàn)分組處理情況Tab.1 Group treatment of test

2.3 傳感器安裝與數(shù)據(jù)獲取

分別于主枝杈下10 cm處安裝BD-IV型植物水分傳感器(0～2 500 mV，±2%)，用于監(jiān)測(cè)植物莖干含水率；HYSWR-ARC型土壤水分傳感器(0～2 500 mV，±2%)探針向下垂直安裝于土層下10 cm處，探針有效測(cè)量深度為土表下20～40 cm，用于監(jiān)測(cè)花盆內(nèi)土壤含水率，安裝示意圖如圖4所示。此外，距離海棠種植園北5 m處，使用1.2節(jié)所設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)控制器(試驗(yàn)期間灌溉控制功能不運(yùn)作)，采集土壤含水率和莖干含水率。采集間隔10 min，數(shù)據(jù)通過(guò)NetPort傳至上位機(jī)，同時(shí)通過(guò)存儲(chǔ)模塊存于本地SD卡中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)雙保險(xiǎn)。為方便數(shù)據(jù)處理，后期在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)對(duì)采集的參數(shù)采用3點(diǎn)均值濾波的方式簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)樣本。

圖4 土壤水分傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic of soil moisture sensor installation

2.4 莖干含水率標(biāo)定

BD-IV型植物水分傳感器輸出模擬電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成體積含水率的形式需要進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。本文參照文獻(xiàn)[17]對(duì)松樹樹段進(jìn)行標(biāo)定的方法，從試驗(yàn)地截取一段直徑約為5 cm的海棠樹主干，長(zhǎng)度約為10 cm；將木段完全浸入水中24 h以增加樹干含水率；測(cè)得鮮木段體積V和質(zhì)量M；之后將裝好傳感器的木段放置于恒溫箱中(溫度為25℃)，每隔12 h記錄一次木段質(zhì)量與傳感器輸出電壓，直至總質(zhì)量與電壓趨于穩(wěn)定后，將木段放置于干燥箱中干燥(溫度為60℃)至恒質(zhì)量，再記錄質(zhì)量與電壓，標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行14 d，莖干體積含水率計(jì)算公式為

(1)

式中MA——含水木段質(zhì)量，g

MB——干木段質(zhì)量，g

ρ——水的密度，g/cm3

V——木段體積，cm3

將含水率與電壓進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖5所示。由標(biāo)定試驗(yàn)得到的海棠莖干含水率與電壓的關(guān)系式為

圖5 莖干含水率與電壓的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of relationship between stem moisture content and voltage value

StWC=0.063 6U-0.654 3 (R2=0.965 3)

(2)

式中StWC——莖干含水率，%

U——傳感器輸出電壓，mV

R2=0.965 3，說(shuō)明標(biāo)定曲線的線性度較好。

為驗(yàn)證式(2)的可靠性，重新截取直徑約為5 cm、長(zhǎng)約10 cm的鮮木段，按照干燥標(biāo)定流程將木段干燥至恒質(zhì)量。記錄傳感器的電壓和木段質(zhì)量、體積。利用式(2)將電壓轉(zhuǎn)換為莖干含水率，并與干燥法測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。從圖6可以看出，對(duì)于所選取的木段，BD-IV型植物水分傳感器利用式(2)轉(zhuǎn)換后能夠準(zhǔn)確地量化木段莖干含水率。

圖6 傳感器與干燥法的測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement results of sensor and drying method

3 結(jié)果與分析

3.1 灌溉閾值分析

3.1.1干旱脅迫下莖干含水率與土壤含水率的變化情況

如圖7所示， 5組樣本的莖干含水率日變化曲線與EDWARDS等[19]借助于伽馬射線得到的結(jié)果非常相似，符合植物水生理日變化規(guī)律。當(dāng)清晨太陽(yáng)輻射(SAR)與飽和水汽壓差(VPD)迅速增加時(shí)，葉片蒸騰失水速率大于根系吸水速率，導(dǎo)致莖干含水率開始下降，在下午達(dá)到一天中的最小值；反之，當(dāng)下午SAR和VPD開始下降時(shí)，葉片蒸騰失水速率小于根系吸水速率，導(dǎo)致莖干含水率開始回升，在次日清晨達(dá)到一天內(nèi)的最大值[20]。從曲線變化特征來(lái)看，莖干含水率的日變化曲線呈現(xiàn)出單波峰波谷的特點(diǎn)。從曲線走勢(shì)分析，在整個(gè)干旱脅迫過(guò)程中，4個(gè)處理組的莖干含水率隨著土壤含水率的降低均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)；對(duì)照組由于沒(méi)有進(jìn)行虧水處理，始終保持充分灌溉，莖干含水率始終保持穩(wěn)定。

圖7 莖干含水率與土壤含水率關(guān)系曲線Fig.7 Diagrams of relationship between stem moisture content and soil moisture content

