蔬菜精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉技術(shù)模型應(yīng)用研究進(jìn)展

曹 健，張白鴿，陳 瀟，宋 釗，余超然，何裕志

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/廣東省蔬菜新技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

水是作物生長(zhǎng)不可或缺的基本要素，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最大量的投入品，土壤水分管理對(duì)作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)、減少水肥流失和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境有重要作用。我國(guó)蔬菜生產(chǎn)種植規(guī)模大，復(fù)種指數(shù)高，用水量大，蔬菜產(chǎn)區(qū)往往集中在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比較發(fā)達(dá)、水資源供需矛盾比較突出的地區(qū)，實(shí)施精準(zhǔn)高效的蔬菜節(jié)水灌溉技術(shù)不僅對(duì)緩解水資源短缺有重大意義，還能夠合理調(diào)控蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育，提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，保障城鄉(xiāng)居民蔬菜有效供給及其對(duì)優(yōu)質(zhì)蔬菜產(chǎn)品的消費(fèi)需求。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)通過(guò)多學(xué)科的交叉、融合和集成，從多角度開(kāi)展了大量的研究工作，開(kāi)發(fā)應(yīng)用了一批先進(jìn)的節(jié)水灌溉設(shè)施裝備，建立起多種節(jié)水灌溉決策模型，在土壤墑情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、合理灌溉指標(biāo)等方面獲得了可喜的進(jìn)展，逐步成為水資源節(jié)約高效利用的重要技術(shù)手段，為作物精準(zhǔn)灌溉及其高效用水提供了技術(shù)保障［1-3］。蔬菜根系分布淺，水分管理要求勤施薄施，頻繁灌溉，但蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程中土壤墑情卻難以精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，灌溉量不容易掌握，普遍存在盲目粗放灌溉，灌溉不足或灌溉過(guò)量的問(wèn)題，灌溉不足必然影響蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育，降低蔬菜產(chǎn)量和生產(chǎn)效益；灌溉過(guò)量則造成水肥流失浪費(fèi)，根系生理傷害、生態(tài)環(huán)境破壞以及蔬菜生產(chǎn)損失等一系列的問(wèn)題，生產(chǎn)上亟待根據(jù)蔬菜需水規(guī)律構(gòu)建精準(zhǔn)高效自動(dòng)灌溉控制技術(shù)措施。為此，蔬菜精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉要按照水分傳輸模型結(jié)合具體氣候條件提出各個(gè)水分傳輸界面的量化管理技術(shù)方案；同時(shí)根據(jù)根層土壤特性制定出土壤墑情精準(zhǔn)管理的灌溉指標(biāo)和灌溉制度；結(jié)合蔬菜生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)的要求適時(shí)適量精準(zhǔn)灌溉，調(diào)控植株生長(zhǎng)發(fā)育。針對(duì)菜田土壤自動(dòng)灌溉的技術(shù)需求，本文在系統(tǒng)分析根際土壤墑情管理技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，探討應(yīng)用蔬菜自動(dòng)灌溉控制的設(shè)施裝備及其調(diào)控土壤墑情的技術(shù)方法，認(rèn)為蔬菜灌溉應(yīng)根據(jù)菜田土壤水分傳輸模型建立土壤墑情精準(zhǔn)管理的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)設(shè)施；根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)規(guī)律及其對(duì)水分的需求，研究建立精準(zhǔn)調(diào)控根際土壤墑情的適時(shí)適量合理灌溉技術(shù)方案，制定完善的土壤墑情量化管理指標(biāo)和管理制度等，集成標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉設(shè)施裝備及其管理決策在蔬菜生產(chǎn)的應(yīng)用，同時(shí)，建立菜田土壤水分生態(tài)管理的蔬菜節(jié)水灌溉生產(chǎn)模式，為土壤墑情精準(zhǔn)高效管理和蔬菜節(jié)水灌溉提供技術(shù)支持［4］。

