阮三桂，姚幫松，肖衛(wèi)華，程峰，徐志鵬，張樂，張先國

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南長沙410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學繼續(xù)教育學院，湖南長沙410128）

自動控水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用試驗

阮三桂1，姚幫松1，肖衛(wèi)華1，程峰1，徐志鵬2，張樂2，張先國2

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南長沙410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學繼續(xù)教育學院，湖南長沙410128）

為發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，利用根據(jù)土壤水分濕度進行灌溉的原理，通過土壤濕度傳感器控制電流開關(guān)對灌水量進行調(diào)節(jié)，設(shè)計了一套自動控水灌溉系統(tǒng)，應(yīng)用該控水灌溉系統(tǒng)進行田間試驗。結(jié)果表明，其能夠根據(jù)田間土壤濕度進行自動灌溉，實現(xiàn)無人值守式灌溉；與常規(guī)灌溉相比，自動控水灌溉系統(tǒng)對水稻全生育期每平方米灌水量減少0.191 6 m3，可增加水稻產(chǎn)量0.170 4 kg/m2。自動控水灌溉由于無水層淹沒土壤，增強了土壤的透氣性，同時又能保證土壤水分含量，對水稻分蘗期產(chǎn)生有益的促長作用，使水稻分蘗數(shù)增加，進而提高產(chǎn)量。自動控水灌溉是根據(jù)作物根系對土壤水分需求進行的高精準灌水，是一種較好的節(jié)水灌溉方法，對未來發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉起指導作用。

自動控水；灌溉；耗水量；水稻田

農(nóng)業(yè)用水占全國水資源總供水量的60%以上，其中，灌溉耗水占農(nóng)業(yè)水資源的90%左右[1-3]。農(nóng)業(yè)發(fā)展不斷向自動和精準控制方向邁進，而灌溉方式還是以傳統(tǒng)的漫灌為主[4-7]。目前，雖然已研究出滴灌和噴灌等節(jié)水灌溉方式，但這類灌溉方式在我國南方地區(qū)的水稻栽培上應(yīng)用較少。由于水稻是一種耗水量大的作物，噴灌、滴灌供水量有限。此外，水稻根系下扎淺無法吸收深層土壤中的水分。有研究表明，田間20～30 cm深土壤層處于飽和含水狀態(tài)時水稻根系對水分利用率最高且水分蒸發(fā)少，水資源利用效率高[8-10]。我國是一個水資源緊缺的國家，發(fā)展節(jié)水灌溉是解決農(nóng)業(yè)水資源緊缺的有效方式[11-13]。自動控水對稻田的灌溉方式鮮有報道。

為了達到一種節(jié)水控水的灌溉目的，筆者在前人研究基礎(chǔ)上設(shè)計了一種自動控水灌溉系統(tǒng)，并進行了應(yīng)用試驗研究[14-19]。

1 自動灌溉系統(tǒng)在水稻田中的應(yīng)用

1.1 自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計原理

灌溉系統(tǒng)以土壤濕度傳感器為核心部件，其可探測土壤中的濕度變化情況，當土壤濕度低于傳感器的下限閾值時，傳感器傳遞信號給傳感控制開關(guān)，開關(guān)閉合，水泵電路接通開始向田間供水。當田間水量達到土壤濕度傳感器的上限閾值時，傳感器傳遞信號給傳感控制開關(guān)，開關(guān)斷開，水泵電路切斷停止向田間供水。通過傳感器控制達到一種自動控水灌溉方式（圖1）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015年在湖南農(nóng)業(yè)大學土肥資源高效利用國家試驗室中心試驗站進行，采用6塊面積為25 m2的試驗田進行試驗，其中，3塊稻田應(yīng)用自動控水灌溉系統(tǒng)進行無人管理式自動灌水；另外3塊稻田實行人工灌水作為對照，人工灌水方式以田間無可見水層時開始灌水，田間出現(xiàn)持水層時停止灌水，采用管道輸水方式進行灌溉。2塊田在透光大棚中進行，減少因降雨對試驗結(jié)果的干擾。試驗大棚四周有通風設(shè)施，增強大棚的空氣流動，保持水稻生長過程中空氣和溫度環(huán)境與外面大田相同。試驗于6月15日移栽水稻，10月20日收割，移栽前2塊大田含水量相同。水稻的日常管理參照當?shù)卮筇镌苑N方式。試驗過程中每根輸水管裝一個電磁流量計，用于統(tǒng)計每次灌水量。

1.3 測定項目及方法

水稻成熟后，對2塊水稻田進行收割測定產(chǎn)量。平均每株穗數(shù)、平均每穗實粒數(shù)、千粒質(zhì)量是在每塊稻田中按S型取樣法選取5株水稻進行統(tǒng)計分析；小區(qū)產(chǎn)量是將2種灌溉方式下水稻全部收割后稱量谷粒的總質(zhì)量，并計算小區(qū)的平均產(chǎn)量；質(zhì)量的測定均是在自然風干后稱量，單位面積谷粒質(zhì)量是通過換算得出。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對自動控水灌溉和常規(guī)灌溉所測得3塊大田數(shù)據(jù)取其平均值，采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)表格記錄，并用SPSS軟件進行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種灌溉方式下水稻耗水量