從圖7可知，在第1階段(6月11—15日)，處理組1、2、3的莖干含水率最低下降到43%左右，在6月15日灌溉補(bǔ)水后，莖干含水率迅速升高，并且日變化曲線始終保持單波峰波谷的特點(diǎn)。

第2階段(6月16—25日)，由于干旱持續(xù)周期變長(zhǎng)，莖干含水率下降趨勢(shì)更為顯著。在6月20日以后，下降趨勢(shì)變緩，這可能是由于植物體內(nèi)水分已經(jīng)下降到較低水平，植物自身開啟了自我保護(hù)機(jī)制，通過(guò)關(guān)閉部分葉片氣孔和木質(zhì)部導(dǎo)管降低蒸騰作用來(lái)減少水分的散失，從一部分葉片、樹枝枯萎也可以看出；此外，處理3的日變化曲線從單波峰波谷變成了雙波峰形式，說(shuō)明缺水已經(jīng)打破了植物的生理平衡，健康已經(jīng)受到了威脅。在6月25日灌溉后，各樣本對(duì)灌溉補(bǔ)水的響應(yīng)程度發(fā)生了明顯的變化：處理1和處理3的起始莖干含水率分別為55%和50%，在補(bǔ)水后莖干含水率分別迅速恢復(fù)到51.9%和48.4%；而處理2的起始莖干含水率為53%，在補(bǔ)水后僅恢復(fù)到48.4%，于補(bǔ)水后的第2天(6月26日)夜晚才恢復(fù)到起始水平，所需時(shí)間比處理1和處理3更長(zhǎng)?？梢姡仓觊g具有明顯的差異性。

處理4在整個(gè)試驗(yàn)期間沒(méi)有灌溉，可以明顯看出處理4的莖干含水率不斷下降，最低下降到20%；且日變化曲線從單波峰波谷變?yōu)殡p波峰，最后變化為單波峰。樹的所有枝干與葉子均萎蔫枯干，說(shuō)明處理4 的海棠樹樣本已經(jīng)瀕臨死亡。

在試驗(yàn)期間，莖干含水率的日極差發(fā)生明顯變化(圖8)。從圖8a～8c可以看出，試驗(yàn)第2階段(6月16—25日)干旱脅迫共持續(xù)10 d，處理1、處理2和處理3的莖干含水率日極差總體呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，再次證明植物在缺水狀態(tài)下，通過(guò)關(guān)閉部分木質(zhì)部導(dǎo)管束來(lái)降低蒸騰作用，以此減少水分散失的自我保護(hù)機(jī)制；處理4試驗(yàn)期間不灌溉，圖8d為處理4在整個(gè)試驗(yàn)期間(6月11—25日)莖干含水率日極差的變化情況，從圖8d可以看出，干旱脅迫持續(xù)到第10天(6月20日)前的變化規(guī)律與處理1、處理2和處理3相同，但從第10天起(6月20—25日)，莖干含水率日極差呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，說(shuō)明處理4的海棠樣本由于干旱脅迫程度的加深，自我保護(hù)機(jī)能減弱，已經(jīng)逐漸喪失了對(duì)體內(nèi)水分的調(diào)控功能。

圖8 干旱脅迫下莖干含水率日極差變化曲線Fig.8 Diurnal variations of stem moisture content under drought stress

3.1.2莖干含水率閾值確定

試驗(yàn)中觀察到的海棠樹外表變化見圖9。圖9a為試驗(yàn)第1階段末、處理2的樣本外觀圖，由于第1階段干旱脅迫周期為5 d，海棠樹遭受的干旱脅迫程度較低，截止到6月15日灌溉補(bǔ)水時(shí)僅有少部分枝葉出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。圖9b為處理2在試驗(yàn)第2階段末的外觀圖，可以看出由于第2階段遭受干旱脅迫的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 d，在6月25日灌溉補(bǔ)水時(shí)，有較多的枝葉出現(xiàn)萎蔫。從保障植物觀賞性的角度來(lái)選擇，以第1階段作為灌溉閾值的節(jié)點(diǎn)更具合理性。

圖9 樹枝樹葉萎蔫情況Fig.9 Withering of branches and leaves

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果、結(jié)合圖9和圖7，將干旱脅迫第1階段作為研究的節(jié)點(diǎn)，莖干含水率如表2所示，5個(gè)樣本的莖干含水率最小值約為43%；下降值在12%以內(nèi)；并且第1階段海棠樹僅有極少部分的枝葉出現(xiàn)萎蔫情況。滿足一般灌溉策略制定的要求。因此，選取莖干含水率下限值43%和最大下降值12%作為開始灌溉的閾值。

表2 干旱脅迫第1階段莖干含水率Tab.2 Changes of stem moisture content in early stage of drought stress %