1 蔬菜自動(dòng)灌溉控制技術(shù)理論模型

目前農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)理論模型有很多，如SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系統(tǒng)理論模型，完整闡述了農(nóng)田水分循環(huán)及其能量平衡的問(wèn)題；測(cè)墑自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)理論模型，根據(jù)土壤墑情指標(biāo)作為灌溉管理的依據(jù)，建立較完善的根際土壤墑情管理技術(shù)體系；根據(jù)作物水分虧缺反應(yīng)的形態(tài)特征和生理指標(biāo)作為灌溉依據(jù)，建立水分管理模型，能為調(diào)控作物產(chǎn)量和品質(zhì)提供有效途徑。

1.1 基于SPAC 水分傳輸理論的灌溉模型

當(dāng)代研究土壤水分循環(huán)和平衡，以Philip［5］1966 年提出的SPAC 系統(tǒng)即土壤-作物-大氣連續(xù)體為基礎(chǔ)。SPAC 系統(tǒng)模型將“土壤-植物-大氣”視作一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)連續(xù)體，綜合分析地下水、地表水、土壤水、植物水和大氣水之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程，采用定量的方法弄清植物所需的水分及其在運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量傳遞的基本框架和動(dòng)態(tài)模型［6］。該系統(tǒng)模型根據(jù)作物種類、土壤類型、氣候因子及其生態(tài)環(huán)境，分析涉及系統(tǒng)水分運(yùn)移各個(gè)要素變化的參數(shù)，闡明在植物生長(zhǎng)的環(huán)境因素影響下水分的運(yùn)移及其形態(tài)轉(zhuǎn)化、能量輸送的物理學(xué)和生理學(xué)機(jī)制，建立起系統(tǒng)內(nèi)水分平衡的模擬模型。該系統(tǒng)模型各層次的水分傳輸介質(zhì)不同，界面不一，其水流過(guò)程就像鏈環(huán)一樣，互相銜接，以水勢(shì)作為主要驅(qū)動(dòng)力，將不同界面、不同介質(zhì)的水分運(yùn)動(dòng)聯(lián)系整合形成統(tǒng)一連續(xù)體，為系統(tǒng)水分及能量循環(huán)和轉(zhuǎn)化提供了可以量化分析的依據(jù)［7］?；赟PAC 系統(tǒng)模型從宏觀的角度抓住水分在系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律，結(jié)合作物需水規(guī)律和土壤水分狀況能夠作出土壤墑情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和灌溉管理決策。

SPAC 系統(tǒng)模型運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)成功模擬出大田作物灌溉模擬模型，應(yīng)用集成化、智能化的控制技術(shù)及設(shè)備，解決了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中繁瑣復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，結(jié)合大宗作物的產(chǎn)業(yè)規(guī)模及其生產(chǎn)過(guò)程中強(qiáng)有力的組織體系，能夠根據(jù)計(jì)算出來(lái)的灌溉指標(biāo)做出農(nóng)田灌溉管理決策［8］。在旱地作物和林地作物的模擬模型中獲得成功驗(yàn)證，為干旱預(yù)測(cè)及灌溉決策提供依據(jù)，已在我國(guó)小麥、玉米、果樹(shù)和林地作物的灌溉管理中推廣應(yīng)用［9-12］。

基于SPAC 系統(tǒng)灌溉決策系統(tǒng)所涉及的參數(shù)眾多，包括陽(yáng)光、降雨、風(fēng)速、空氣濕度等眾多條件因子，需要分別合理設(shè)置各種傳感器并將其參數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端綜合處理，對(duì)土壤墑情進(jìn)行模糊計(jì)算并轉(zhuǎn)化為灌溉決策方案。由于該系統(tǒng)模型是一個(gè)涉及多因素的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，灌溉與土壤墑情指標(biāo)沒(méi)有形成真正意義的閉環(huán)控制，是用氣象信息估算間接調(diào)控土壤墑情的灌溉管理指標(biāo)，系統(tǒng)模型復(fù)雜龐大，其中氣象、土壤、地形等諸多因子錯(cuò)綜復(fù)雜，變化多端，難以設(shè)計(jì)和精確定義，各個(gè)因子是否完整、每個(gè)因素的參數(shù)和權(quán)值是否準(zhǔn)確，以及各個(gè)因子自然變化引起系統(tǒng)的誤差等，都會(huì)影響灌溉決策是否符合作物生長(zhǎng)的實(shí)際需求，模型的實(shí)際應(yīng)用有一定局限性［13］。在作物需水特性不同、根系結(jié)構(gòu)和分布特征有差異、具體田塊的作物對(duì)水分需求有差別時(shí)，灌溉指標(biāo)與土壤墑情指標(biāo)和植物需水的生理參數(shù)難以設(shè)計(jì)形成反饋裝置，特別是對(duì)于生長(zhǎng)迅速、需水量大、灌溉頻率高的蔬菜作物較難精準(zhǔn)模擬出實(shí)際的水分平衡狀況，難以對(duì)菜田土壤墑情進(jìn)行精準(zhǔn)管理。

