劉天麒+孟繁佳+陳昕+盧韜
摘要:溫室中,土壤水分空間差異是評(píng)價(jià)灌溉質(zhì)量的重要指標(biāo)。研究了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河北涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室內(nèi)一壟土壤中作物根區(qū)水分的變化規(guī)律。根據(jù)連續(xù)4 d的觀測(cè)數(shù)據(jù),分析了溫室內(nèi)移動(dòng)傳感器所測(cè)土壤中作物根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化情況,并根據(jù)最高含水量和最低含水量歸納出采用含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)計(jì)算逐點(diǎn)根區(qū)水分的方法。結(jié)果表明,該方法所得的作物根區(qū)逐點(diǎn)含水量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)含水量較為吻合。在此基礎(chǔ)上采用分段插值法,推算出了溫室中任意位置根區(qū)含水量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。該研究為溫室作物的精量灌溉決策提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。
關(guān)鍵詞:溫室;含水量;土壤;插值法;數(shù)學(xué)模型
中圖分類號(hào): S151.9+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2016)09-0459-03
在溫室環(huán)境中,不同的灌溉供水方式可以改變作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育和分布,采用合理的灌溉對(duì)策控制根區(qū)水分狀況,有利于作物產(chǎn)量的形成和水分的高效利用[1-6]。因此,對(duì)作物根區(qū)土壤水分空間差異的研究,對(duì)今后為科學(xué)灌溉決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐有著重要意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)作物根區(qū)土壤水分空間差異的研究較少[7-14],且大多是對(duì)垂直土壤空間水分分布的分析,而對(duì)一壟土壤所在的水平空間含水量研究甚少。然而水平分布的農(nóng)作物如果水分灌溉不均勻,則會(huì)導(dǎo)致水資源利用效率低、作物生長(zhǎng)狀態(tài)不均等問(wèn)題。
本研究結(jié)合溫室的小環(huán)境特點(diǎn),參照建筑上暖通空調(diào)領(lǐng)域的研究方法[15-16],對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河北涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室一壟土壤中傳感器實(shí)測(cè)的75個(gè)逐點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,進(jìn)而得到該壟土壤的根區(qū)含水量逐點(diǎn)變化系數(shù);使用計(jì)算得到的逐點(diǎn)變化系數(shù)簡(jiǎn)化溫室中農(nóng)作物根區(qū)逐點(diǎn)含水量的模擬方法,為溫室內(nèi)多壟土壤的精量灌溉方式的改善提供數(shù)據(jù)支撐。
1 材料與方法
1.1 材料來(lái)源
本研究采用移動(dòng)式土壤水分傳感器測(cè)量涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室內(nèi)農(nóng)作物根區(qū)含水量數(shù)據(jù)。該日光溫室內(nèi)的土壤由多壟組成,選取其中一壟土壤進(jìn)行測(cè)量,從2014年11月19—25日連續(xù)7 d進(jìn)行測(cè)量,每天測(cè)量4次,每隔6 h 測(cè)量1次,做數(shù)據(jù)分析時(shí),將前4 d的根區(qū)水分?jǐn)?shù)據(jù)作為已知數(shù)據(jù),后3 d的根區(qū)水分?jǐn)?shù)據(jù)用于結(jié)果驗(yàn)證。
傳感器工作原理如圖1[17-20]。該土壤水分傳感器能在植物根區(qū)連續(xù)移動(dòng)測(cè)量,在3.9 m管道自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行,每隔5 cm 便對(duì)作物根區(qū)水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采集,總共采集75個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),直到到達(dá)限位傳感器檢測(cè)范圍之后,傳感器測(cè)量系統(tǒng)停止工作。
1.2 研究方法
