一种基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉装置及方法

1.本发明涉及农业灌溉技术领域，尤其是涉及一种基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉装置及方法。


背景技术：

2.常言道，根深叶茂，这指的是作物根系向地下越扎得深，四周分布的呼吸根和吸收根就越多，吸收土壤中的养分就越多，营养循环也越旺盛，枝条、叶片、树势也就越强壮。传统灌溉技术，水分及肥料灌溉存在不均匀性，在根系的生长过程中，侧根多水平分布在较浅的土层，由于灌溉不均匀性根系常聚集于一处，当作物密植时容易抢夺邻株的营养，这不利于根系吸收养分，使得养分吸收效率不高，作物生长缓慢。因此在根系生长期，使根系尽量向下生长，能减少株间缠绕争夺养分，利于作物生长。
3.我国东南沿海地区全年雨水充足，地表种植层的水分足以支撑植物生命周期，导致一些作物根系常浮于表面，根系横向发展过多，无法向下深扎，而汛期雨水下渗速率慢，大田出现大面积积水，使得作物根系长时间浸泡在雨水当中，出现烂根、死根现象，甚至出现作物死亡的情况，影响收成。而华北地区降雨量少，且存在典型的季节性干旱特点，当根系横向发展过多，无法向下深扎时，由于蒸发强烈土壤表层水分缺失，往往造成作物缺少水分而影响生长发育。此外，大风也常造成大田作物风折、倒伏等严重危害，这与一些作物抗风能力薄弱有关，大田作物在栽种时留有空间较小且多为表面灌溉，这使得根系为争夺养分无法扎到更深的土壤内，根系与土壤接触面积较小，抗风能力差，当大风来临时，往往造成收成不佳。因而，根系的向下生长能提高大田作物的抗涝、抗旱、抗风能力，对于农作物的稳收稳产、增收增产都具有重大的意义。
4.干深度指土壤干燥层的深度，不仅仅是考虑土壤含水率的阈值控制，还有个深度的概念，即考虑农作物在不同生长期对土壤干有多深、湿有多透的要求；引入时域的概念，考虑灌溉的时域性，即考虑干有多久的概念，根据农作物在不同生长期的根系特征与灌溉时间的关系，使水能充分渗透到作物根部，避免了只控制土壤的含水率的上下限值，以致灌溉时间不够而土壤不能湿透，或者土壤干得不够就开始灌溉等问题。
5.因此，本发明基于干深-时域灌溉控制方法及理论，在作物根系生长期，通过逐层调控灌溉后土壤的干有多深及干深多久，利用根系的向水、向肥性原理及胁迫效应，逐步诱导根系向下扎深生长，从而解决大田作物抗涝、抗旱、抗风能力不足的问题，以及密植时抢夺邻株的营养，使根系养分吸收效率不高的问题。


技术实现要素：

6.本发明的第一目的在于提供一种基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉装置，该装置能够解决现有技术中存在的问题；
7.本发明的第二目的在于提供一种基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉方法，其采用如以上所述的装置对农作物进行灌溉。
8.本发明提供了一种基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉装置，其包括滴灌管、滴灌器、土壤探针和滴灌器控制装置；
9.所述滴灌管的管道轨迹呈锥形螺旋状，根据螺旋线的圈数将滴灌管分为多个圈区，每个圈区上设有多个滴灌器和土壤探针；
10.所述滴灌器控制装置与滴灌器连接，并用于控制滴灌器的开闭。
11.优选的，所述滴灌器包括滴灌孔、毛管、滴头和流量控制阀；
12.所述流量控制阀的进水口与滴灌管上的滴灌孔连通，所述流量控制阀的出水口与毛管连通，所述滴头与毛管连通。
13.优选的，还包括螺旋式气管，所述螺旋气管沿滴灌管设置；
14.所述流量控制阀上还设置有导气管，所述导气管与螺旋气管上的气孔连通。
15.优选的，所述滴灌管的末端为封闭结构，所述滴灌管的上端通过过滤器与进水管连通。
16.优选的，所述进水管与螺旋气管通过压力导气阀连通。
17.优选的，所述土壤探针设置在流量控制阀的下部。
18.优选的，所述滴灌管中相邻圈层，下层圈层的螺距大于上层圈层的螺距。