1.2 基于根層土壤墑情指標(biāo)的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)模型

農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際上是將灌溉水轉(zhuǎn)化成作物可吸收利用的土壤水，其關(guān)鍵技術(shù)是調(diào)控根層土壤墑情以滿足作物生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，制定科學(xué)合理的灌溉技術(shù)方案。土壤-根系界面是SPAC 系統(tǒng)中重要的子系統(tǒng)，植物體主要從根層土壤中吸收水分，并將土壤水轉(zhuǎn)化為植物水，根區(qū)土壤墑情指標(biāo)及其能量狀況，決定了根系吸水的難易以及其后續(xù)的水分運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化和葉片蒸發(fā)等復(fù)雜過(guò)程。測(cè)墑自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)是在通過(guò)監(jiān)測(cè)作物根層土壤具有代表性的墑情指標(biāo)，掌握土壤墑情動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，建立土壤水分供給和作物水分需求協(xié)調(diào)一致的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)直接關(guān)注土壤墑情狀況，將土壤墑情參數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)直接轉(zhuǎn)化為灌溉的命令，實(shí)時(shí)調(diào)控土壤墑情狀況，可分別由單片機(jī)、PLC 控制器、PCU 控制器等調(diào)控和管理土壤墑情［14］，也可以幾種控制器集成應(yīng)用共同調(diào)控土壤墑情，如用單片機(jī)和PCU控制器聯(lián)接，對(duì)土壤墑情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控［15］。

密切關(guān)注根區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)，根據(jù)根區(qū)土壤墑情建立起監(jiān)測(cè)和調(diào)控土壤水分的測(cè)墑自動(dòng)灌溉技術(shù)體系，是目前智能灌溉的研究熱點(diǎn)。何蕾［16］建立了圍繞土壤層進(jìn)行閉環(huán)灌溉的測(cè)墑自動(dòng)灌溉管理系統(tǒng)，可以自動(dòng)、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)測(cè)量土壤狀況，為系統(tǒng)提供可靠、客觀、精確的灌溉方案；建立以根層土壤墑情指標(biāo)為基礎(chǔ)的閉環(huán)式灌溉系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)控制土壤水分狀況，減少滲漏，維持植物生長(zhǎng)最旺盛所需要的最佳土壤含水量，從而最大限度的保證作物旺盛生長(zhǎng)及提高水分利用率。

測(cè)墑自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)模型只關(guān)注土壤墑情管理，將土壤墑情作為灌溉決策唯一指標(biāo)，從源頭抓住了蔬菜水分需求與土壤水分供給的關(guān)鍵點(diǎn)，能通過(guò)量化的精準(zhǔn)灌溉管理措施，將土壤墑情調(diào)控到適宜蔬菜生長(zhǎng)理想狀態(tài)，在節(jié)水灌溉管理和蔬菜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)中逐漸表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。

1.3 基于作物水分虧缺反應(yīng)的灌溉系統(tǒng)模型

根據(jù)作物水分虧缺反應(yīng)的生理指標(biāo)和形態(tài)特征，作為判斷作物水分需求狀況診斷指標(biāo)，能更真實(shí)地反映作物的水分需求狀況。因此，通過(guò)定量檢測(cè)作物生理指標(biāo)和形態(tài)特征，生理指標(biāo)包括細(xì)胞液濃度、葉水勢(shì)、氣孔開(kāi)度、氣孔導(dǎo)度、葉氣溫差等，形態(tài)特征包括葉片擴(kuò)展速率、葉角度、莖桿直徑、果實(shí)增長(zhǎng)量等，按照作物相關(guān)指標(biāo)及其生存閥值的要求，將這些指標(biāo)轉(zhuǎn)化為作物水分需求信號(hào)，建立灌溉控制系統(tǒng)模型，對(duì)作物體內(nèi)水分狀況實(shí)行調(diào)控，可調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)發(fā)育和生理活動(dòng)狀態(tài)，調(diào)控作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高效用水的目的。

