溫室灌溉控制策略研究進(jìn)展*

代志偉，程曼，袁洪波，蔡振江

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定，071001)

0 引言

目前水資源短缺已經(jīng)成為一個(gè)全球性的危機(jī)問(wèn)題[1]，其中用于農(nóng)業(yè)灌溉的用水量約占全部生產(chǎn)生活總用水量的70%[2]，因此，改善灌溉方式和改進(jìn)灌溉控制方法對(duì)于環(huán)境水資源短缺具有重要的意義。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)施農(nóng)業(yè)占據(jù)了重要的地位，截止到2020年，我國(guó)設(shè)施園藝面積已從31.6 khm2發(fā)展到目前4 100 khm2。溫室作為設(shè)施園藝生產(chǎn)的重要形式，對(duì)于整個(gè)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著重要的影響作用。灌溉是溫室生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán)，它對(duì)蔬菜等作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量起著關(guān)鍵作用[3]。

溫室生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗大量的灌溉用水，合理的灌溉控制方法可以有效的降低用水量，提高用水效率，節(jié)約水資源[4]。目前，我國(guó)溫室生產(chǎn)過(guò)程中多數(shù)仍采用傳統(tǒng)灌溉方式，不能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行“按需供水”，不但造成了水資源的浪費(fèi)，作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提高也極大地受到了制約[5-6]。近些年來(lái)，我國(guó)在農(nóng)業(yè)節(jié)水方面做了大量工作，也取得了顯著成績(jī)，但是在溫室灌溉控制策略方面仍存在一些問(wèn)題需進(jìn)行深入研究。如何根據(jù)需水量進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉是當(dāng)前溫室灌溉的一個(gè)核心研究?jī)?nèi)容，圍繞這一目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。本文從基于蒸騰模型、基于土壤/基質(zhì)傳感器、基于作物形態(tài)和生理特性參數(shù)角度對(duì)當(dāng)前溫室灌溉控制策略進(jìn)行了分析和討論，并進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 基于蒸騰模型的灌溉控制策略

在土壤—植物—大氣連續(xù)體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC)系統(tǒng)中，水分的循環(huán)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，在這一過(guò)程中水分呈現(xiàn)出一個(gè)液態(tài)—?dú)鈶B(tài)—液態(tài)/固態(tài)的動(dòng)態(tài)變化形式。與露天栽培可以通過(guò)降水補(bǔ)充水分不同，溫室中水分的供給全部來(lái)自于灌溉。理論上通過(guò)評(píng)估水分的消耗就可以計(jì)算出灌溉所需用水量。在溫室中水分消耗的主要形式有植物蒸騰、土壤蒸發(fā)以及深層滲漏，其中大部分水分的消耗通過(guò)蒸騰作用實(shí)現(xiàn)，且隨著植株的生長(zhǎng)發(fā)育所占比重越來(lái)越大。因此，可以通過(guò)估算植物蒸騰量來(lái)計(jì)算灌溉用水量和灌溉時(shí)間[7]，以及制定出相應(yīng)的灌溉策略[8-10]。

近年來(lái)，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種蒸騰模型用于灌溉控制策略的制定，這些模型大部分都是基于聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(The Food and Agriculture Organization, FAO)提出的參考蒸騰量計(jì)算公式，即Penman-Monteith(P-M)公式[11]，如式(1)所示。

(1)

式中：ET0——參考蒸騰量(mm/day)，即當(dāng)作物高度為0.12 m時(shí)，并有固定的地表阻力70 s/m，反射率為0.23，土壤水分供應(yīng)充足條件下假想的作物冠層蒸發(fā)騰發(fā)量；

Rn——作物表面凈輻射量，MJ/(m2·day)；

G——土壤熱通量，MJ/(m2·day)；

γ——濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；

T——地面上2 m高處空氣平均溫度， ℃；

u2——地面上2 m高處風(fēng)速，m/s；

es——空氣飽和水汽壓，kPa；

ea——空氣實(shí)際水汽壓，kPa；

Δ——空氣實(shí)際水汽壓與空氣溫度關(guān)系曲線斜率，kPa/℃。

實(shí)際蒸騰量的可以在ET0的基礎(chǔ)上結(jié)合作物系數(shù)Kc計(jì)算得到，作物系數(shù)的計(jì)算方法分為兩種：?jiǎn)巫魑锵禂?shù)法和雙作物系數(shù)法，分別如式(2)和式(3)所示。