19.一种基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉方法，该灌溉方法采用如以上所述的基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉装置，其包括以下步骤：
20.进行干深度控制，通过对干深度阀值进行阀值控制，使干深度阀值随根系生长不断提高；
21.进行时域控制，设计模糊控制器，由干深度阀值及当前土壤的干深度作为模糊控制器的输入获取每次的诱导灌溉时长和胁迫灌溉时长的值。
22.优选的，进行干深度控制包括：
23.s1：取i值为诱导灌溉日序，根据根系生长函数建立干深-时域阀值函数c(i)，有
24.c(i)＝kg(i)cosθ
25.其中，k值为经验系数，根据实际种植环境取值；θ为侧根生长总偏差角，表征所有侧根与主根夹角的均值；g是根系的各几何参数；
26.s2：根据干深-时域阀值函数对干深度阀值c进行函数控制，使干深度阀值随i值的增加不断加深，从而每次灌溉后的当前干深度，干深-时域函数为：
27.h(i)＝kg(i)cosθ。
28.优选的，进行时域控制包括：
29.s1：设计模糊控制器：根据作物根系生长函数、干深-时域函数、相关土壤信息、最近天气情况等建立模糊规则库，设计模糊控制器；
30.s2：目标值设定：预设干深度阀值c＝h(i)；
31.s3：当前值获取：土壤探针每天实时获取每层滴灌层的当前土壤含水率er，根据er值得出当前干深度h；
32.s4：执行灌溉决策前，将h值、c值输入模糊控制器，模糊控制器计算出控制变量hc值；
33.s5：模糊控制器根据hc值从模糊规则库解出每次的诱导灌溉时长t和胁迫灌溉时长t0的值；
34.s6：控制系统接收t值、t0值，使第r滴灌层按t值执行诱导灌溉决策，使r-1滴灌层按t0值执行诱导灌溉决策。
35.有益效果：
36.本发明的创新在于，基于干深-时域灌溉控制方法在幼苗根系生长期调控土壤的干燥层有多深及干燥保持有多久，使水肥液始终位于根尖稍远处，利用根系的向水肥性原理及胁迫效应，诱导根系逐步向下生长，从而减少作物密植时株间根系缠绕抢夺养分，增加根系与土壤的接触面积，使根系充分吸收深层土壤的水分，从而提高作物的抗涝、抗旱、抗风能力，利于农作物的稳收稳产、增收增产。
37.以干深度阀值作为灌溉阀值，考虑了灌溉的空间性，即根系在不同生长阶段对土壤干有多深、湿有多透的要求；并引入时域的概念，考虑了灌溉的时域性，避免了只控制土壤的含水率的上下限值，以致灌溉时间不够而土壤不能湿透，或者土壤干得不够就开始灌溉等问题。
38.诱导结束后，滴灌装置可用于后续的灌溉需求，能对作物根系进行分层且可控流量的定点定区滴灌，能满足不同根区的养分需求且高效节水
39.滴灌装置的加气灌溉改善了土壤环境，解决了根系向下生长的缺氧问题，提高了土壤通透性使根系更易于向下生长，且防止土壤或根系堵塞滴头。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本发明具体实施方式提供的灌溉设备的结构示意图；
42.图2为本发明具体实施方式提供的滴灌器结构示意图；
43.图3为本发明具体实施方式提供的滴灌层划分示意图；
44.图4为本发明具体实施方式提供的干深定义示意图；
45.图5为本发明具体实施方式提供的基于模糊控制的时域控制流程图；
46.图6为本发明具体实施方式提供的基于干深-时域诱导根系向下生长的灌溉方法流程图。
47.附图标记说明：
48.1-进水管2-过滤器3-螺旋式滴灌管4-螺旋式气管5-压力导气阀6-进气管7-滴灌器8-气孔9-滴灌孔10-毛管11-滴头12-导气管13-流量控制阀14-土壤探针。
具体实施方式
49.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽
度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.如图1所示，本实施方式提供了一种基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉装置，其包括滴灌管、滴灌器7、土壤探针14和滴灌器7控制装置。
