基于农作物自动化灌溉系统的评价

艾合拜尔·毛拉

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 引言

在干旱或半干旱气候条件下，水是减少农业生产的最大限制因素。在过去的三十年中，许多作物育种者和植物生理学家为提高一系列农业和园艺作物的耐旱性做出了巨大的努力。为克服缺水对农业生产的影响，进行抗旱育种的主要方法之一是集中精力提高作物的“水分生产率”或“水分利用效率”。其他侧重于节水技术的方法也可以帮助节约用水，并且只提供植物所需的水量。例如，自动化灌溉系统非常有利，特别是在照看室内生长的植物时。如果设置和编程得当，自动灌溉系统可以非常经济，也有助于节约用水。但是，从自动灌溉系统所节省的成本可能超过自身费用。人工灌溉以植物根部为目标，精确度不高。相比之下，自动灌溉系统可以通过编程在目标区域排放更精确的水量，从而促进节水。

2 水生产率/水利用效率

水生产率的概念来自于不同的领域。在灌溉系统中，用水效率一词已用于衡量向作物输送的水的有效性以及在该输送过程中浪费的水量。“水利用效率”一词是基于这样的假设：在缺水条件下，水利用效率高的植物应该比水利用效率低的植物有更高的生产率。

通过提高作物的水分利效率可以提高作物的耐旱性。作物产量可以用总生物量或种子重量来表示，当产量转换为货币单位时，甚至可以用货币单位来表示。表示水生产率的最常见方式是产量与供水量或总蒸发蒸腾量的比值(蒸发：土壤中水分的流失；蒸腾量：植物中水分的流失)。

WP1=谷物种子产量/田间施水量

(1)

WP2=干物质总产量/田间施水量

(2)

WP3=总量货币价值/田间施水量

(3)

式(1)和式(2)适用于单一作物生产中的水分利用效率，而式(3)则适用于多种栽培作物的水分利用效率。提高水生产率意味着我们如何利用当前使用的水，有效提高最终作物的产量。在缺水的农业环境中，提高水生产率是当务之急。目前已经提出了许多提高水生产率的方法和技术，如农田覆盖技术[1]，地埋滴灌技术[2]，应用岩棉缓解水分胁迫对番茄的生长生理影响[3]等。缺水地区农业生产用水需要创新和持续的研究，以及适当的技术更新。随着水供应变得更加稀缺和污染，有必要进行更有效的灌溉以减少用水。高效的水管理在农业灌溉系统中起着重要作用。由于降雨和灌溉的入渗，径流、作物用水以及灌溉深度的空间变异性，许多地区的农田实际上灌溉过度或灌溉不足。灌溉不足的地区遭受水分胁迫，导致生产损失，而灌溉过度的地区则遭受植物病害和养分流失。

提高小麦的灌溉效率可以极大地降低小麦生产成本，使该行业更具竞争力和可持续发展性。通过适当的灌溉，既保持(或提高)小麦的平均产量，同时又最大限度地减少过量用水和随后农药浸出对环境造成的影响。自动灌溉控制系统是一个潜在的解决方案，可以通过检测土壤水分状况和现场特定控制灌溉喷头来优化水管理。

本文的目的是设计一种方便、简单、价格低廉的土壤水位连续监测系统，并能根据植物预先设定的水位要求自动灌溉。该系统由湿度传感器、传感器驱动器和水控制器组成。

3 材料和方法

3.1 湿度传感器

该电路使用湿度传感器，该传感器会随着相对湿度(RH)电平的变化而改变电容。湿度传感器是作为脉冲宽度调制系统的一部分来连接，该系统随RH的变化而改变输出脉冲宽度。对输出的已调制脉冲进行滤波并求平均，以将脉冲宽度的变化转换为直流电平的变化，而直流电平是RH电平的直接读数。该输出被送入比较器，该比较器根据所需植物水位将RH水平与预设值进行比较。比较器的输出将激活一个继电器，该继电器连接到一个电动水龙头，使水可以灌溉植物，直到传感器达到设定的水平。图1中显示了用于可变速率灌溉的自动灌溉系统的示意图。

图1 自动灌溉系统的示意图

使用这种简单的系统可使水位始终保持在某个预设值。如果需要，可以根据植物生长的阶段更改此预设水位值。由于土壤的自然变异性，土壤水传感器的位置和数量可能至关重要，未来的工作应包括传感器位置的优化以及克服需要进行土壤特定校准的局限性的技术。

3.2 植物生长

这项研究是新疆某灌区进行的。本实验使用的小麦品种为硬粒小麦的种子。种子播种在装有土壤堆肥和沙子体积比为1∶3的12 cm塑料盆中。在开始应用水处理之前，花盆保持充分灌溉两周。两周后，植物被分成两组，一组人工灌溉，而第二组使用电子传感器自动灌溉。应用两种水情处理：80%的田间持水率和40%的田间持水率。对于人工灌溉的植物，每1～2天称重一次花盆，并通过添加计算出的水量使灌溉达到适当的水位，进而保证土壤恢复到适当的水分状况；保持原先设定的80%的田间持水量或40%的田间持水量。对于自动灌溉的植物，灌溉由自动电子传感器本身维持。实验结束时，测量株高。收获植株，通过测量地面上部和根的鲜重和干重来估计生长。进行生理量测来估计光合作用的速率。