ETc=Kc·ET0

(2)

ETc=(Ke+Kcb)·ET0

(3)

式中：ETc——實(shí)際蒸騰量；

Kc——綜合作物系數(shù)；

Kcb——基礎(chǔ)作物系數(shù)；

Ke——土壤蒸發(fā)系數(shù)。

通過(guò)研究表明ETc可分為植物蒸騰(Tr)和土壤蒸發(fā)(Eg)，其中Tr與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)，而Eg被認(rèn)為是無(wú)效耗水，因此準(zhǔn)確模擬溫室Tr和Eg將對(duì)溫室作物的精確灌溉十分重要[12]。作物系數(shù)與作物品種、種植區(qū)域、以及作物相關(guān)生理參數(shù)等有關(guān)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行確定。在單作物系數(shù)法中，將植物蒸騰和土壤蒸發(fā)統(tǒng)一考慮；而在雙作物系數(shù)中分別考慮了兩者的不同，并將作物系數(shù)分為Kcb和Ke。樊引琴[13]和盧曉鵬[14]分別對(duì)FAO-56推薦的雙作物系數(shù)法和單作物系數(shù)法進(jìn)行了比較試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果一致表明當(dāng)?shù)孛娌糠指采w較多時(shí)，雙作物系數(shù)法更接近實(shí)測(cè)值，當(dāng)完全覆蓋時(shí)，兩者差異不大。另外，對(duì)于土壤蒸發(fā)和植物蒸騰模擬的常用方法除了FAO-56中的雙重作物系數(shù)(Dual-Kc)方法還有Shuttleworth-Wallace(S-W)模型。為了驗(yàn)證這兩種模型在溫室栽培條件下的適用性，龔雪文[15]和Huang[16]分別針對(duì)溫室番茄和溫室黃瓜進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明這兩種模型可以用于溫室作物的蒸騰量評(píng)估。Gong等[17]針對(duì)日光溫室番茄栽培，分別用S-W和Dual-Kc模型估算蒸散量，試驗(yàn)結(jié)果表明用Dual-Kc方法制定灌溉制度更簡(jiǎn)便。

P-M公式針對(duì)的是露地種植情況，由于溫室的特有結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其與露地種植存在較大的差異，所以需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)P-M公式進(jìn)行修正才能使用。在溫室中由于風(fēng)速較低，趙穎等[11]利用實(shí)時(shí)采集的溫室環(huán)境參數(shù)，通過(guò)消除風(fēng)速的方法修正了P-M公式計(jì)算了番茄作物每個(gè)生長(zhǎng)期的蒸騰量，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行灌溉用水量的確定，并制定了滴灌條件下的灌溉控制策略。劉浩等[18]以P-M公式為基礎(chǔ)，利用溫室條件下的空氣動(dòng)力學(xué)阻力(Aerodynamics resistance，ra)計(jì)算方法對(duì)風(fēng)速的計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)分析作物系數(shù)與積溫的關(guān)系，構(gòu)建了基于常規(guī)氣象資料的滴灌條件下溫室番茄需水量估算模型；并且在此研究對(duì)ra修正的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)作物冠層阻力(Canopy resistance，rc)進(jìn)行了修正，得到一個(gè)只需常規(guī)氣象數(shù)據(jù)、番茄葉面積指數(shù)(LAI)和冠層高度就能對(duì)日光溫室番茄的蒸騰量進(jìn)行計(jì)算[19]。羅衛(wèi)紅等[20]在P-M模型中應(yīng)用rc和ra特征值來(lái)計(jì)算蒸騰量，當(dāng)其分別為100 s/m和600 s/m能夠較好地模擬Venlo型溫室冬季黃瓜的蒸騰，但所得的特征值是否適用于其他溫室作物有待進(jìn)一步研究。有研究表明采用ra為定值295 s/m 的P-M法可較好地估算溫室ET0。閆浩芳等[21]根據(jù)溫室內(nèi)實(shí)測(cè)微氣象因子、葉面積指數(shù)及土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)FAO-56推薦的雙作物系數(shù)中的Kcb、Ke進(jìn)行修正，并且取空氣動(dòng)力學(xué)阻力為109.40 s/m對(duì)P-M 模型進(jìn)行修正，進(jìn)而估算Venlo型溫室黃瓜蒸發(fā)蒸騰量和植株蒸騰。高溫和光照會(huì)造成溫室內(nèi)飽和水汽壓差(VPD)的虧缺，特別是在夏季炎熱的干旱條件下，這一現(xiàn)象更加明顯。Jo[22]等構(gòu)建了補(bǔ)償輻射(Rad)和VPD的P-M修正模型，并將其用于溫室番茄無(wú)土栽培精確灌溉的控制策略的制定，提高了灌溉控制的精度。

