基于土壤濕度參數(shù)的自動(dòng)化節(jié)水灌溉裝置在草坪綠地上的應(yīng)用

王熠晗，張周銳，劉金榮

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730020)

0 引言

我國水資源總量較多，但水資源人均占有量僅為世界人均水平的14，排世界第110位，被列為世界13個(gè)貧水國之一[1]。我國在城市生態(tài)建設(shè)方面耗水巨大，城市生態(tài)綠地用水已成為與城市生活用水、工業(yè)用水并駕齊驅(qū)的第3大城市用水類型[2]。草坪建設(shè)是衡量現(xiàn)代化城市建設(shè)水平的重要標(biāo)志之一，而灌溉是草坪養(yǎng)護(hù)管理中最重要的措施[3]。綠化用水在城市用水中占據(jù)較大比例，水資源的匱乏使得我國不具備相同的條件，故尋求草坪節(jié)水灌溉的方法，是我國生態(tài)文明建設(shè)和草坪業(yè)發(fā)展的一大任務(wù)[4]。

21世紀(jì)以來，國內(nèi)草坪業(yè)步入全面發(fā)展的新階段，目前已基本形成了草坪草種子生產(chǎn)-加工-營銷、草坪建植與養(yǎng)護(hù)管理和草坪相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)與銷售一條龍的產(chǎn)業(yè)體系，成為國民經(jīng)濟(jì)中一個(gè)新的增長點(diǎn)[5]。

調(diào)虧灌溉是20世紀(jì)70年代澳大利亞持續(xù)灌溉農(nóng)業(yè)研究所提出的理論，其基本思想為部分作物由于其自身生理或生化作用受到遺傳因素或生長激素的影響，如在其生長發(fā)育某些階段施加一定程度的水分脅迫，可以增加作物后期的抗旱能力。同時(shí)能夠引起同化物在不同器官間的重新分配，降低營養(yǎng)器官的生長冗余，提高作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)，并可通過對其內(nèi)部生化作用的影響，改善某些作物的品質(zhì)，起到節(jié)水、優(yōu)質(zhì)和高效的作用[6-7]。這一理論目前已在美國、澳大利亞和印度的一些地區(qū)得到了應(yīng)用。RAWSON H M等[8]對生長至45 d的向日葵幼苗進(jìn)行控水而使光合產(chǎn)物的分配發(fā)生遷移，與不受水分脅迫的處理相比較能多產(chǎn)籽粒。TURNER N C[9]認(rèn)為，水分虧缺并不總是降低產(chǎn)量，早期適度的水分虧缺在某些作物上有利于增產(chǎn)。胡博等[10]關(guān)于ABA的研究結(jié)果表明，在適度的調(diào)虧時(shí)期內(nèi)，果實(shí)可在水分虧缺導(dǎo)致營養(yǎng)生長受抑制時(shí)累積有機(jī)物以維持自身的生長，不會(huì)對果實(shí)產(chǎn)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但目前調(diào)虧灌溉理念基本停留在農(nóng)作物試驗(yàn)與應(yīng)用，很少推廣到大面積的草坪養(yǎng)護(hù)方面[11]。

一般養(yǎng)護(hù)條件下，每平方米草坪草每天的耗水量為2.5～7.5 mm，最大值為12 mm，長期水分虧缺的草坪會(huì)因體內(nèi)代謝失調(diào)，生長勢減弱而影響其原有特性的發(fā)展，表現(xiàn)出夏季枯黃，冬季提前休眠等現(xiàn)象。運(yùn)用調(diào)虧灌溉原理使草坪維持適度的水分虧缺狀態(tài)，可節(jié)約水資源，提高草坪質(zhì)量[12-13]。結(jié)合蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院近幾年對草坪灌溉和草坪草等方面研究成果，開發(fā)出基于土壤濕度參數(shù)的綠地草坪自動(dòng)化灌溉裝置，裝置以調(diào)虧灌溉理論為核心，可在不損害草坪質(zhì)量的前提下，降低草坪灌溉量，從而達(dá)到節(jié)水的目的[13-15]。裝置能智能化地將調(diào)虧灌溉原理運(yùn)用于草坪灌溉中，輔助一線草坪建植養(yǎng)護(hù)技術(shù)人員和管理人員制定合理的灌溉制度，減少養(yǎng)護(hù)成本，提高資源利用效率，同時(shí)規(guī)避不合理灌溉導(dǎo)致的土壤鹽堿化等不利后果，從而促進(jìn)草坪業(yè)的發(fā)展，體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展理念，提高城市綠化率[16-17]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于土壤濕度參數(shù)的綠地草坪自動(dòng)化灌溉裝置設(shè)計(jì)的目的是為使用者提供分析草坪灌溉方案所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)資料、模型公式，并以交互的方式輔助用戶完成決策過程。裝置以以色列佳控GALCON無線網(wǎng)絡(luò)中控為載體，通過無限網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，中央控制中樞在服務(wù)器上，區(qū)別于傳統(tǒng)中央控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是信號傳輸?shù)姆绞绞菬o線的。用戶可以在任意有網(wǎng)絡(luò)的地方，使用電腦或者智能手機(jī)，通過輸入用戶名和密碼登錄到指定網(wǎng)頁對灌溉項(xiàng)目進(jìn)行管理控制和編程，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1分控箱(場地控制器)

