基于農作物自動化灌溉系統(tǒng)的評價

艾合拜爾·毛拉

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 引言

在干旱或半干旱氣候條件下，水是減少農業(yè)生產的最大限制因素。在過去的三十年中，許多作物育種者和植物生理學家為提高一系列農業(yè)和園藝作物的耐旱性做出了巨大的努力。為克服缺水對農業(yè)生產的影響，進行抗旱育種的主要方法之一是集中精力提高作物的“水分生產率”或“水分利用效率”。其他側重于節(jié)水技術的方法也可以幫助節(jié)約用水，并且只提供植物所需的水量。例如，自動化灌溉系統(tǒng)非常有利，特別是在照看室內生長的植物時。如果設置和編程得當，自動灌溉系統(tǒng)可以非常經濟，也有助于節(jié)約用水。但是，從自動灌溉系統(tǒng)所節(jié)省的成本可能超過自身費用。人工灌溉以植物根部為目標，精確度不高。相比之下，自動灌溉系統(tǒng)可以通過編程在目標區(qū)域排放更精確的水量，從而促進節(jié)水。

2 水生產率/水利用效率

水生產率的概念來自于不同的領域。在灌溉系統(tǒng)中，用水效率一詞已用于衡量向作物輸送的水的有效性以及在該輸送過程中浪費的水量?！八眯省币辉~是基于這樣的假設：在缺水條件下，水利用效率高的植物應該比水利用效率低的植物有更高的生產率。

通過提高作物的水分利效率可以提高作物的耐旱性。作物產量可以用總生物量或種子重量來表示，當產量轉換為貨幣單位時，甚至可以用貨幣單位來表示。表示水生產率的最常見方式是產量與供水量或總蒸發(fā)蒸騰量的比值(蒸發(fā)：土壤中水分的流失；蒸騰量：植物中水分的流失)。

WP1=谷物種子產量/田間施水量

(1)

WP2=干物質總產量/田間施水量

(2)

WP3=總量貨幣價值/田間施水量

(3)

式(1)和式(2)適用于單一作物生產中的水分利用效率，而式(3)則適用于多種栽培作物的水分利用效率。提高水生產率意味著我們如何利用當前使用的水，有效提高最終作物的產量。在缺水的農業(yè)環(huán)境中，提高水生產率是當務之急。目前已經提出了許多提高水生產率的方法和技術，如農田覆蓋技術[1]，地埋滴灌技術[2]，應用巖棉緩解水分脅迫對番茄的生長生理影響[3]等。缺水地區(qū)農業(yè)生產用水需要創(chuàng)新和持續(xù)的研究，以及適當?shù)募夹g更新。隨著水供應變得更加稀缺和污染，有必要進行更有效的灌溉以減少用水。高效的水管理在農業(yè)灌溉系統(tǒng)中起著重要作用。由于降雨和灌溉的入滲，徑流、作物用水以及灌溉深度的空間變異性，許多地區(qū)的農田實際上灌溉過度或灌溉不足。灌溉不足的地區(qū)遭受水分脅迫，導致生產損失，而灌溉過度的地區(qū)則遭受植物病害和養(yǎng)分流失。

提高小麥的灌溉效率可以極大地降低小麥生產成本，使該行業(yè)更具競爭力和可持續(xù)發(fā)展性。通過適當?shù)墓喔?，既保?或提高)小麥的平均產量，同時又最大限度地減少過量用水和隨后農藥浸出對環(huán)境造成的影響。自動灌溉控制系統(tǒng)是一個潛在的解決方案，可以通過檢測土壤水分狀況和現(xiàn)場特定控制灌溉噴頭來優(yōu)化水管理。

本文的目的是設計一種方便、簡單、價格低廉的土壤水位連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，并能根據植物預先設定的水位要求自動灌溉。該系統(tǒng)由濕度傳感器、傳感器驅動器和水控制器組成。

3 材料和方法

3.1 濕度傳感器

該電路使用濕度傳感器，該傳感器會隨著相對濕度(RH)電平的變化而改變電容。濕度傳感器是作為脈沖寬度調制系統(tǒng)的一部分來連接，該系統(tǒng)隨RH的變化而改變輸出脈沖寬度。對輸出的已調制脈沖進行濾波并求平均，以將脈沖寬度的變化轉換為直流電平的變化，而直流電平是RH電平的直接讀數(shù)。該輸出被送入比較器，該比較器根據所需植物水位將RH水平與預設值進行比較。比較器的輸出將激活一個繼電器，該繼電器連接到一個電動水龍頭，使水可以灌溉植物，直到傳感器達到設定的水平。圖1中顯示了用于可變速率灌溉的自動灌溉系統(tǒng)的示意圖。

圖1 自動灌溉系統(tǒng)的示意圖

使用這種簡單的系統(tǒng)可使水位始終保持在某個預設值。如果需要，可以根據植物生長的階段更改此預設水位值。由于土壤的自然變異性，土壤水傳感器的位置和數(shù)量可能至關重要，未來的工作應包括傳感器位置的優(yōu)化以及克服需要進行土壤特定校準的局限性的技術。

3.2 植物生長

這項研究是新疆某灌區(qū)進行的。本實驗使用的小麥品種為硬粒小麥的種子。種子播種在裝有土壤堆肥和沙子體積比為1∶3的12 cm塑料盆中。在開始應用水處理之前，花盆保持充分灌溉兩周。兩周后，植物被分成兩組，一組人工灌溉，而第二組使用電子傳感器自動灌溉。應用兩種水情處理：80%的田間持水率和40%的田間持水率。對于人工灌溉的植物，每1～2天稱重一次花盆，并通過添加計算出的水量使灌溉達到適當?shù)乃?，進而保證土壤恢復到適當?shù)乃譅顩r；保持原先設定的80%的田間持水量或40%的田間持水量。對于自動灌溉的植物，灌溉由自動電子傳感器本身維持。實驗結束時，測量株高。收獲植株，通過測量地面上部和根的鮮重和干重來估計生長。進行生理量測來估計光合作用的速率。