在P-M方程中作物葉片氣孔阻抗這一參數(shù)不易計(jì)算，戴劍鋒等[23]通過(guò)分析番茄葉片氣孔阻抗與溫室環(huán)境因子之間的關(guān)系與P-M方程結(jié)合后計(jì)算了春冬兩季溫室內(nèi)番茄作物的累積蒸騰量。而針對(duì)P-M公式需要采集較多的環(huán)境參數(shù)且需要近似計(jì)算使得造成的蒸騰模型精度較低等問(wèn)題，袁洪波等[24]利用灌溉量與排出量的差值和采集的溫室環(huán)境參數(shù)建立了蒸騰模型，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)算法實(shí)現(xiàn)了溫室封閉式栽培智能灌溉控制。在確定黃瓜、番茄和辣椒的蒸散量的研究中，Eslamian等[25]采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，用排水蒸滲儀估算參考蒸散量，結(jié)果表明，兩種模型與作物實(shí)際蒸散量吻合較好，但遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型響應(yīng)更好。

綜上所述，基于蒸騰模型制定灌溉控制策略在灌溉控制中應(yīng)用較多，不同的蒸騰模型具有不同的特點(diǎn)，表1為各種不同蒸騰模型的比較。

表1 用于制定灌溉控制策略的不同蒸騰模型的比較Tab. 1 Comparison of different transpiration models used to formulate irrigation control strategies

在基于蒸騰模型的灌溉控制策略制定中，蒸騰模型的準(zhǔn)確性直接影響灌溉控制質(zhì)量，這就需要對(duì)一些模型所需要的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，而有些參數(shù)是難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，這給蒸騰模型的構(gòu)建帶來(lái)了一些困難。此外，在根據(jù)蒸騰模型計(jì)算水分消耗時(shí)，也需要考慮溫室的結(jié)構(gòu)、作物生長(zhǎng)階段及環(huán)境參數(shù)采集的難度等要求，以此為依據(jù)對(duì)蒸騰模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。綜上所述，植物蒸騰模型屬于一種半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，不可避免的帶有估算的因素，它只能反映出有多少水分被消耗，而不能精?zhǔn)的指示出土壤或基質(zhì)內(nèi)還有多少水分，是否能夠滿足作為生長(zhǎng)需要。因此，基于蒸騰模型的灌溉控制策略能夠評(píng)估出與初始狀態(tài)相比有多少水分被消耗，可以以此為依據(jù)進(jìn)行灌溉用水量的估算，難以直接確定灌溉行為執(zhí)行的時(shí)間。

2 基于土壤傳感器的灌溉控制策略

土壤中水分含量標(biāo)志著其水分供給的能力，通過(guò)傳感器對(duì)土壤中含水量進(jìn)行檢測(cè)能夠計(jì)算出當(dāng)前水分含量是否能夠滿足某一階段作物生長(zhǎng)用水量的需求，以此為依據(jù)并結(jié)合土壤持水能力不但可以確定灌溉用水量，還可以確定灌溉執(zhí)行的時(shí)間。對(duì)于土壤含水量的檢測(cè)一般利用傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前所用的傳感器大致可以分為土壤濕度傳感器和土壤基質(zhì)勢(shì)傳感器。通過(guò)傳感器可以監(jiān)測(cè)土壤/基質(zhì)的水分變化情況，并且據(jù)此做出客觀的灌溉決策[26]。