數(shù)據(jù)處理中,傳感器在一壟土壤移動(dòng)過(guò)程中依次采集了75個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),將其分成25組,每組3個(gè)數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)記為1個(gè)測(cè)量點(diǎn)。分別計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)的平均值和逐點(diǎn)變化系數(shù),然后將其在同1 d內(nèi)的不同時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比,若相差不大,則取平均值代表,之后再對(duì)不同日期之間的逐點(diǎn)變化系數(shù)進(jìn)行對(duì)比,若不同日期間差異不大,則也可以用同一系數(shù)來(lái)表達(dá),具體計(jì)算方法步驟如下:
(1)各時(shí)刻數(shù)據(jù)分別處理。
(4)傳感器每天測(cè)量4個(gè)時(shí)刻,即可得到每天4個(gè)時(shí)刻根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化系數(shù)。
(5)對(duì)比不同日期的逐點(diǎn)變化系數(shù),若結(jié)果一致,則取平均值作為溫室作物根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化系數(shù)。
通過(guò)以上計(jì)算,在已知某時(shí)刻的最高、最低含水量的條件下,即可計(jì)算該壟土壤中任一位置的根區(qū)含水量。對(duì)得到的根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化系數(shù)采用分段插值法展開(kāi),便可以計(jì)算該壟土壤在任意位置點(diǎn)的根區(qū)含水量。
2 結(jié)果與分析
2.1 根區(qū)水分變化規(guī)律
為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性,采用傳感器標(biāo)定方法[17,19]將移動(dòng)傳感器所測(cè)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別與烘干法測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明所測(cè)的根區(qū)水分?jǐn)?shù)據(jù)與烘干法測(cè)量數(shù)據(jù)的r2達(dá)到了0.98以上,因此測(cè)試數(shù)據(jù)可信。
在0:00、06:00、12:00、18:00這4個(gè)時(shí)刻分別測(cè)量該壟土壤75個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的含水量,將其分成25個(gè)測(cè)量點(diǎn),每個(gè)測(cè)量點(diǎn)包含3個(gè)數(shù)據(jù),分別計(jì)算在4個(gè)時(shí)刻25個(gè)測(cè)量點(diǎn)的含水量逐點(diǎn)變化系數(shù),取4個(gè)時(shí)刻計(jì)算結(jié)果的平均值作為當(dāng)天含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)。每天重復(fù)執(zhí)行此步驟,對(duì)每天根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,如圖2所示,計(jì)算得到的該壟土壤在4 d內(nèi)的根區(qū)水分逐點(diǎn)變化系數(shù)趨勢(shì)相同,r2=0.997 9。因此可以將4 d的根區(qū)水分逐點(diǎn)變化系數(shù)取平均,由統(tǒng)一的變化系數(shù)來(lái)表示溫室作物根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化。
通過(guò)以上分析,得到該壟土壤4 d內(nèi)溫室作物根區(qū)25個(gè)測(cè)量點(diǎn)的含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)的平均值(表1)。由表1可知,溫室內(nèi)作物根區(qū)含水量最低值出現(xiàn)在測(cè)試點(diǎn)3和測(cè)試點(diǎn)6所在區(qū)域內(nèi),以此決斷日后在灌溉方式的改進(jìn)上可對(duì)該區(qū)域適當(dāng)增加灌溉量;作物根區(qū)含水量在測(cè)試點(diǎn)13~25之間,其值相對(duì)較高,該編號(hào)所占區(qū)域約為傳感器測(cè)量區(qū)域的1/2,日后可以據(jù)此對(duì)其后半?yún)^(qū)域適當(dāng)減少灌溉。其余測(cè)試點(diǎn)所處位置的根區(qū)含水量在此范圍內(nèi)波動(dòng)。
2.2 模擬方法的驗(yàn)證