3.3 統(tǒng)計分析

平均值和標準誤差(以圖形顯示)是使用Excel(Microsoft Office 2007)計算的。方差分析是使用Minitab-ANOVA和通用線性模型(版本13)進行的。

4 結果與討論

4.1 對植物高度的影響

圖2總結了人工灌溉和自動灌溉的效果，結果表明，人工灌溉和自動灌溉的株高差異不顯著(p>0.05)。但國內已有實驗表明由計算機程序控制的自動澆水玫瑰的植株高度比人工灌溉的略高。

圖2 人工灌溉和自動灌溉對植株高度的影響

4.2 對植物鮮重的影響

研究人工灌溉和自動灌溉對植物鮮重的影響，包括地上部鮮重，根部鮮重和總鮮重。40%的田間持水量狀況下，與自動灌溉相比人工灌溉系統(tǒng)中植株地上部鮮重顯著減少(p<0.05)(圖3)；但是，兩種灌溉類型在80%的田間持水量狀況下植株地上部鮮重未顯示出顯著差異(p>0.05)(圖4)。圖4顯示，與自動灌溉系統(tǒng)中的植株相比，40%的田間持水量狀況下人工灌溉的植株根鮮重略有升高(p<0.05)；兩種灌溉類型之間的80%的田間持水量狀況下無顯著差異(p>0.05)。許多研究報告說，在缺水灌溉條件下，植物新稍的生長受到抑制[4]。在40%的田間持水量狀況下，觀察到相對于自動灌溉，人工灌溉稱量的總鮮重略有下降(p<0.05)，見圖5，而在80%的田間持水量狀況下，總鮮重在兩種灌溉方式之間沒有顯著差異(p<0.05)。總體而言，當缺水嚴重時，節(jié)水自動灌溉系統(tǒng)可實時監(jiān)測土壤溫度，土壤水分、水流速參數(shù)，計算用水量，達到精細化用水的要求，實現(xiàn)節(jié)水灌溉控制，提高水的利用率[5]。

圖3 人工灌溉和自動灌溉對植株地上部分鮮重的影響

圖4 人工灌溉和自動灌溉對植株根系鮮重的影響

圖5 人工灌溉和自動灌溉對植株總鮮重的影響

4.3 對植物干重的影響

如圖6～圖8所示，通過測量地上部干重，根干重和總干重來研究植株的生長。人工灌溉的植株在40%的田間持水量狀況下地上部干重顯著低于80%的田間持水量狀況下的地上部干重(p<0.05)，但自動灌溉的植株在兩種水分下的相對差異較小，然而，自動灌溉和人工灌溉之間的80%的田間持水量狀況下，差異不顯著(p>0.05)。圖7中在40%的田間持水量狀況下，相對于自動灌溉情況下人工灌溉植株的根干重略有下降(p<0.05)。然而，在80%的田間持水量狀況下，沒有檢測到顯著的差異?？傮w而言，生長顯示，自動灌溉的植株在兩種水分處理下的總干重都高于人工灌溉的植株(圖8)。

圖6 人工灌溉和自動灌溉對植株地上部干重的影響

圖7 人工灌溉和自動灌溉對植株根系干重的影響

圖8 人工灌溉和自動灌溉對植株總干重的影響

4.4 對光合作用的影響

光合作用，即植物制造食物(生物量)的過程，這些食物(生物量)將用于生長和經濟上重要的產量，包括小麥在內的谷類作物的籽粒灌漿。測定人工灌溉和自動灌溉植物的光合作用速率，以便將以干重表示的生物量積累與光合作用速率聯(lián)系起來。結果表明，40%的田間持水量狀況下人工灌溉植物的光合作用速率下降較早(1000 μmol·m-2·s-1)，見圖9、圖10。

圖9 光合作用(人工-40%-1)

圖10 光合作用(自動-40%)

在40%的田間持水量狀況下，人工灌溉植株的光合速率顯著下降(p<0.05)，而自動灌溉植株的光合速率沒有下降，即使在1500μmol光合有效輻射(PAR)的情況下也能觀察到這一現(xiàn)象。如圖11、圖12所示，80%的田間持水量狀況下人工灌溉的下降可以用光抑制的發(fā)生，即光合作用過程的減慢或停止來解釋。由于植物對水的高需求，當水分變得有限時，光合作用速率以及隨后的生長和產量都會下降。在按需灌溉控制器的基礎上，更干燥的灌溉處理會降低光合作用速率，并受到土壤田間容量水平設定閾值的限制， 使用土壤濕度傳感

圖11 光合作用(人工-80%-1)

圖12 光合作用(自動-80%)

器可以提高相對節(jié)水率，從而提高了盆栽植物的相對光合作用速率[6]。

5 結語

與典型的灌溉方式相比，使用土壤濕度傳感器和智能節(jié)水系統(tǒng)等可以節(jié)約用水。結果表明，與人工灌溉相比，自動灌溉的小麥植株具有更高的光合速率，這可能表明植物生物量更高，從而產量更高。需要進一步的工作來重復這類調查，未來的研究應該在更大的范圍內進行，以確定自動灌溉比人工灌溉的效率。