2.1 基于土壤濕度傳感器的灌溉控制策略

利用傳感器感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行灌溉策略的制定，比定時(shí)灌溉具有更高的水分和養(yǎng)分綜合利用率[27]。能夠用于灌溉控制的土壤含水量一般是指利用烘干法在105 ℃～110 ℃溫度下能從土壤中被驅(qū)逐出來(lái)的水分含量[28]。土壤含水量可以分為質(zhì)量含水率和體積含水率兩種表達(dá)形式。質(zhì)量含水率是指土壤中水分含量與烘干后土壤質(zhì)量的比例[29]，如式(4)所示。

(4)

式中：θm——土壤質(zhì)量含水率；

m1——濕土質(zhì)量；

m2——烘干土質(zhì)量。

體積含水率，又稱容積含水率，是指土壤中水分容積與土壤總?cè)莘e的比例，如式(5)所示。

(5)

式中：θv——土壤體積含水率；

Vw——土壤中水分容積；

Vs——土壤總?cè)莘e。

其中質(zhì)量含水率和體積含水率的關(guān)系可以用土壤容重P來(lái)表示，如式(6)所示。

(6)

目前土壤濕度傳感器測(cè)量的一般為體積含水率，常見(jiàn)的傳感器可以分為基于介電法和基于非介電法兩種類型。

2.1.1 基于介電傳感器的灌溉控制

介電法是利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在土壤中的傳播特性來(lái)測(cè)試土壤的介電常數(shù)ε。土壤的介電系數(shù)約為4，空氣的介電系數(shù)為1，而水的相對(duì)介電常數(shù)為78.5。由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于土壤和空氣的介電常數(shù)，所以可以通過(guò)測(cè)量土壤的介電常數(shù)計(jì)算出為土壤的含水率[26]。當(dāng)前常用的介電式傳感器主要有時(shí)域反射(Time domain reflectometry, TDR)、頻域反射(Frequency domain reflectometry, FDR)和電容式三種類型。

TDR的原理是通過(guò)測(cè)定電磁波在混合介質(zhì)中的傳播速度來(lái)測(cè)量土壤含水率[30]。20世紀(jì)80年代初，Topp等[31]應(yīng)用TDR技術(shù)制造了第一套時(shí)域反射儀，并通過(guò)試驗(yàn)建立了土壤體積含水率與土壤介電常數(shù)之間關(guān)系式；試驗(yàn)結(jié)果表明介電常數(shù)只受土壤體積含水率影響，與土壤密度、類型和含鹽量幾乎無(wú)關(guān)，如式(7)所示。

θv=-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×

10-4Ka2+4.3×10-6Ka3

(7)

式中：Ka——土壤的介電常數(shù)。

TDR法測(cè)量精度主要取決于土壤介電常數(shù)與土壤體積含水率之間的關(guān)系式是否準(zhǔn)確，因此對(duì)于不同類型土壤，在使用前需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以得到精準(zhǔn)的介電常數(shù)與土壤體積含水率關(guān)系。

TDR傳感器在自動(dòng)灌溉領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，李杰等[32]利用TDR法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室土壤的濕度，當(dāng)其達(dá)到一定閾值時(shí)開(kāi)啟電磁閥，以實(shí)現(xiàn)溫室作物的水分供給。

FDR的原理是利用電磁波在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來(lái)測(cè)定介質(zhì)的介電常數(shù)，并據(jù)此計(jì)算出土壤的體積含水率[33]，如式(8)所示。

(8)

其中a1，a0為常數(shù)，其根據(jù)土壤類型確定，可通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得土壤的典型測(cè)量值。

與TDR相比，F(xiàn)DR傳感器成本較低，因此在溫室的精準(zhǔn)灌溉中得到了廣泛的應(yīng)用。韓晨燕等[33]基于FDR土壤濕度傳感器設(shè)計(jì)了節(jié)水灌溉系統(tǒng)，設(shè)定的閾值來(lái)控制電磁閥的開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。宋志勇[34]設(shè)計(jì)了溫室土壤水分監(jiān)控系統(tǒng)，利用FDR傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤水分的測(cè)量。FDR傳感器還可以用來(lái)測(cè)量基質(zhì)中的體積含水量和電導(dǎo)率(EC)，為無(wú)土栽培實(shí)時(shí)感知水分和EC的變化提供了良好的工具[35-36]。FDR傳感器使用前，也需要進(jìn)行校準(zhǔn)[37-38]，而且進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間或季節(jié)性土壤體積含水率變化監(jiān)測(cè)時(shí)，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟刃Ｕ齕39]。