趙燕東等［17］系統(tǒng)研究和對(duì)比分析了植物水分實(shí)時(shí)、在線、無(wú)損檢測(cè)的方法，從植物生理指標(biāo)和形態(tài)特征兩方面著重論述植物水分脅迫檢測(cè)方法的研究進(jìn)展，指出基于植物生理指標(biāo)的水分脅迫檢測(cè)方法具有較高的檢測(cè)精度，能夠較準(zhǔn)確判斷植物的需水信息。高曉紅等［18］基于作物葉片、莖桿、果實(shí)的水分虧缺反應(yīng)作為精準(zhǔn)調(diào)控作物生長(zhǎng)的依據(jù)，設(shè)計(jì)制作了新型智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)；通過(guò)研制高精度電阻應(yīng)變式和差動(dòng)電感式葉片厚度傳感器、微米級(jí)4 通道便攜式葉片厚度測(cè)量?jī)x，以作物葉片厚度等性狀和特征作為反饋控制參數(shù)，從而提高控制精度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。

基于植物形態(tài)特性的水分脅迫檢測(cè)方法具有無(wú)損、快捷、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但有些指標(biāo)檢測(cè)誤差相對(duì)較大，還有些儀器存在難以安裝、難以自動(dòng)化測(cè)量等問(wèn)題。有些方法還會(huì)干擾植物生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)植物具有不同程度的損傷，指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)際上，植物被監(jiān)測(cè)的組織在吸收利用土壤水分時(shí)有一定的滯后性，以作物水分虧缺指標(biāo)為核心水分循環(huán)系統(tǒng)在生產(chǎn)應(yīng)用上有一定的局限性，建立實(shí)時(shí)在線閉環(huán)控制系統(tǒng)仍不現(xiàn)實(shí)。但基于作物生長(zhǎng)相關(guān)的具體水分虧缺指標(biāo)能精確掌握植株生長(zhǎng)狀態(tài)，仍是有效調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育的途徑。

2 蔬菜精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉控制技術(shù)原理及應(yīng)用

水分既是作物生長(zhǎng)重要的環(huán)境重要因子，也是影響環(huán)境溫度和濕度的重要因素。作物任何性狀都是其特征特性與環(huán)境互相作用的結(jié)果，蔬菜灌溉管理要符合蔬菜的特征特性及其生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期對(duì)水分的需求，結(jié)合氣候條件和土壤特性等對(duì)菜田土壤墑情進(jìn)行量化管理，促進(jìn)植株同化物的形成和積累，達(dá)到提高蔬菜品質(zhì)和產(chǎn)量的目標(biāo)。

2.1 按照水分傳輸模型提出量化管理技術(shù)方案

蔬菜水分管理應(yīng)針對(duì)蔬菜品種及其生育期的生長(zhǎng)特性提出個(gè)性化的精準(zhǔn)管理指標(biāo)，結(jié)合氣候環(huán)境因子和土壤性質(zhì)制定精準(zhǔn)灌溉技術(shù)方案。根據(jù)SPAC 水分傳輸理論，水分傳輸過(guò)程可以用“水勢(shì)”的能量指標(biāo)分析水分循環(huán)的全過(guò)程，即如何從根際土壤等環(huán)境中吸收水分，以及如何將水分轉(zhuǎn)化和蒸發(fā)到空氣中，如何維持作物正常生長(zhǎng)和生理代謝、礦質(zhì)元素吸收利用，全面解析土壤-植株-大氣的水分能量指標(biāo)和動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