分控箱是無線網(wǎng)絡(luò)中控的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每個(gè)分控箱都安裝無線上網(wǎng)卡，接入網(wǎng)絡(luò)與中控服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)或間斷的信息傳輸，接收并執(zhí)行中央控制系統(tǒng)的指令，并可將流量數(shù)據(jù)和閥門運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋給中控系統(tǒng)，作為中控灌溉決策的依據(jù)。分控箱與電磁閥、流量傳感器和雨量感應(yīng)器等設(shè)備連接。無線上網(wǎng)卡使用中國當(dāng)?shù)氐穆?lián)通或者移動(dòng)的普通上網(wǎng)流量卡即可。

GALCON中控分控箱的型號分為AC交流和DC直流兩種：AC model(AC型號)，包括AC12、AC16、AC24和AC64(可接解碼器系統(tǒng))，可使設(shè)備一直處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)，共有24個(gè)站和1個(gè)主閥；DC model(DC型號)，有12個(gè)站和1個(gè)主閥，內(nèi)部裝有標(biāo)準(zhǔn)的D型電池，工作時(shí)間3年，可選用太陽能電池板用于在線或離線運(yùn)行。

1.2服務(wù)器

服務(wù)器是無線網(wǎng)絡(luò)中控的核心，服務(wù)器接收和統(tǒng)計(jì)來自分控箱的灌溉數(shù)據(jù)，生成灌溉日志。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)灌溉異常時(shí)(流量過大、流量過小或控制器異常)，將會(huì)向指定的用戶電子郵箱和用戶系統(tǒng)發(fā)送警報(bào)信息。灌溉管理者即用戶，可通過服務(wù)器為分控箱編程、操控。服務(wù)器還可以從氣象預(yù)報(bào)網(wǎng)站下載當(dāng)?shù)?可以精確到縣)當(dāng)天及未來幾天的氣象數(shù)據(jù)和氣象預(yù)報(bào)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)智能調(diào)節(jié)灌溉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對草坪灌溉量控制。

1.3用戶操作界面

操作頁面是網(wǎng)絡(luò)中控最為直觀的一部分。網(wǎng)絡(luò)中控的用戶界面是基于網(wǎng)頁的操作界面，用戶打開中控網(wǎng)頁，通過給定的用戶名和密碼登錄服務(wù)器，進(jìn)行操作。在操作界面中，用戶可以為控制器編程，實(shí)時(shí)打開或關(guān)閉閥門，查看控制器運(yùn)行狀態(tài)、灌溉日志、警報(bào)信息、用水量統(tǒng)計(jì)和氣象數(shù)據(jù)等。

2 系統(tǒng)全自動(dòng)原理及操作效果

基于土壤濕度參數(shù)的綠地草坪自動(dòng)化灌溉裝置，依賴在草坪土層中安裝測定土壤持水量的傳感器，采集土壤濕度信息，將數(shù)據(jù)反饋給控制終端?？刂平K端結(jié)合傳感器反饋的信息和草坪中草坪草的性質(zhì)，確定出該草坪所處的水分需求狀態(tài)，從而通過控制電磁閥開閉來調(diào)控灌溉量，灌溉量改變土壤含水量，從而實(shí)現(xiàn)有效的灌溉調(diào)控。此外，裝置建立控制終端與手機(jī)的連接，使得可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控草坪狀態(tài)并進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，手機(jī)監(jiān)控控制系統(tǒng)如圖2～3所示?？刂平K端可智能運(yùn)行即自動(dòng)化灌溉，也可通過手機(jī)進(jìn)行控制即人工控制，驅(qū)動(dòng)電磁閥實(shí)現(xiàn)噴灌的起始與終止。