電容式土壤水分傳感器的測(cè)量原理與FDR類似，但是它使用固定頻率而不是掃頻頻率來(lái)檢測(cè)，并通過(guò)測(cè)量其標(biāo)準(zhǔn)波的頻率變化來(lái)反演土壤含水率[39]。當(dāng)土壤水分變化時(shí)其介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，因此不同的含水率導(dǎo)致其產(chǎn)生不同的電容值，電容的變化又導(dǎo)致電壓的變化，傳感器可以通過(guò)測(cè)量的電壓變化來(lái)推算土壤含水率[40]，如式(9)所示。

(9)

式中：R——傳感器電阻；

ξ——探針的幾何因子；

t——時(shí)間；

V——方波激勵(lì)信號(hào)的高電平值；

Uc——傳感器探針上測(cè)量的電壓信號(hào)。

電容式傳感器測(cè)量土壤含水率時(shí)會(huì)受到土壤電導(dǎo)的影響，這種影響與測(cè)量時(shí)使用的頻率有關(guān)，頻率越高受影響越小。但是提高電磁波發(fā)生頻率會(huì)增加電路的設(shè)計(jì)難度，李加念等[40]結(jié)合真有效值檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)高頻電容式土壤水分傳感器有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。電容式傳感器在溫室土壤/基質(zhì)含水率檢測(cè)中也到了應(yīng)用，An等[41]為了比較不同栽培基質(zhì)下蘭花的水分利用效率，使用EC-5型電容式濕度傳感器進(jìn)行了檢測(cè)。譚燕等[42]利用電容式Y(jié)L-69型傳感器檢測(cè)土壤濕度，建立灌溉量與土壤濕度的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)模糊控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室作物的智能灌溉控制。Ferrarezi等[43]使用電容式土壤水分傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)體積含水量(VWC)，并結(jié)合開(kāi)源控制器基于灌溉閾值來(lái)控制灌溉。電容式傳感器成本相對(duì)較低，且易于在各種環(huán)境中進(jìn)行安裝和使用，在設(shè)施園藝中也得到了不少的應(yīng)用。

2.1.2 基于非介電傳感器的灌溉控制

土壤是一個(gè)包含固、液、氣三相的混合體，其中的礦物質(zhì)可以溶于水形成能導(dǎo)電的電解離子，利用這種導(dǎo)電性可以測(cè)量土壤的電阻率。土壤電阻率會(huì)受到土壤成分以及含水量的影響，在同一土壤類型下主要受含水量的影響，因此可以通過(guò)測(cè)量土壤阻值的大小來(lái)推算出土壤含水量[44]，如式(10)所示。

(10)

式中：ρ——土壤電導(dǎo)率；

c1——土壤中導(dǎo)電離子濃度；

c2——土壤含水量。

基于介電法的傳感器雖然測(cè)量精度高，但是電路復(fù)雜導(dǎo)致成本也相對(duì)較高?；陔娮璺ǖ耐寥罎穸葌鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，能夠在一定范圍內(nèi)精確地測(cè)量土壤含水情況。伍群芳等[45]結(jié)合單片機(jī)研制了一種土壤含水量傳感器交流阻測(cè)量?jī)x，可以精確可靠的實(shí)時(shí)測(cè)量土壤濕度。趙強(qiáng)[46]采用了FC-28型土壤濕度傳感器來(lái)測(cè)量土壤的濕度，該傳感器有兩根極柱，兩極柱間的土壤相當(dāng)于一個(gè)電阻，通過(guò)阻值的不同來(lái)判斷土壤濕度。Rao[47]和Kothawade等[48]使用電阻式土壤水分傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分，分別設(shè)計(jì)了基于樹(shù)莓派的溫室智能灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

表2所示為不同類型土壤水分傳感器的對(duì)比。不管何種類型傳感器，在使用之間一般都需要進(jìn)行標(biāo)定以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。此外，土壤水分傳感器在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，也會(huì)存在一定的漂移現(xiàn)象，需要進(jìn)行定期的校準(zhǔn)。