由于不同種類、品種的蔬菜的需水特性差別很大，根系結(jié)構(gòu)和分布特征也完全不同，而且蔬菜生育期短，植株生長(zhǎng)快，不同生育時(shí)期需水量和蒸騰量變化很大；同時(shí)，蔬菜生產(chǎn)要求產(chǎn)品均衡上市，基地種植的蔬菜特意錯(cuò)開(kāi)播種期，不同地塊蔬菜的生育期不一致，使生產(chǎn)基地不同地塊灌溉量不一致。因此，灌溉管理必須針對(duì)每個(gè)具體田塊制定合理的灌溉技術(shù)方案，從土壤墑情及其水分能量指標(biāo)，結(jié)合氣候條件和蔬菜生長(zhǎng)特性，以提高產(chǎn)量和品質(zhì)為目標(biāo)，全面分析水分運(yùn)移的規(guī)律性，構(gòu)建系統(tǒng)化、數(shù)字化的水分傳輸動(dòng)力學(xué)模型，從微觀的、多角度深入分析蔬菜水分運(yùn)移規(guī)律，掌握土壤-植株-大氣的每個(gè)界面水勢(shì)的能級(jí)指標(biāo)，通過(guò)各個(gè)界面水分能級(jí)狀態(tài)的量化管理，建立一套促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育、保證蔬菜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)方案［19］。

2.2 根據(jù)根層土壤墑情提出精準(zhǔn)灌溉管理指標(biāo)

土壤墑情狀況決定了土壤水分的勢(shì)值，決定根系吸水的難易程度，蔬菜生產(chǎn)上必須根據(jù)植株根層土壤墑情精準(zhǔn)灌溉。在不同的土壤含水量的情況下，土壤對(duì)水分的吸附能力是不同的。在飽和土壤含水量的狀態(tài)下，純自由水的水勢(shì)值（能量）為0，為最大值；隨著土壤水分含量的降低，土壤間質(zhì)對(duì)水分的吸附力越強(qiáng)，水分的勢(shì)值就越低，這一勢(shì)值由土壤間質(zhì)的吸附作用而產(chǎn)生，稱為間質(zhì)勢(shì)，其勢(shì)值為負(fù)值。蔬菜灌溉實(shí)際上是將根層土壤的水勢(shì)值調(diào)控到容易被植株根系吸收的范圍內(nèi)。由于蔬菜根層分布淺，特別是葉菜類蔬菜集中分布在薄薄的表土層，能被吸收利用的土壤水分存量小，而蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程需水量多，水分供需矛盾比較突出。因此，蔬菜灌溉必須采取勤施薄施的方式，通過(guò)適時(shí)適量精準(zhǔn)灌溉，調(diào)節(jié)根層土壤的間質(zhì)勢(shì)，將根層土壤墑情調(diào)控到理想狀態(tài)。

值得注意的是，施用無(wú)機(jī)肥料對(duì)水分的溶質(zhì)勢(shì)有很大影響。所謂溶質(zhì)勢(shì)是指溶質(zhì)溶解于水中產(chǎn)生的勢(shì)值，是可溶性鹽溶于水成為離子后，離子吸引水分使周圍的水分重排和勢(shì)值降低的現(xiàn)象。溶質(zhì)勢(shì)的大小等于溶液的滲透壓，但符號(hào)相反。無(wú)機(jī)肥料屬于溶質(zhì)，溶于水分時(shí)溶質(zhì)勢(shì)隨著溶液濃度的增加而下降，因此，過(guò)量施用無(wú)機(jī)肥料必然使溶質(zhì)勢(shì)下降，嚴(yán)重時(shí)引起土壤鹽漬化及傷害植株根系。目前水肥一體化技術(shù)在生產(chǎn)上普及應(yīng)用，解決了水肥施用需要勤施薄施的技術(shù)問(wèn)題，基于溶質(zhì)勢(shì)的管理對(duì)根際土壤離子濃度進(jìn)行調(diào)控，在精準(zhǔn)灌溉技術(shù)中具有重要意義。

決定土壤總水勢(shì)的因素除了間質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)外，還有壓力勢(shì)和重力勢(shì)，這些因素共同構(gòu)成土壤水分總的能量水平。在生產(chǎn)過(guò)程中，水肥施用直接影響土壤水分的勢(shì)值，灌溉提高土壤水分的間質(zhì)勢(shì)，對(duì)促進(jìn)植株生長(zhǎng)起決定性作用；施肥能降低土壤水分的溶質(zhì)勢(shì)，對(duì)調(diào)控植株生長(zhǎng)有很大作用。水肥管理不僅影響植株生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)表現(xiàn)出極強(qiáng)烈的水肥耦合作用，對(duì)水肥供給進(jìn)行量化指標(biāo)管理對(duì)促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)積累有重要作用［20］。