裝置通過控制地表灌溉量直接控制土壤持水量，保證土壤持水量維持在一定的水分脅迫水平。這種脅迫狀態(tài)會(huì)減緩草坪向上生長的速度，引導(dǎo)草坪草扎根深層土壤，使草坪矮壯密集。通過這種調(diào)虧灌溉原理培育出的草坪極耐踐踏、壽命增加和修剪周期延長，從而可降低人工養(yǎng)護(hù)成本。在滿足小區(qū)、公園等對草坪美觀需要的同時(shí)，又達(dá)到運(yùn)動(dòng)場、高爾夫球場等對草坪品質(zhì)的要求。灌溉系統(tǒng)全自動(dòng)原理如圖4所示。

裝置的核心技術(shù)：試驗(yàn)研究確定出以黑麥草、高羊茅、早熟禾和剪股穎等為主的草坪草對土壤持水量的需求，制定不同草坪的調(diào)虧灌溉標(biāo)準(zhǔn)，使得可以通過智能裝置對草坪灌溉進(jìn)行管理。如胡化廣等[18]對暖季型草坪草葉結(jié)縷草和普通狗牙根，冷季型草坪草高羊茅品種翠碧和早熟禾品種解放者周期的蒸散量，不同氣象條件下草坪的日需水量等指標(biāo)的研究，確定出草坪草對土壤持水量的生長要求。研究表明，草坪草不同月份的蒸散量不同。一個(gè)地區(qū)氣候的變化具有一定的規(guī)律性，可以進(jìn)一步在露地環(huán)境條件再繼續(xù)進(jìn)行3～4年的研究，來探索草坪草蒸散的月變化規(guī)律，以更好地指導(dǎo)草坪灌溉。4種草坪草在不同灌溉梯度下蒸散量變化如圖5所示，各草種蒸散量隨著灌水量降低而極顯著地降低[18]。這與許正剛等[19]對溝葉結(jié)縷草以及王躍棟等[20]對匍匐剪股穎研究得出的規(guī)律是一致的。因此，在實(shí)際灌溉中，通過控制水分來控制草坪草的蒸散量從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水是可行的。

其次，不同氣象條件對合理配置土壤水分也有顯著影響，表1展示了不同氣象條件下草地的日需水量(mm)，可為草坪工作者提供參考需水量。

蔡煥杰等[21]曾指出，真正意義上的調(diào)虧灌溉是根據(jù)作物對缺水的反映，在適當(dāng)時(shí)間人為造成水分虧缺，而不影響作物產(chǎn)量或影響很小，甚至有利于作物產(chǎn)量的一種灌溉決策方案。基于土壤濕度參數(shù)的綠地草坪自動(dòng)化灌溉裝置將這一原理利用于草坪養(yǎng)護(hù)，能夠幫助草坪管理者更科學(xué)地管理草坪。

表1 不同氣象條件下草地的日需水量

注：表中的氣象條件是指各種天氣現(xiàn)象的水熱條件；日需水量是指此類氣象條件下草坪的合理需水量，日需水量×面積即為單位面積草坪需水量指標(biāo)。

該裝置已在干旱、半干旱地區(qū)蘭州市永登縣上川鎮(zhèn)草坪種植基地、蘭州大學(xué)榆中校區(qū)草坪種植試驗(yàn)區(qū)和草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院人工智能溫室、蘭州大學(xué)慶陽黃土高原草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)試驗(yàn)站進(jìn)行示范推廣，實(shí)地操控裝置如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，草地早熟禾草坪春季灌溉的最高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)選擇土壤含水量為田間持水量的56%～65%，最低標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)選擇土壤含水量為田間持水量的36%～45%[14]。對于多年生黑麥草，適宜將土壤相對含水量(RSWC)降為40%～50%，在此脅迫程度下，各項(xiàng)指標(biāo)雖有一定程度的下降，但并未影響到其生理內(nèi)部機(jī)理，且復(fù)水后可在短時(shí)間內(nèi)得以恢復(fù)甚至超償恢復(fù)[15]。