表2 幾種常見(jiàn)土壤濕度傳感器對(duì)比Tab. 2 Comparison of several common soil moisture sensors

2.2 基于基質(zhì)勢(shì)傳感器的灌溉控制策略

土壤濕度表征的是土壤中含有多少水，但是這些水并不能夠完全被植物吸收，只有有效水才能夠被吸收。有效水指的是可以儲(chǔ)存在土壤中并可供植物使用的水分，而不是土壤中含有的全部水分。因此，濕度并不能反映出土壤水分對(duì)植物的有效性，而研究發(fā)現(xiàn)土壤基質(zhì)勢(shì)則具有更廣泛的適用性[49]。土壤基質(zhì)勢(shì)是在土壤基質(zhì)的吸附作用下，土壤水較自由水降低的勢(shì)能[50]，它與土壤類型、成分和土壤含水量等有著密切的關(guān)系，可以精確的反映土壤水分的變化。當(dāng)植物根系的水勢(shì)低于土壤的水勢(shì)，就可以從土壤中汲取水分[51]。大量的研究表明，利用土壤基質(zhì)勢(shì)可以及時(shí)評(píng)估土壤和植物的水分狀況，然后制定適當(dāng)?shù)墓喔炔呗浴?/p>

土壤基質(zhì)勢(shì)常用檢測(cè)傳感器是土壤水分張力計(jì)。杜太行等[52]采用自主設(shè)計(jì)的無(wú)線土壤水勢(shì)測(cè)量?jī)x，結(jié)合模糊控制控制電磁閥設(shè)計(jì)了設(shè)施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)。Contreras等[53]通過(guò)電子張力計(jì)檢測(cè)土壤基質(zhì)勢(shì)變化，并根據(jù)不同閾值制定自動(dòng)化灌溉控制策略，其研究結(jié)果表明土壤基質(zhì)勢(shì)閾值為25 kPa時(shí)，水分和養(yǎng)分的利用效率最高?；|(zhì)和土壤在理化特性上存在明顯的差異，這些差異導(dǎo)致土壤栽培條件下對(duì)于水分蒸發(fā)和水分監(jiān)測(cè)的方法和結(jié)果不能直接用于基質(zhì)栽培中。在基質(zhì)栽培條件下，Montesano等[54]利用張力計(jì)檢測(cè)基質(zhì)水勢(shì)，并分析了番茄的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)和水分利用效率之間的關(guān)系。

綜上所述，在溫室生產(chǎn)過(guò)程中，利用傳感器監(jiān)測(cè)土壤/基質(zhì)的水分變化情況，并據(jù)此作出客觀的灌溉決策的方法已經(jīng)得到了快速的推廣和應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)方法它們直觀的反映了土壤中水分的變化，相對(duì)于蒸騰模型具有更準(zhǔn)確且操作簡(jiǎn)單，需要其它類型的傳感器數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)。但是應(yīng)用土壤傳感器進(jìn)行灌溉決策也存在一些需要注意的問(wèn)題，其中傳感器部署數(shù)量和位置最為關(guān)鍵，直接影響到水分狀態(tài)評(píng)估的精確性；其次，傳感器的測(cè)量精度對(duì)于灌溉決策的精準(zhǔn)性影響較大，在使用前需要進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)保證測(cè)量的精度，而且由于長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)發(fā)生漂移導(dǎo)致需要定期的維護(hù)等。

3 基于作物特性的灌溉控制策略

灌溉控制策略中，不管是基于蒸騰模型還是土壤傳感器，都屬于利用間接參數(shù)去評(píng)估植物的需水情況，這些都難以真正的反映植物本身的水分狀況。相關(guān)研究表明，植物自身水分狀況與其作物特性，如葉莖水勢(shì)、莖直徑變化、莖體水分、以及冠層溫度等有很大的關(guān)系。因此對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)可以直接、準(zhǔn)確的確定植物體內(nèi)水分的狀況[55]。當(dāng)前對(duì)于植物特性進(jìn)行檢測(cè)的方法大致可以分為兩類：基于形態(tài)指標(biāo)的檢測(cè)方法，如莖直徑變化和葉片形態(tài)信息等；基于生理指標(biāo)的檢測(cè)方法，如葉莖水勢(shì)、氣孔導(dǎo)度以及冠層溫度等。