本研究對(duì)涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室2014年11月23—25日的作物根區(qū)含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試。取3 d數(shù)據(jù)的平均含水量作為實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)際測(cè)量值和根據(jù)逐點(diǎn)變化系數(shù)得到的模擬值的交叉檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室作物根區(qū)的模擬含水量與實(shí)測(cè)值的r2為0.995,均方根誤差為0.035 cm3/cm3??梢?jiàn)運(yùn)用逐點(diǎn)含水量系數(shù)法對(duì)該壟土壤傳感器所測(cè)作物根區(qū)進(jìn)行75個(gè)點(diǎn)的逐點(diǎn)含水量模擬,其結(jié)果較好地反映了測(cè)試區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)含水量的變化。
2.2 任意位置根區(qū)含水量的計(jì)算方法
根據(jù)以上作物根區(qū)含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)研究結(jié)果,采用插值法即可計(jì)算該壟地以及該溫室內(nèi)多壟地任意位置的根區(qū)含水量。插值法由于簡(jiǎn)單、實(shí)用和補(bǔ)償效果好,被廣泛應(yīng)用到工程中[21]。本研究結(jié)合數(shù)據(jù)特征,采用分段線性插值法對(duì)移動(dòng)傳感器所經(jīng)過(guò)的任意位置含水量進(jìn)行模擬。
本研究以0.15 m為1個(gè)步長(zhǎng)對(duì)需要測(cè)量的含水量范圍進(jìn)行分段,1個(gè)編號(hào)代表1個(gè)步長(zhǎng)的距離,順序計(jì)量。在模擬計(jì)算時(shí),將需要計(jì)算根區(qū)含水量的位置到起點(diǎn)的距離(S)與表2中的距離相比較(可采用對(duì)分搜索法),直到落到某一編號(hào)所對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)(Sn+1≥S≥Sn)時(shí)停止。進(jìn)而再用線性插值法計(jì)算出其含水量,具體計(jì)算公式為:
S-SnW-Wn=Sn+1-SnWn+1-WnW=S-SnSn+1-Sn(Wn+1-Wn)+Wn。(5)
式中:W為待計(jì)算某位置根區(qū)的含水量;Wn+1為比W大的第一個(gè)根區(qū)測(cè)量點(diǎn)含水量;Wn為比W小的第一個(gè)根區(qū)測(cè)量點(diǎn)含水量;S為待計(jì)算的某位置到起始點(diǎn)的距離;Sn+1為比S大的第一個(gè)長(zhǎng)度在表2中對(duì)應(yīng)的距離;Sn為比S小的第一個(gè)長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的距離。
根據(jù)公式(5)、表2以及該時(shí)刻的最高、最低含水量,即可模擬計(jì)算任意時(shí)刻溫室作物任意根區(qū)所在位置的含水量,便可用此結(jié)果對(duì)溫室作物根區(qū)水分環(huán)境進(jìn)行模擬。
3 結(jié)論與討論
本研究通過(guò)計(jì)算,確定了涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室農(nóng)作物在一壟土壤內(nèi)的根區(qū)含水量逐點(diǎn)變化系數(shù),經(jīng)過(guò)檢驗(yàn),該系數(shù)真實(shí)反映了移動(dòng)傳感器測(cè)量時(shí)所經(jīng)過(guò)的一壟土壤中作物根區(qū)水分的整體變化規(guī)律。據(jù)此可計(jì)算該壟地及該溫室內(nèi)任一壟地任意位置的根區(qū)含水量,簡(jiǎn)化了75個(gè)數(shù)據(jù)含水量的計(jì)算。同時(shí)通過(guò)分段插值法展開(kāi),給出了溫室內(nèi)任意位置的作物根區(qū)含水量的數(shù)學(xué)表達(dá)式,可以用來(lái)計(jì)算這段時(shí)間溫室內(nèi)任意位置的根區(qū)含水量,進(jìn)而科學(xué)地確定日后農(nóng)作物在水平空間的灌溉方式,對(duì)農(nóng)作物健康成長(zhǎng)與高效生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。
由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制,只進(jìn)行了連續(xù)4 d的測(cè)試和3 d的結(jié)果驗(yàn)證,測(cè)試地點(diǎn)也僅局限于1個(gè)溫室,因此還有待更多時(shí)間和地點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí),溫室內(nèi)作物根區(qū)含水量也會(huì)受到植物種類、溫室內(nèi)環(huán)境、室外環(huán)境等多方面因素的影響,該系數(shù)只能整體反映溫室內(nèi)一定范圍農(nóng)作物根區(qū)的水分狀況,若遇到環(huán)境突變時(shí),溫室內(nèi)作物根區(qū)含水量的模擬效果則存在一定的偏差,需要在今后的研究中結(jié)合其他條件逐漸改進(jìn)。
參考文獻(xiàn):
[1]Hu X T,Chen H,Wang J,et al. Effects of soil water content on cotton root growth and distribution under mulched drip irrigation[J].Agricultural Sciences in China,2009,8(6):709-716.