2.3 根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育需求調(diào)控水分管理措施

灌溉極顯著影響蔬菜生長(zhǎng)，對(duì)增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)等起關(guān)鍵作用。研究表明，作物在水分缺乏時(shí)，植株體內(nèi)會(huì)適應(yīng)缺水環(huán)境，形成相應(yīng)的水分平衡狀態(tài)，如主動(dòng)積累氨基酸和可溶性糖等物質(zhì)，增加細(xì)胞液濃度，提高作物吸收水分的能力。目前在節(jié)水灌溉方面開(kāi)展了大量非充分灌溉的技術(shù)研究，掌握土壤特性和持水能力的基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用調(diào)虧灌溉技術(shù)調(diào)控土壤水分，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，建立蔬菜節(jié)水節(jié)肥、優(yōu)質(zhì)高效的水肥管理技術(shù)方案，提高水肥利用效率［21］。如番茄果實(shí)的可溶性糖、可溶性固形物含量隨著灌溉量的降低而增加，即隨著土壤水分含量的減少而增加［22-23］。試驗(yàn)表明，不同灌溉上限對(duì)蔬菜生育期等有極顯著影響，引起不同器官生長(zhǎng)速度的差異，其農(nóng)藝性狀、物質(zhì)積累以及水分和養(yǎng)分的吸收利用均有極顯著變化［23-27］。

應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)能夠調(diào)控蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育，不僅能提高水分利用效率和產(chǎn)量，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)也具有精準(zhǔn)的調(diào)控作用。在目前人民生活日益改善，對(duì)優(yōu)質(zhì)蔬菜產(chǎn)品需求不斷增加的條件下，應(yīng)針對(duì)蔬菜產(chǎn)品品質(zhì)調(diào)控開(kāi)展節(jié)水灌溉技術(shù)研究，結(jié)合蔬菜品種特性配套相應(yīng)的節(jié)水灌溉管理技術(shù)方案，建立精準(zhǔn)灌溉、優(yōu)質(zhì)高效的蔬菜產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展模式。

3 蔬菜精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉技術(shù)關(guān)鍵措施

精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉技術(shù)既要根據(jù)蔬菜需水特性和栽培模式，構(gòu)建土壤墑情調(diào)控的系統(tǒng)裝置，解決蔬菜需水量大，生長(zhǎng)過(guò)程要求頻繁灌溉、勤施薄施的問(wèn)題；也要提出適時(shí)適量精準(zhǔn)灌溉指標(biāo)，解決灌溉過(guò)程中土壤墑情難于精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和調(diào)控的問(wèn)題；同時(shí)，要建立完善的灌溉管理決策，解決自動(dòng)灌溉管理與農(nóng)藝技術(shù)相符合的問(wèn)題。

3.1 構(gòu)建完善的土壤墑情管理系統(tǒng)裝置

蔬菜精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉管理的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效用水、合理灌溉、提高水肥利用效率，技術(shù)關(guān)鍵是根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)需求建立精準(zhǔn)調(diào)控菜田土壤墑情的自動(dòng)灌溉管理系統(tǒng)裝置。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情變化動(dòng)態(tài)，將土壤墑情信息通過(guò)數(shù)據(jù)線或無(wú)線傳輸方式與電子計(jì)算機(jī)連接，對(duì)監(jiān)測(cè)田塊的土壤墑情動(dòng)態(tài)進(jìn)行記錄、監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)控等，實(shí)現(xiàn)土壤墑情的智能化、數(shù)字化精準(zhǔn)管理。

3.2 制定精準(zhǔn)調(diào)控土壤墑情管理指標(biāo)