對水稻整個生長發(fā)育過程進行觀察記錄，水稻移栽后12 d后開始出現(xiàn)分蘗；分蘗生長35 d后開始拔節(jié)孕穗；拔節(jié)孕穗20 d后開始灌漿結(jié)實；灌漿結(jié)實20 d后谷粒充實；再經(jīng)過15 d谷粒蠟黃成熟。水稻從播種到移栽至大田育苗階段其灌溉水量小，因此，該階段不進行灌水量統(tǒng)計。水稻各階段的灌水量等同于水稻的耗水量，包括滲漏損失、蒸發(fā)損失、蒸騰作用耗水和生長過程中各組織體生化反應(yīng)生理需水。

由圖2可知，水稻生長過程中拔節(jié)孕穗期耗水量最大，因為這一階段水稻已發(fā)育完成，葉片數(shù)量達到最大，葉片的蒸騰量大，而且孕穗階段需要消耗大量的水分合成各種有機物；除了幼苗期2種灌溉方式的灌水量差異較小外，其他生長階段均為常規(guī)灌溉耗水量大于自動灌溉耗水量。水稻生長幼苗階段生育期短、葉片生物量小、耗水量少，田間水分損失以棵間蒸發(fā)為主，2種灌溉方式下土壤濕度變化小，所以灌水量基本相同；水稻開始分蘗發(fā)育需水量增大，2種灌溉方式灌水量不同。水稻不同生長時期自動控水灌溉比常規(guī)灌溉灌水減少量分別為：拔節(jié)孕穗生長期20 d灌水量減少2.25 m3；灌漿結(jié)實生長期20 d灌水量減少1.33 m3；分蘗期35 d灌水量減少0.64 m3；蠟黃乳熟期15 d灌水量減少0.43 m3。拔節(jié)孕穗期水稻水分消耗高，根系對土壤水分敏感，土壤水分向根系滲流，自動灌溉頻率高，節(jié)水效果明顯。自動控水灌溉是根據(jù)土壤水分濕度供水，提高了水分利用效率，減少了蒸發(fā)和滲漏損失。

通過對水稻生長的各階段耗水量進行累加分析，水稻全生育期常規(guī)灌溉灌水量為40.51 m3，自動控水灌溉灌水量為35.72 m3。常規(guī)灌溉與自動控水灌溉單位面積灌水量（灌水量與大田面積的比值可以計算出大田單位面積灌水量）分別為1.620 4，1.428 8 m3/m2。每平方米單位面積的大田中運用自動控水灌溉系統(tǒng)可節(jié)約灌水量0.191 6 m3。

2.2 2種灌溉方式下水稻產(chǎn)量

表1為2種灌溉方式下水稻的產(chǎn)量比較。通過差異性比較，水稻平均每株穗數(shù)、總谷粒質(zhì)量和單位面積谷粒質(zhì)量，2種灌溉方式差異極顯著，平均每穗實粒數(shù)差異顯著。差異性比較中，均為自動灌溉大于常規(guī)灌溉。水稻的穗數(shù)是由水稻莖分蘗而來，自動灌溉平均每株穗數(shù)為36.41穗，高于常規(guī)灌溉4.68穗，說明自動灌溉能提高水稻分蘗數(shù)。秦華東等[20]研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替灌溉在產(chǎn)量等方面優(yōu)于水層淹灌。本研究中，自動控水灌溉是保持土壤常濕潤但不被水層淹灌，而常規(guī)灌溉是薄水層淹灌。前人研究中，水稻分蘗與土壤中氧氣含量相關(guān)性很高，干濕交替灌溉，使得水稻根系露出土層，有利于根系呼吸作用和增加分蘗數(shù)。水稻分蘗是沿著主莖上的每一個節(jié)點逐漸由下向上分蘗，分蘗后的莖可以再進行分蘗，當水稻處于淹水灌溉條件下，水稻分蘗數(shù)減少。自動控水灌溉，田間無持水層，水稻根系在土壤表層處露白，增強呼吸作用，沒有淹水層的抑制，水稻分蘗數(shù)增加。