3.1.3土壤含水率閾值確定

土壤含水率對(duì)于灌溉補(bǔ)水的響應(yīng)速度快于植物莖干含水率，莖干含水率通常會(huì)在灌溉后的次日凌晨達(dá)到峰值，若以莖干含水率作為停止灌溉的指標(biāo)，則會(huì)出現(xiàn)過(guò)量灌溉的情況，因此可以設(shè)置適宜海棠樹生長(zhǎng)的土壤含水率作為停止灌溉的指標(biāo)，以達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

處理4沒(méi)有進(jìn)行灌溉處理，模擬盆栽海棠樹從正常生長(zhǎng)到干旱死亡的生理過(guò)程，隨著土壤含水率的減少，干旱脅迫程度逐漸加重，莖干含水率逐漸降低。為了探究適宜海棠樹生長(zhǎng)的土壤含水率范圍，統(tǒng)計(jì)該樣本的莖干含水率與土壤含水率，樣本數(shù)量為768。并對(duì)土壤含水率與莖干含水率進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖10所示，得到莖干含水率與土壤含水率的關(guān)系式為

圖10 適宜海棠生長(zhǎng)土壤水分閾值Fig.10 Soil moisture threshold suitable for growth of crabapple

(3)

式中SWC——土壤含水率，%

R2=0.918 3，說(shuō)明擬合度較好。

開啟閥門灌溉的下限閾值是莖干含水率低于43%，處理4樣本在干旱脅迫試驗(yàn)前的日平均莖干含水率約為50%，根據(jù)式(3)，結(jié)合灌溉的下限閾值，當(dāng)莖干含水率在43%～50%時(shí)，土壤含水率在21%～33%。所以，對(duì)于盆栽海棠樣本，需保證莖干含水率在50%以上，土壤含水率需達(dá)到33%以上。

3.2 驗(yàn)證實(shí)例

從7月11日開始，根據(jù)莖干含水率下限值43%和最大下降值12%兩種指標(biāo)分別選取樣本樹進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。海棠樹1是依照莖干含水率下限值進(jìn)行灌溉，海棠樹2按照莖干含水率下降范圍進(jìn)行灌溉。

圖11為海棠樹1莖干含水率與土壤含水率的變化曲線。從圖11可以看出，莖干含水率最大值在52%左右，于7月16日15時(shí)到達(dá)最小值42.91%，低于設(shè)定閾值43%，控制器驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行灌溉，土壤含水率從15.95%上升到33.80% 。莖干含水率在次日凌晨達(dá)到峰值點(diǎn)，說(shuō)明植物恢復(fù)到健康水平。該試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)從樹外表觀察：僅有極少部分樹葉有萎蔫現(xiàn)象，個(gè)別細(xì)小樹枝有缺水現(xiàn)象，樹的整體長(zhǎng)勢(shì)良好，有許多新生嫩葉長(zhǎng)出。證明按莖干含水率43%作為灌溉下限、土壤含水率33%作為灌溉上限的灌溉策略具有可行性。

圖11 按莖干含水率最小值灌溉相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.11 Changing curves of relevant parameters of irrigation according to minimum stem moisture content

圖12為海棠樹2的莖干含水率和土壤含水率的變化曲線，樹2的莖干含水率最大值為56.94%。由圖可知，在7月16日15時(shí)莖干含水率達(dá)到最小值44.52%，下降值達(dá)到12.42%，超過(guò)設(shè)定值12%，控制器驅(qū)動(dòng)閥門進(jìn)行灌溉，土壤含水率從15.7%升至33.6%。莖干含水率在7月17日凌晨達(dá)到峰值，整體呈上升趨勢(shì)。外表與樹1相同，長(zhǎng)勢(shì)良好，樹枝、樹葉萎蔫狀況占極少數(shù)。證明按莖干含水率下降值不超過(guò)12%作為灌溉下限、土壤含水率33%作為灌溉上限的灌溉策略同樣有效可行。

圖12 按莖干含水率下降范圍灌溉相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.12 Changing curves of irrigation related parameters according to reduction range of stem moisture content

在實(shí)際制定灌溉策略時(shí)，將兩種指標(biāo)相結(jié)合可以保證灌溉策略的普適性，對(duì)于耐干旱樹種，可以選擇莖干含水率下限值作為灌溉指標(biāo)；對(duì)于樹干直徑較大、莖干含水率較高的樹種，優(yōu)先選擇莖干含水率下降范圍作為灌溉指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于BD-IV型植物水分傳感器分析了干旱脅迫下海棠樹的莖干含水率變化規(guī)律，提出了以莖干含水率43%和莖干含水率最大下降值12%為下限閾值、土壤含水率33%為上限閾值的灌溉策略，并利用所設(shè)計(jì)的灌溉控制系統(tǒng)驗(yàn)證了該灌溉策略的有效性，結(jié)果表明，該灌溉控制策略能夠滿足海棠樹的生命需水，可為有關(guān)活立木灌溉控制研究提供新思路。