實(shí)時(shí)精準(zhǔn)掌握土壤墑情狀況是調(diào)控土壤墑情的基礎(chǔ)。土壤墑情動(dòng)態(tài)與土壤含水量、土壤質(zhì)地、地下水位等多個(gè)因素有密切的關(guān)系。由于肉眼難于精準(zhǔn)判斷根層土壤墑情指標(biāo)，灌溉量不容易掌握，因此土壤墑情管理首先要根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)特性和根層分布特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用精確度高、反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性好、使用方便、性能優(yōu)良、能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情的傳感器。同時(shí)，要選擇具備代表性的土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)，保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)的墑情狀況與整個(gè)大田澆灌狀況一致，發(fā)揮自動(dòng)灌溉的優(yōu)良性能。韓紅亮等研究了蔬菜大棚墑情傳感器在垂向上的代表性問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)10～16 cm 深度區(qū)域的土壤含水率基本能夠代表根系層的平均含水率，認(rèn)為蔬菜大棚內(nèi)10～16 cm 的深度范圍比較適合布置墑情傳感器［28］。另外，要通過(guò)合理安排噴頭、滴頭等灌水器，配套合理的灌溉方法和農(nóng)藝技術(shù)，使田間生長(zhǎng)的每株作物均勻澆灌，灌溉的均勻系數(shù)至少在0.8 以上。

過(guò)去由于難以判定土壤墑情指標(biāo)，節(jié)水灌溉研究方法主要著重于作物需水的灌溉下限和灌溉定額指標(biāo)，原則上將灌溉上限控制在田間持水量的范圍內(nèi)，在生產(chǎn)上起到一定作用［29］。應(yīng)用測(cè)墑自動(dòng)灌溉控制技術(shù)，采用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、計(jì)算機(jī)等技術(shù)設(shè)計(jì)土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情指標(biāo)，通過(guò)反控節(jié)點(diǎn)控制灌溉設(shè)施啟停，構(gòu)建操作方便、性能可靠、精準(zhǔn)調(diào)控根際土壤墑情灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情狀況，精準(zhǔn)掌握灌溉上限指標(biāo)，建立基于灌溉上限的土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)灌溉管理決策系統(tǒng)，能嚴(yán)密監(jiān)控土壤墑情閥值，嚴(yán)格控制灌溉上限指標(biāo)，將土壤墑情指標(biāo)調(diào)控在合理的區(qū)間范圍內(nèi)，保證蔬菜耗水和灌溉供水的平衡，制定符合作物生長(zhǎng)需求的灌溉指標(biāo)和灌溉制度。

3.3 建立完善的測(cè)墑自動(dòng)灌溉管理決策

自動(dòng)灌溉管理決策要根據(jù)土壤性質(zhì)和蔬菜需水特性確定灌溉上限指標(biāo)，然后根據(jù)土壤持水能力和蔬菜生長(zhǎng)需求確定灌溉下限指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)植株耗水量及萎蔫系數(shù)等確定灌溉周期和灌溉頻率，將精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉控制技術(shù)與農(nóng)藝技術(shù)相融合。首先要根據(jù)蔬菜品種對(duì)根層土壤墑情的要求和根層土壤的持水能力確定灌溉上限指標(biāo)，嚴(yán)格控制灌溉上限。在滿足蔬菜生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，保證水分合理供給基礎(chǔ)上，結(jié)合土壤性質(zhì)盡量減少灌溉水滲漏造成的水肥流失。一般將灌溉上限宜控制土壤相對(duì)含水量為70%～90%。灌溉下限是蔬菜是否需要補(bǔ)充土壤水分的土壤含水量下限指標(biāo)。測(cè)墑自動(dòng)灌溉的灌溉下限應(yīng)理解為可補(bǔ)水下限，原則上要大于萎蔫系數(shù)，一般要大于土壤相對(duì)含水量55%～65%。

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)周期適時(shí)灌溉，結(jié)合灌溉模式、灌溉制度和蔬菜生長(zhǎng)需求規(guī)定適宜的灌溉指標(biāo)。采取隨時(shí)灌溉的模式時(shí)，可按照灌溉上限、灌溉下限來(lái)設(shè)定，使灌溉上限和灌溉下限有一定的區(qū)間范圍，滿足土壤呼吸和蔬菜生長(zhǎng)需求。在灌溉周期如有設(shè)定禁止灌溉的時(shí)間范圍時(shí)，需要預(yù)測(cè)禁止灌溉期間內(nèi)的植株水分蒸騰量，相對(duì)提高灌溉下限指標(biāo)，保證每個(gè)灌溉周期內(nèi)的土壤水分能滿足蔬菜生長(zhǎng)需求。灌溉頻率主要取決于灌溉上限和灌溉下限之間根層土壤持有的并能供給植株蒸騰消耗的土壤水分含量，其次取決于蔬菜植株的水分蒸騰速率，水分蒸騰速率則與氣候環(huán)境條件及植株的葉面積有關(guān)。同時(shí)，灌溉頻率要根據(jù)蔬菜品種類型需水特性及其生育期的生長(zhǎng)需求來(lái)決定。