試驗(yàn)地每年的灌溉量約為500 mm，相較于傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式1 600～2 000 mm的用水量，耗水量降至原先的25%～31.25%，草坪生長速度減緩至原先的一半，使原本約每周1次的修剪轉(zhuǎn)變?yōu)閮芍?次，節(jié)約了修剪成本，草坪密度、顏色、彈性以及功能性方面維持不變。

3 討論

目前草坪灌溉主要有3種形式，漫灌、噴灌和地下滴灌。漫灌簡單易行，但耗水量巨大，水量不均勻，且不適于坡度較大的草坪；噴灌適宜于地形變化的較大的草坪，其灌溉量更容易控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是目前國內(nèi)外草坪灌溉的主要形式；地下灌溉利用地下管道直接灌溉草坪根層，具有避免土壤緊實(shí)、減少蒸發(fā)耗損和地表徑流、節(jié)水的優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)備昂貴，維護(hù)困難[22-24]。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)微灌技術(shù)已發(fā)展至較高水平，結(jié)合脈沖灌溉、微噴霧和滴灌等相關(guān)技術(shù)，微灌節(jié)水灌溉技術(shù)的運(yùn)用也愈加成熟，其最大特點(diǎn)在于嚴(yán)格控制灌溉水量的損耗，微灌里包括的水過濾系統(tǒng)、管道控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)能在最大程度上節(jié)約用水，這對于發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)至關(guān)重要[25]。灌溉裝置的改造與實(shí)踐也在不斷突破，滴灌、噴灌和滲灌等灌溉技術(shù)都均有新的發(fā)展，為智能化灌溉建立了基礎(chǔ)。

國內(nèi)草坪自動(dòng)化灌溉裝置尚處于發(fā)展階段，管灌、滴灌、滲灌和微灌等節(jié)水技術(shù)尚未應(yīng)用于公共綠地，現(xiàn)行的全自動(dòng)技術(shù)及半自動(dòng)技術(shù)由于無法對草坪需水程度進(jìn)行監(jiān)測，對灌溉定額、灌溉時(shí)間和灌溉次數(shù)缺乏精細(xì)化管理，導(dǎo)致草坪灌溉耗水巨大、無效灌溉嚴(yán)重影響草坪休閑娛樂價(jià)值[26]。

基于土壤濕度參數(shù)的綠地草坪自動(dòng)化節(jié)水灌溉裝置結(jié)合土壤濕度傳感器、中控系統(tǒng)、繼電器和電磁閥，實(shí)現(xiàn)對草坪需水程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和智能調(diào)控，運(yùn)用調(diào)虧灌溉理論調(diào)整草坪灌溉量，減少無效灌溉，提升灌溉效率，發(fā)展出減少灌溉定額、提升草坪質(zhì)量的新型灌溉模式，降低草坪養(yǎng)護(hù)成本。裝置可直接對傳統(tǒng)噴灌系統(tǒng)進(jìn)行改良，安裝難度低，可廣泛應(yīng)用于小區(qū)公共綠地、公園、運(yùn)動(dòng)場和高爾夫球場等，為草坪工作者提供技術(shù)支持，降低草坪建植養(yǎng)護(hù)成本及其他附屬開支。保障草坪質(zhì)量，同時(shí)最大化節(jié)水效益，將先進(jìn)技術(shù)與合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝與維護(hù)和科學(xué)的灌溉模式相結(jié)合，為現(xiàn)代草坪灌溉裝置的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

4 結(jié)束語

結(jié)合草坪草調(diào)虧灌溉模式的研究成果，對智能化灌溉裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將調(diào)虧灌溉運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐、提高草坪灌溉的自動(dòng)化作業(yè)水平。對基于土壤濕度參數(shù)和草坪草調(diào)虧灌溉理論的自動(dòng)化節(jié)水灌溉裝置進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明：結(jié)合土壤濕度傳感器，控制終端可以有效監(jiān)測并精準(zhǔn)調(diào)控土壤濕度水平，從而維持適于草坪草生長的水分虧缺狀態(tài)，以調(diào)虧灌溉形式，降低耗水，提升草坪質(zhì)量。裝置可以全智能調(diào)控也可通過手機(jī)進(jìn)行人為調(diào)控，提高了灌溉系統(tǒng)的智能化水平與靈活度，為現(xiàn)代草坪灌溉管理提供了新型方式。