53.滴灌管的管道轨迹呈锥形螺旋状，根据螺旋线的圈数将滴灌管分为多个圈区，每个圈区上设有多个滴灌器7和土壤探针14。滴灌器7控制装置与滴灌器7连接，并用于控制滴灌器7的开闭。
54.滴灌器7包括滴灌孔9、毛管10、滴头11和流量控制阀13，流量控制阀13的进水口与滴灌管上的滴灌孔9连通，所述流量控制阀13的出水口与毛管10连通，所述滴头11与毛管10连通。
55.基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉装置还包括螺旋式气管4，所述螺旋气管沿滴灌管设置，流量控制阀13上还设置有导气管12，所述导气管12与螺旋气管上的气孔8连通。
56.滴灌管的末端为封闭结构，所述滴灌管的上端通过过滤器2与进水管1连通。
57.进水管1与螺旋气管通过压力导气阀5连通。土壤探针14设置在流量控制阀13的下部。
58.滴灌管中相邻圈层，下层圈层的螺距大于上层圈层的螺距。
59.灌溉装置通过流量控制阀13向对土壤进行滴灌和供气。
60.综上所述：水肥气一体化地下滴灌装置作为分层灌溉装置，其滴灌管外表面固接有滴灌气管，管道轨迹呈锥形螺旋状，记螺距为p值，一般取5-15cm，结构示意图如图1所示，根据螺旋线的圈数将滴灌管分为多个圈区(具体圈数根据诱导期望进行选择，示意图只给出了部分圈数)，每个圈区上设有多个滴灌器，结构示意图如图2所示，每个滴灌器可进行水肥气灌溉且含有土壤探针获取对应湿点的含水率，每个圈区的滴灌器执行同样的灌溉决策。
61.在本实施方式中还提供了一种基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉方法，该灌溉方法采用如以上所述的基于干深时域诱导根系向下生长的灌溉装置，其包括以下步骤：
62.进行干深度控制，通过对干深度阀值进行阀值控制，使干深度阀值随根系生长不断提高；
63.进行时域控制，设计模糊控制器，由干深度阀值及当前土壤的干深度作为模糊控制器的输入获取每次的诱导灌溉时长和胁迫灌溉时长的值。
64.参照图6具体的包括以下步骤：
65.s1：设备铺设
66.将螺旋式水肥气一体化滴灌装置埋设于种植穴中，穴深50-90cm，埋设时，螺旋式滴灌管的几何圆心与种植中心重合且第1个滴灌器距地表的距离为h0，称h0为滴灌装置的埋深，取值由作物种植深度决定，一般取5cm左右。埋设完毕后，安装其他灌溉灌所需的配套设备并进行调试。
67.s2：种植与缓苗
68.1)选苗。选择好需要诱导的作物幼苗。若作物根系侧根生长较发达，在不影响作物生长的前提下，可适当剪短部分侧根，以促进主根生生长，使后续的根系诱导效果更加明显。
69.2)种植。种植时使幼苗的茎干位于种植穴中心，填土时，在垂直方向上应保证作物的根盘全部扎于第1个滴灌器下面土壤的不远处。埋设完毕后，安装其他滴灌设施，并对灌溉系统进行调试，确保设备正常工作。所填土壤，需通过碾压处理达到土质疏松效果，使根系易于向下生长。
70.3)缓苗。打开滴灌装置的第1圈区、第2圈区的滴灌器进行缓苗滴灌，使作物适应新的土壤环境，促进根系生长，保证幼苗移栽存活。缓苗时间1-5天，此阶段要求灌溉要灌透，灌溉时应保证土壤的最佳含水率c大于70％。
71.s3：初始设定
72.1.滴灌层设定：将作物地下进行垂向分层，划分滴灌层，每层厚度为p值，从上往下依次为第1滴灌层、第2滴灌层、第3滴灌层等，每层滴灌层对应一圈螺旋式滴灌管。每次只有一个滴灌层进行诱导灌溉，设执行滴灌决策的为第r滴灌层，对应滴灌管的第r圈区(r依次取1，2，3，4
……
)，具体划分情况如图3所示，
73.2.阀值定义
74.(1)干湿阀值
75.干湿划分：记第r滴灌层的当前土壤含水率为er。根据er值进行干深划分，当er＜c1时，认定该滴灌层土壤为干土；当er＜c1时，认定该滴灌层土壤为湿土。
76.其中，称c1为干湿阀值，其为干旱胁迫上限值，即土壤含水率低于该值时根系发生干旱胁迫效应，取值由作物类型决定，一般取10％-40％。
77.(2)胁迫阀值