自動灌溉的平均每穗粒數(shù)為150.29粒，高于常規(guī)灌溉6.55粒，稻穗實粒數(shù)與水稻生長階段莖的粗壯程度相關(guān)，分蘗莖粗壯則稻穗結(jié)實粒數(shù)多。自動控水灌溉可以促進水稻早生分蘗，使分蘗期延長，分蘗莖粗壯，因此，自動控水灌溉水稻的平均每穗實粒數(shù)要高于常規(guī)灌溉。2種灌溉方式下水稻的平均千粒質(zhì)量差異不顯著，說明千粒質(zhì)量不受灌溉方式的影響。水稻千粒質(zhì)量是反映谷粒的大小和谷粒飽滿程度，谷粒大小一般只與水稻品種相關(guān)，栽培方式及環(huán)境條件對其影響較小。谷粒飽滿程度與水稻灌漿期相關(guān)度很高，當灌漿期水稻受旱時，谷粒飽滿度減小。自動灌溉與常規(guī)灌溉均沒有使水稻受旱，因此，2種灌溉方式谷粒千粒質(zhì)量之間無顯著差異。

小區(qū)產(chǎn)量是反映整塊田的產(chǎn)量特征，自動灌溉水稻小區(qū)產(chǎn)量為23.53 kg，比常規(guī)灌溉高4.26 kg，且二者間差異極顯著。小區(qū)產(chǎn)量與大田中的每株穗數(shù)、每穗實粒數(shù)和千粒質(zhì)量呈正相關(guān)。自動灌溉水稻的平均每株穗數(shù)和平均每穗實粒數(shù)均高于常規(guī)灌溉，千粒質(zhì)量差別不大，所以自動灌溉使水稻小區(qū)產(chǎn)量增加。

單位面積谷粒質(zhì)量是反映水稻單位面積產(chǎn)量的一項指標，能比較客觀地說明水稻產(chǎn)量的增減情況。相同種植面積的大田中自動灌溉小區(qū)產(chǎn)量大于常規(guī)灌溉，因此，其單位面積谷粒質(zhì)量也大于常規(guī)灌溉，差異極顯著。

表1 2種灌溉方式下水稻田的產(chǎn)量比較

3 結(jié)論

本試驗通過利用土壤濕度傳感器能夠控制電流開關(guān)的原理設(shè)計出一種自動控水灌溉系統(tǒng)。運用該自動灌溉系統(tǒng)在大田進行試驗并與常規(guī)灌溉進行對比，結(jié)果表明，自動灌溉除對水稻生長幼苗期節(jié)水作用不明顯外，對其余各生長階段均能減少灌水量。其中，水稻拔節(jié)孕穗期和灌漿結(jié)實期節(jié)水效果最明顯。水稻整個生育期自動灌溉比常規(guī)灌溉每平米灌水量減少0.191 6 m3。

本試驗結(jié)果還表明，通過2種灌溉方式的產(chǎn)量比較，水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素中的平均每株穗數(shù)、平均每穗實粒數(shù)、小區(qū)產(chǎn)量均存在顯著或極顯著差異，而水稻千粒質(zhì)量無顯著差異。自動灌溉比常規(guī)灌溉對水稻的單位面積產(chǎn)量增加量為0.170 4 kg/m2，其中主要因素是自動控水灌溉可顯著提高水稻分蘗能力，使水稻穗數(shù)和每穗結(jié)實數(shù)增加，進而對谷粒產(chǎn)量產(chǎn)生影響。

自動控水灌溉是一種較好的灌溉方式，不僅能減少灌溉用水量，還能提高水稻產(chǎn)量。目前，高精度的土壤水分濕度傳感器價格太高，推廣應(yīng)用難度大，還需進一步對土壤濕度傳感器進行改進，提高精度，降低成本，使其能產(chǎn)生合理的經(jīng)濟效益，將來可推廣應(yīng)用于大田生產(chǎn)。

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Study on Design and Application Test of Automatic Water Control Irrigation System

RUANSangui1，YAOBangsong1，XIAOWeihua1，CHENGFeng1，XUZhipeng2，ZHANGLe2，ZHANGXianguo2
（1.College ofEngineering，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.College ofContinuingEducation，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

For the development of agricultural water-saving irrigation,the irrigation according to the principle of soil moisture and humidity,the soil moisture sensor tocontrol the current switch toirrigation quantityadjustment,design a set ofautomatic control irrigation system,the application of the field experiments were carried out to control irrigation system.The results showed that using this system of water conservation to experiment in field which could do automatic irrigation,thus the unmanned to admit.By the study of experiment to compare the two irrigation methods,automatic control irrigation could reduce water amount 0.191 6 m3/m2than the normal irrigation,and increase yield ofrice 0.170 4 kg/m2.Automatic irrigation had no flood layer in the soil to enhance air permeability and meanwhile ensure the soil moisture content that improved the tilling of rice.Automatic water control irrigation is a kind of good water saving irrigation method,which plays a guidingrole for the development ofagricultural water savingirrigation in the future.

automatic control ofwater;irrigation;water consumption;rice field

S274.2

A

1002-2481（2016）12-1864-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.12.31

2016-08-02

國家自然科學基金項目（31272248）；國家國際科技合作項目（2013DFG91190）

阮三桂（1991-），女，湖南邵陽人，在讀碩士，研究方向：水資源與節(jié)水灌溉新技術(shù)。姚幫松為通信作者。