3.3 统计分析

平均值和标准误差(以图形显示)是使用Excel(Microsoft Office 2007)计算的。方差分析是使用Minitab-ANOVA和通用线性模型(版本13)进行的。

4 结果与讨论

4.1 对植物高度的影响

图2总结了人工灌溉和自动灌溉的效果，结果表明，人工灌溉和自动灌溉的株高差异不显著(p>0.05)。但国内已有实验表明由计算机程序控制的自动浇水玫瑰的植株高度比人工灌溉的略高。

图2 人工灌溉和自动灌溉对植株高度的影响

4.2 对植物鲜重的影响

研究人工灌溉和自动灌溉对植物鲜重的影响，包括地上部鲜重，根部鲜重和总鲜重。40%的田间持水量状况下，与自动灌溉相比人工灌溉系统中植株地上部鲜重显著减少(p<0.05)(图3)；但是，两种灌溉类型在80%的田间持水量状况下植株地上部鲜重未显示出显著差异(p>0.05)(图4)。图4显示，与自动灌溉系统中的植株相比，40%的田间持水量状况下人工灌溉的植株根鲜重略有升高(p<0.05)；两种灌溉类型之间的80%的田间持水量状况下无显著差异(p>0.05)。许多研究报告说，在缺水灌溉条件下，植物新稍的生长受到抑制[4]。在40%的田间持水量状况下，观察到相对于自动灌溉，人工灌溉称量的总鲜重略有下降(p<0.05)，见图5，而在80%的田间持水量状况下，总鲜重在两种灌溉方式之间没有显著差异(p<0.05)。总体而言，当缺水严重时，节水自动灌溉系统可实时监测土壤温度，土壤水分、水流速参数，计算用水量，达到精细化用水的要求，实现节水灌溉控制，提高水的利用率[5]。

图3 人工灌溉和自动灌溉对植株地上部分鲜重的影响

图4 人工灌溉和自动灌溉对植株根系鲜重的影响

图5 人工灌溉和自动灌溉对植株总鲜重的影响

4.3 对植物干重的影响

如图6～图8所示，通过测量地上部干重，根干重和总干重来研究植株的生长。人工灌溉的植株在40%的田间持水量状况下地上部干重显著低于80%的田间持水量状况下的地上部干重(p<0.05)，但自动灌溉的植株在两种水分下的相对差异较小，然而，自动灌溉和人工灌溉之间的80%的田间持水量状况下，差异不显著(p>0.05)。图7中在40%的田间持水量状况下，相对于自动灌溉情况下人工灌溉植株的根干重略有下降(p<0.05)。然而，在80%的田间持水量状况下，没有检测到显著的差异。总体而言，生长显示，自动灌溉的植株在两种水分处理下的总干重都高于人工灌溉的植株(图8)。

图6 人工灌溉和自动灌溉对植株地上部干重的影响

图7 人工灌溉和自动灌溉对植株根系干重的影响

图8 人工灌溉和自动灌溉对植株总干重的影响

4.4 对光合作用的影响

光合作用，即植物制造食物(生物量)的过程，这些食物(生物量)将用于生长和经济上重要的产量，包括小麦在内的谷类作物的籽粒灌浆。测定人工灌溉和自动灌溉植物的光合作用速率，以便将以干重表示的生物量积累与光合作用速率联系起来。结果表明，40%的田间持水量状况下人工灌溉植物的光合作用速率下降较早(1000 μmol·m-2·s-1)，见图9、图10。

图9 光合作用(人工-40%-1)

图10 光合作用(自动-40%)

在40%的田间持水量状况下，人工灌溉植株的光合速率显著下降(p<0.05)，而自动灌溉植株的光合速率没有下降，即使在1500μmol光合有效辐射(PAR)的情况下也能观察到这一现象。如图11、图12所示，80%的田间持水量状况下人工灌溉的下降可以用光抑制的发生，即光合作用过程的减慢或停止来解释。由于植物对水的高需求，当水分变得有限时，光合作用速率以及随后的生长和产量都会下降。在按需灌溉控制器的基础上，更干燥的灌溉处理会降低光合作用速率，并受到土壤田间容量水平设定阈值的限制， 使用土壤湿度传感

图11 光合作用(人工-80%-1)

图12 光合作用(自动-80%)

器可以提高相对节水率，从而提高了盆栽植物的相对光合作用速率[6]。

5 结语

与典型的灌溉方式相比，使用土壤湿度传感器和智能节水系统等可以节约用水。结果表明，与人工灌溉相比，自动灌溉的小麦植株具有更高的光合速率，这可能表明植物生物量更高，从而产量更高。需要进一步的工作来重复这类调查，未来的研究应该在更大的范围内进行，以确定自动灌溉比人工灌溉的效率。