78.当er＜c0时，认定干燥层失水严重，将影响作物的正常生长。其中，称c0为胁迫阀值，其为干旱胁迫下限值，认为土壤含水率低于该值时根系无法正常生长，取值由作物类型决定，一般取15％-20％。
79.(3)干深度阀值
80.1)干深定义：如图4所示，灌溉结束后，从纵深方向来看，因水分迁移和渗透，土壤含水率在灌溉位点沿上下两个方向逐渐减小，最终形成两个上下干湿分界面。因而，作以下定义：
81.定义干土层的最大深度为干深度，即地表到上干湿分界面的深度，用h表示。
82.定义湿土层的最大深度为湿深度，即地表到下干湿分界面的深度，用h表示。
83.定义湿土区域为湿润带，其纵向宽度为湿润带宽，用l表示，有l＝h-h。
84.称灌溉位点距离地表的距离为灌溉位深，用z表示，有z＝h ρl，ρ为灌溉位点到上干湿分界面的距离与湿润带宽的比例系数，取值由土壤性质和根系密度决定，本发明取。
85.2)干深度阀值，用c值表示，考虑根系在不同生长期对土壤干有多深的要求，本发明通过设定干深度阀值，当干深度高于该阀值时，该干深度处的滴灌器执行诱导灌溉(进行诱导根系向下生长的灌溉工作)，使当前干深度维持在阀值内。
86.s4：干深度控制
87.干深度控制：通过对干深度阀值c进行阀值控制(即控制干深度阀值c随根系生长不断提高，而其对应的灌溉位深z也不断变大)，使干深度随根系生长不断加深，确保水肥液始终位于根尖稍远处，进而诱导根系向下生长。具体如下：
88.s1：取i值为诱导灌溉日序，根据根系生长函数建立干深-时域阀值函数c(i)，有
89.c(i)＝kg(i)cosθ
90.其中，k值为经验系数，根据实际种植环境取值；θ为侧根生长总偏差角，表征所有侧根与主根夹角的均值，用来近似求解侧根长的垂向分量，一般取30
°
左右；g是根系的各几何参数，如主根长、基根总长等，因而用g(i)表示根系的生长函数，用来预测根系向下生长的理论情况，本发明用三次多项式作为大田作物根系的生长函数，其一般函数为g(i)＝ai3 bi2 ci d，其中，a、b、c、d是多项式的系数，由实验及经验取值。其函数图像呈s形，也就是说，在一个根系生长周期内，根系的生长速度一般随深度的增加越来越来慢。
91.s2：根据干深-时域阀值函数对干深度阀值c进行函数控制，使干深度阀值随i值的增加不断加深，从而每次灌溉后的当前干深度
92.h(i)＝kg(i)cosθ
93.这里称h(i)为干深-时域函数，显然，基于该函数干深度随根系生长不断加深，确保水肥液始终位于根尖稍远处。
94.s5：时域控制
95.时域控制包括每次诱导灌溉的灌溉时长t、每次胁迫灌溉的时长t0。本发明根据作物根系生长函数、干深-时域函数、相关土壤信息(如土壤渗水速率、ph值等)、最近天气情况等建立模糊规则库，设计模糊控制器。由干深度阀值c值及当前土壤的干深度h值作为模糊控制器的输入从而解出每次的诱导灌溉时长t和胁迫灌溉时长t0的值。具体如下，流程如图5所示：
96.s1：设计模糊控制器：根据作物根系生长函数、干深-时域函数、相关土壤信息(如土壤渗水速率、ph值等)、最近天气情况等建立模糊规则库，设计模糊控制器。
97.s2：目标值设定：预设干深度阀值c＝h(i)，h(i)为s6的干深-时域函数
98.s3：当前值获取：土壤探针每天实时获取每层滴灌层的当前土壤含水率er，根据er值得出当前干深度h。
99.s4：执行灌溉决策前，将h值、c值输入模糊控制器，模糊控制器计算出控制变量hc值。
100.s5：模糊控制器根据hc值从模糊规则库解出每次的诱导灌溉时长t和胁迫灌溉时长t0的值。
101.s6：控制系统接收t值、t0值，使第r滴灌层按t值执行诱导灌溉决策，使r-1滴灌层
按t0值执行诱导灌溉决策。
102.s6：灌溉参数确定
103.为保证土壤湿润均匀，本发明通过螺旋式水肥气一体滴灌装置进行环状的分层滴灌，每圈螺旋线管对应一个滴灌层，从上往下依次为第1滴灌层、第2滴灌层、第3滴灌层等，设执行诱导灌溉为第r滴灌层，各灌溉参数的确定，具体如下：
104.(1)滴灌层r的取值
105.s1：由干深-时域函数h(i)，计算出灌溉位深z(i)＝h(i) ρl
106.s2：滴灌装置埋深h0，取滴灌层纵深方向的中点到地面的距离为滴灌层的深度zr，计算出各滴灌层的深度zr＝h0 p(r-0.5)