3.1 基于作物形態(tài)變化特性的灌溉控制策略

植物的水分狀況可以通過(guò)其局部形態(tài)變化來(lái)表征，從微觀來(lái)看，植物細(xì)胞形態(tài)的膨脹和收縮表征含水量的變化，從宏觀角度來(lái)看，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)葉態(tài)變化和莖干變化等來(lái)表征含水量的多少，因此產(chǎn)生了不同的檢測(cè)方法。其中葉態(tài)變化是植物體內(nèi)細(xì)胞水分含量變化的外在表現(xiàn)，其與植物體內(nèi)的水分狀況有著密切的聯(lián)系。張新[56]利用植物葉態(tài)萎蔫作為觀測(cè)指標(biāo)，通過(guò)基于3D機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行圖像處理的方法來(lái)判斷植物是否缺水。Seelig等[57]利用高精度電距離傳感器對(duì)溫室豇豆葉片厚度進(jìn)行測(cè)量，并把葉片厚度作為植物指導(dǎo)灌溉的指標(biāo)，通過(guò)與定時(shí)灌溉策略的對(duì)比，該方法可以節(jié)約25%～45%的用水量。當(dāng)植物體內(nèi)水分減少時(shí)會(huì)導(dǎo)致莖干直徑收縮，補(bǔ)充水分后莖干直徑能夠恢復(fù)正常，因此可以利用莖干直徑的微變化為作物精準(zhǔn)灌溉提供參考指標(biāo)[58]。目前主要利用莖的最大日收縮量(MDS)、日增加量(DI)及莖差(SD)等參數(shù)來(lái)指導(dǎo)灌溉。雷水玲等[59]通過(guò)相關(guān)分析方法對(duì)溫室內(nèi)黃瓜和番茄的莖差、飽和水汽壓差以及基質(zhì)含水率進(jìn)行了相關(guān)分析,得出莖差變化與作物的水分的關(guān)系。Guo[60]對(duì)溫室中栽培的葡萄莖直徑變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與其它參數(shù)相比，MDS和DI具有更高的靈敏度和信號(hào)強(qiáng)，能夠更加精確地監(jiān)測(cè)葡萄的水分狀況。

3.2 基于作物生理特性的灌溉控制策略

由于莖部幾何參數(shù)的測(cè)量精度要求相對(duì)較高，葉片成為了植物各部位反映植物水分虧缺比較理想的部位[61]。劉德慧[62]分別利用葉水勢(shì)、氣孔導(dǎo)度和葉—?dú)鉁夭顏?lái)檢測(cè)作物的缺水情況并進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明這三個(gè)參數(shù)都能夠用于指導(dǎo)溫室黃瓜的水肥虧缺診斷。鮑一丹等[63]利用葉片電特性和葉水勢(shì)對(duì)玉米水分虧缺情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究表明葉片電容比葉水勢(shì)測(cè)量更簡(jiǎn)便,其受環(huán)境影響比較小，為快速準(zhǔn)確得獲取植物缺水信息提供了一種新方法。植物的冠層溫度是指植物不同高度葉片溫度的平均值，Kim等[64]利用熱紅外測(cè)溫儀檢測(cè)溫室黃瓜的冠層溫度，并驗(yàn)證了冠層溫度與不同灌溉策略之間存在關(guān)系。

綜上所述，植物水分狀況與其形態(tài)變化特性、生理特性密切相關(guān)，因此，可以用植物形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)定量地表征植物水分狀況。目前的檢測(cè)技術(shù)各有優(yōu)劣，但是測(cè)量這些指標(biāo)的方法大多具有一定的破壞性，有些生理指標(biāo)的測(cè)量耗時(shí)費(fèi)力而且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此需要開(kāi)發(fā)出精確度更高并能連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)的傳感器，為精準(zhǔn)灌溉提供更加準(zhǔn)確的參考指標(biāo)。表3所示為用于植物形態(tài)及生理特性檢測(cè)的不同指標(biāo)特點(diǎn)對(duì)比。

表3 用于植物形態(tài)及生理特性檢測(cè)的不同指標(biāo)特點(diǎn)對(duì)比Tab. 3 Comparison of different indexes for the detection of plant morphological and physiological characteristics