灌溉管理決策在實(shí)際操作過(guò)程中還要根據(jù)蔬菜生產(chǎn)的目標(biāo)產(chǎn)量和品質(zhì)的要求，使調(diào)控土壤水分供給的灌溉周期與蔬菜生長(zhǎng)周期相吻合，圍繞蔬菜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)將土壤墑情控制到理想狀態(tài)。根層分布較深的蔬菜和保水力好的土壤應(yīng)適當(dāng)增加灌溉量，減少灌溉次數(shù)；根層分布較淺的蔬菜、保水力差的土壤應(yīng)適當(dāng)減少灌溉量，增加灌溉次數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

蔬菜測(cè)墑自動(dòng)灌溉控制技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，可改變傳統(tǒng)蔬菜水分管理方式，實(shí)施更加嚴(yán)密的灌溉指標(biāo)和灌溉制度，構(gòu)建起生態(tài)節(jié)水灌溉管理模式；能根據(jù)菜田土壤特點(diǎn)精準(zhǔn)灌溉，做到土壤墑情數(shù)字化調(diào)控的精準(zhǔn)管理，保證蔬菜需水與灌溉供水的平衡，營(yíng)造出良好的根際土壤條件，避免人工難以精準(zhǔn)判斷土壤墑情造成灌溉的盲目性；能根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育需求適時(shí)適量精準(zhǔn)灌溉，充分發(fā)揮出蔬菜生長(zhǎng)潛力，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的目標(biāo)；同時(shí)能防止過(guò)量灌溉引起的水肥流失，改善菜田土壤生態(tài)環(huán)境，提高水肥 利用效率［30］。

蔬菜精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉技術(shù)模型都各自有其科學(xué)的理論基礎(chǔ)，并且在生產(chǎn)試驗(yàn)和應(yīng)用中得到驗(yàn)證，都有其獨(dú)特的效果和作用。SPAC 系統(tǒng)模型的水分傳輸理論解析了水分運(yùn)移中能量傳遞的框架和動(dòng)態(tài)模型，從宏觀角度把握了系統(tǒng)內(nèi)水分運(yùn)移規(guī)律，結(jié)合蔬菜生長(zhǎng)及其所處的氣候條件，可以得出水分運(yùn)移中各個(gè)傳輸界面的量化指標(biāo)，同時(shí)提出各界面的水分調(diào)控的技術(shù)方案，為構(gòu)建蔬菜高效節(jié)水技術(shù)提供技術(shù)支持?；谕寥缐勄橹笜?biāo)的測(cè)墑自動(dòng)灌溉系統(tǒng)模型，結(jié)合蔬菜根層分布特點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)建起菜田土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)控的系統(tǒng)裝置和管理決策系統(tǒng)，通過(guò)量化的精準(zhǔn)灌溉管理將土壤墑情調(diào)控到適宜蔬菜生長(zhǎng)理想狀態(tài)，能夠精準(zhǔn)把握蔬菜水分需求與土壤水分供給的平衡，在蔬菜水分高效管理中具有較大優(yōu)勢(shì)，技術(shù)應(yīng)用具有廣闊前景?；谧魑锼痔澣狈磻?yīng)的灌溉系統(tǒng)模型是根據(jù)按照作物的水分相關(guān)指標(biāo)及其閥值轉(zhuǎn)化為水分需求信號(hào)，對(duì)作物的水分狀況實(shí)行調(diào)控，能夠直接調(diào)節(jié)作物生理活動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效用水目的的同時(shí)，調(diào)控作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，可望在作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)中發(fā)揮出其獨(dú)特的作用。