[发明专利]基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制技术，更具体涉及基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法与系统。

背景技术

通过灌溉适时调节旱作物根区土壤水分状况，使其既有利于作物吸收利用又能减少土面蒸发与深层渗漏等损失，是实现节水、增产目标的关键。因此，推广农田自动灌溉控制系统具有十分重要的意义，而灌溉控制方法则是其核心所在。

迄今为止，已有的灌溉控制方法大概可分为以下两类。第一类灌溉控制方法借助作物对水分胁迫的生理响应（比如冠层温度、叶水势、气孔导度等生理指标的变化）来估算作物所受到的水分胁迫程度，并据此判断灌水时间，其中基于作物冠层温度估算作物水分胁迫指数（CWSI，表示因水分胁迫所导致的作物蒸散速率降低的程度）的方法较为常见。由于作物冠层温度在光照期间很容易随时间动态变化，并且受气候环境以及观测视野内土壤与作物枝干的影响较大，所以该方法存在稳定性与代表性较差的问题，在作物生长早期冠层较为稀疏时表现得尤为突出。其次，绝大多数情况下单纯依靠CWSI只能判断灌水时间，为确定灌水定额，仍需借助实测的土壤含水量剖面，除增加前期成本投入外，还给实际应用带来不便。另外，基于作物生理响应估算CWSI并确定灌水时间时，作物往往已经受到了一定程度的水分胁迫，所以很难实现真正意义上的充分灌溉。因此，绝大多数灌溉控制方法（第二类）都基于充分灌溉原理，将根区土壤含水量算术平均值（简称为根区算术平均土壤含水量）或根区某深度处的土壤含水量（或土壤水基质势）作为灌水控制指标，当其低于最适宜作物生长的土壤含水量下限时开始灌溉，直到其达到最适宜作物生长的土壤含水量上限。然而，因根区内土壤水分分布无统一规律，在绝大多数情况下，根区算术平均土壤含水量或根区某深度处的土壤含水量都不能真实代表根区土壤水分状况。而且，在一定的气候条件下，除土壤水分分布外，根系生长分布也是影响作物根系吸水与蒸腾的重要因素。因此，在评价作物水分状况即估算CWSI时，脱离土壤水分分布与根系生长分布而只考虑根区算术平均土壤含水量或根区某深度处的土壤含水量是不合理的。由此可见，第二类灌溉控制方法在科学性方面存在明显缺陷，用该方法来判断灌水时间将带来较大偏差，从而影响作物生长以及灌溉水利用效率。

综上所述，作物水分状况是判断灌水时间的主要依据，而根区土壤水分状况是确定灌水定额的基础。因此，如何根据根区土壤水分分布与根系生长分布准确估算CWSI并进一步控制灌溉是目前亟待解决的问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题为：如何根据根区土壤水分分布与根系生长分布准确估算作物水分胁迫指数CWSI并进一步控制灌溉。

（二）技术方案

为了解决该技术问题，根据本发明的一方面，提出了一种基于作物根区土壤水分与根系分布的灌溉控制方法，其特征在于，该方法包括：

将灌溉区域的土壤从表层至最大扎根深度L_r处依次分为若干层，层数记为k，用每层土壤的平均深度z_i除以L_r，得到每层土壤的相对深度z_ri，用每层土壤的厚度h_i除以L_r，得到每层土壤的相对厚度Δz_ri，设定作物在每层土壤中的相对根长密度L_nrd(z_ri)、萎焉系数θ_W、饱和土壤含水量θ_S、最适宜作物生长的土壤含水量上限θ_H与下限θ_L；

测量每层土壤的含水量θ_i；

计算根区加权平均土壤含水量且当θ_H＜θ_i≤θ_S或θ_i≤θ_W时，令θ_i等于θ_W；当θ_L＜θ_i≤θ_H时，令θ_i等于θ_L；