4 總結(jié)與展望

利用作物蒸騰模型、土壤/基質(zhì)傳感器和植物特性參數(shù)是當(dāng)前溫室灌溉控制策略制定的三種常用方法。近年來(lái)，隨著政策的導(dǎo)向和技術(shù)的發(fā)展，溫室節(jié)水灌溉已經(jīng)逐步得到推廣，相應(yīng)的灌溉技術(shù)和灌溉設(shè)施也逐漸得到廣泛的應(yīng)用。但是當(dāng)前溫室灌溉控制的應(yīng)用現(xiàn)狀與灌溉控制策略的發(fā)展還不相匹配，還存在以下問(wèn)題。

1) 灌溉控制策略的融合度不足。當(dāng)前的灌溉控制策略多數(shù)以單一模型或者單一傳感器數(shù)據(jù)作為參考，沒(méi)有將不同的模型、方法和傳感器數(shù)據(jù)有效的進(jìn)行融合來(lái)共同制定灌溉策略。如何利用多種模型和不同類型傳感器數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的計(jì)算作物實(shí)際需水量和當(dāng)前土壤/基質(zhì)的含水量，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行精確的按需供給是灌溉控制策略未來(lái)的研究方向之一。

2) 灌溉控制策略與灌溉控制裝備的匹配度不足。當(dāng)前對(duì)于灌溉控制策略的研究領(lǐng)先于灌溉控制裝備的研究，先進(jìn)的灌溉控制策略如何實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前溫室灌溉領(lǐng)域中的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。受成本的制約，我國(guó)現(xiàn)代化、智能化溫室普及率相對(duì)較低，簡(jiǎn)易的塑料大棚和日光溫室約占我國(guó)溫室總量的60%以上[65]。這些溫室內(nèi)灌溉及環(huán)境調(diào)控裝備自動(dòng)化程度較低，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的自動(dòng)化控制和管理。而現(xiàn)有的很多灌溉控制策略是建立在溫室環(huán)境信息的全面獲取和灌溉行為的精準(zhǔn)調(diào)控基礎(chǔ)之上，配套傳感器及裝備的缺乏和相對(duì)較高的價(jià)格是制約灌溉控制策略實(shí)施的主要困難之一。

3) 灌溉控制策略的泛化性和普適性不足。當(dāng)前多種溫室灌溉控制策略都是基于某種特定類型溫室得到的，在泛化性方面存在適應(yīng)度的問(wèn)題。我國(guó)實(shí)際生產(chǎn)中的溫室類型多種多樣，特定試驗(yàn)環(huán)境下得到的控制策略如何泛化是灌溉控制策略的關(guān)鍵。此外，現(xiàn)有的灌溉控制策略的在使用過(guò)程中，需要進(jìn)行模型的修正、簡(jiǎn)化和參數(shù)設(shè)定等一系列的操作，這都要求操作者需要具備一定的專業(yè)背景。但是進(jìn)行實(shí)際溫室生產(chǎn)的用戶往往缺乏相關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，這也限制了灌溉控制策略的推廣應(yīng)用。如何減少人工干預(yù)的需求，提高灌溉控制的智能化是未來(lái)的發(fā)展方向之一。

綜上所述，目前基于濕度傳感器的節(jié)水灌溉策略由于其更具普適性、簡(jiǎn)便性以及更加自動(dòng)化應(yīng)用的最為廣泛，而基于作物特性的灌溉策略大部分仍處于試驗(yàn)階段則更加具有發(fā)展前景，在未來(lái)土壤水分傳感器和植物信息傳感器極有可能成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。近些年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，模糊控制、專家系統(tǒng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)被應(yīng)用到灌溉策略中，新技術(shù)與灌溉策略的結(jié)合將會(huì)大大提高灌溉的精確度?？偟膩?lái)看，改善溫室灌溉控制策略已迫在眉睫，發(fā)展精準(zhǔn)節(jié)水灌溉是改善溫室灌溉的必然趨勢(shì)。

在未來(lái)的發(fā)展中，溫室節(jié)水灌溉控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)必定向著更高效、更簡(jiǎn)便以及更智能化的方向發(fā)展。