107.s3：由z(i)≥zr，解得进一步的，r取其解集的最大正整数，于是便确定了r的值。显然，r的取值随i值的增大而增大，从而进行逐层往下的诱导灌溉，使水肥液始终位于根尖不远处。
108.(2)灌溉阀值
109.1)记h
t
为诱导灌溉阀值，即每次诱导灌溉时触发滴灌器开始滴灌的阀值。有
110.h
t
＝k
t
c(i)
111.其中，干深度阀值c(i)为实际的灌溉阀值，k
t
为诱导调控系数，取值0.8-1.3。
112.其作用为，当当前干深度h高于该阀值时，滴灌层开始诱导灌溉使当前干深度等于阀值，也就是使h(i)＝h
t
。
113.2)记为胁迫灌溉阀值，每次胁迫灌溉时滴灌器开始滴灌的阀值，t0为每次胁迫灌溉时长。有c0为胁迫阀值，其为干旱胁迫下限值，认为土壤含水率低于该值时根系无法正常生长，取值由作物类型决定，一般取15％-20％，k
p
为胁迫调控系数，取值1-1.5。
114.其作用为，当土壤含水率er低于该阀值时，滴灌层开始胁迫灌溉，使根系保持一定的胁迫效应，迫使根系向下生长，又不影响作物生长。
115.(3)灌溉时长
116.诱导灌溉时长t值与胁迫灌溉时长t0值每天由s5的模糊控制器解出。
117.s7：灌溉决策执行
118.为诱导根系向下生长，需使水肥液始终位于根尖稍远处，就意味位于干深度内的根系会处于干土内发生胁迫效应，轻度的胁迫效有利于诱导但重度的胁迫效应(长期缺水或重度缺水)将制约作物的生长。因而，本发明在第r滴灌层执行诱导灌溉，使水肥液位于根尖稍远处，诱导根系向下生长，而对干土的根系进行胁迫灌溉，即对干土进行适度灌溉，使其保持一定的胁迫效应，进一步迫使根系向下生长，又不影响作物生长。
119.在缓苗结束后，根系进入生长期，此时进入诱导阶段，执行以下灌溉决策：
120.s1：土壤探针每天实时获取每层滴灌层的当前土壤含水率er，所述土壤含水率取该滴灌层土壤探针所测得土壤含水率的平均值。
121.s2：进一步的，根据干深阀值c1值，由er＜c1得出当前干深度h。
122.s3：根据s6确定的各灌溉参数执行以下灌溉策略：
123.第r滴灌层每天执行诱导灌溉策略，而所有r-1滴灌层每天执行的胁迫灌溉策略。
124.需注意的是，首次诱导灌溉，r取初始值2，也就是说，在首次诱导灌溉时，第2滴灌层每天执行诱导灌溉策略，第1圈区每天执行胁迫灌溉策略。
125.s4：进一步的，根据根系吸水情况、作物生长情况等进行诱导调控与胁迫调控。通过对干深度阀值c进行放大或缩小调整来调控诱导力度，通过对胁迫阀值c0进行放大或缩小调整来调控胁迫程度。具体如下：
126.(1)诱导调控：k
t
为诱导调控系数，取值0.8-1.3，调控诱导程度，k
t
越小，干深度越小，诱导效果越好。每次调控时，根据需求每次减少或增加5％来调控诱导程度。
127.(2)胁迫调控：k
p
为胁迫调控系数，取值1-1.5，调控胁迫程度，保证进行胁迫灌溉区域的根系产生一定时间的轻度干旱胁迫效应，尽可能抑制根系向计划外的方向生长，k
p
越大，胁迫程度越高。每次调控时，根据调控需求每次减少或增加5％。
128.所述诱导灌溉策略和胁迫灌溉策略，具体如下：
129.(1)一日内的诱导灌溉策略：
130.每当前干深度h值大于h
t
值时，第r滴灌层滴灌器的输水阀门开启，输出水肥液进行滴灌，灌溉时长为t。灌溉结束后，滴灌器的输气阀门开启，往土壤通入气体20s，改善土壤的通透性使根系更易于向下生长，解决根系向下生长缺氧问题，且防止土壤或根系堵塞滴头。
131.所述水肥液，由水肥一体化机按每100kg水加入吲哚丁酸0.2g，萘乙酸0.3g，植物生长调节剂1g，磷肥0.8g，高速搅拌30min配制而成后运输至滴灌装置。所述植物生长调节剂包括萘乙酸生长素、α-萘乙酰基硫脲类化合物和6-苄氨基嘌呤，三者质量比为1∶1∶0.2。
132.(2)一日内的胁迫灌溉策略：
133.每当时，认定干燥层失水严重，此时所有r-1滴灌层的滴灌器输出清水开始滴灌，灌溉时长为t0。
134.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。