[2]Ahmed B A O,Inoue M,Moritani S. Effect of saline water irrigation and manure application on the available water content,soil salinity,and growth of wheat[J]. Agricultural Water Management,2010,97(1):165-170.
[3]馮廣龍,羅遠(yuǎn)培. 土壤水分與冬小麥根、冠功能均衡關(guān)系的模擬研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),1999,19(1):96-103.
[4]李運(yùn)生,王 菱,劉士平,等. 土壤-根系界面水分調(diào)控措施對(duì)冬小麥根系和產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2002,22(10):1680-1687.
[5]李鳳民,郭安紅,雒 梅,等. 土壤深層供水對(duì)冬小麥干物質(zhì)生產(chǎn)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1997,8(6):575-579.
[6]羅宏海,朱建軍,趙瑞海,等. 膜下滴灌條件下根區(qū)水分對(duì)棉花根系生長(zhǎng)及產(chǎn)量的調(diào)節(jié)[J]. 棉花學(xué)報(bào),2010,23(1):63-69.
[7]Wijewardana Y G N S,Galagedara L W. Estimation of spatio-temporal variability of soil water content in agricultural fields with ground penetrating radar[J]. Journal of Hydrology,2010,391(1/2):24-33.
[8]Hedley C B,Yule I J. A method for spatial prediction of daily soil water status for precise irrigation scheduling[J]. Agricultural Water Management,2009,96(12):1737-1745.
[9]Shi J C,Li S,Zuo Q,et al. An index for plant water deficit based on root-weighted soil water content[J]. Journal of Hydrology,2015,522:285-294.
[10]Aljoumani B,Sànchez-Espigares J A,Caameras N,et al. Timeseries outlier and intervention analysis:Irrigation managementinfluences on soil water content in silty loam soil[J]. Agricultural Water Management,2012,111:105-114.
[11]Hossain M B,Lamb D W,Lockwood P V,F(xiàn)razier P. EM38 for volumetric soil water content estimation in the root-zone of deep vertosol soils[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2010,74(1):100-109.
[12]Zou P,Yang J S,F(xiàn)u J R,et al. Artificail neural network and timeseries models for predicting soil salt and water content[J].Agricultural Water Management,2010,97(12):2009-2019.
[13]Hu W,Si B C. Can soil water measurements at a certain depth be used to estimate mean soil water content of a soil profile at a point or at a hillslope scale?[J]. Journal of Hydrology,2014,516:67-75.
[14]Chen L J,F(xiàn)eng Q,Li F R,et al. A bidirectional model for simulating soil water flow and salt transport under mulched drip irrigation with saline water[J]. Agricultural Water Management,2014,146:24-33.
[15]GB 50019—2003 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[16]徐 凡,馬承偉. 溫室環(huán)境分析中冬季室外氣溫日變化及數(shù)學(xué)表達(dá)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(12):203-209.
[17]秦玉龍. 一種面向植物根區(qū)土壤水分的移動(dòng)傳感系統(tǒng)[D]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.
[18]Yurui S,Lammers P S,Daokun M,et al. Determining soil physical properties by multi-sensor technique[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2008,147(1):352-357.
[19]周海洋,孫宇瑞,Lammers P S,等. 基于水平尺度擴(kuò)展的土壤水分介電傳感技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(4):261-265.
[20]Sun Y,Zhou H,Qin Y,et al. Horizontal monitoring of soil water content using a novel automated and mobile electromagnetic access-tube sensor[J]. Journal of Hydrology,2014,516:50-55.
[21]Berrut J P,Klein G. Recent advances in linear barycentric rational interpolation[J]. Journal of Computational and AppliedMathematics,2014,259:95-107.