李 莉 王宏康 吳 勇 陳士旺 王海華 SIGRIMIS N A
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室, 北京 100083;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點實驗室, 北京 100083; 3.雅典農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系, 雅典 11855)
2016年,我國節(jié)水灌溉面積3 284.7萬hm2[1],僅占總播種面積的18.7%。實際耕地灌溉每公頃用水量253.3 m3,年農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的62.4%,總體上農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)約為0.536[2],與發(fā)達國家的0.7~0.8相比,農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大。為實現(xiàn)“十三五”計劃中到2020年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上的要求,必須大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),改進灌溉方法?;|(zhì)栽培是溫室封閉式栽培的主要形式,實時監(jiān)測并利用基質(zhì)水分、優(yōu)化精細灌溉方法,對基質(zhì)栽培具有重要意義。
含水率是現(xiàn)代精細灌溉方法中的重要參數(shù)和指標,但在基質(zhì)栽培環(huán)境下,缺乏有關(guān)基質(zhì)水分傳感器與水分變化規(guī)律的研究[3-8]?,F(xiàn)階段,國內(nèi)外研究大多通過對已有電介質(zhì)型土壤水分傳感器進行標定、校準,實現(xiàn)基質(zhì)水分檢測,其中ECH2O系列性能最佳,但價格昂貴,僅適用于實驗,無法應(yīng)用于實際生產(chǎn)[9-11]。采用頻域反射(FDR) 原理的土壤水分傳感器價格實惠,其精度與誤差滿足實際生產(chǎn)需求,在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[12-14]。現(xiàn)代精細灌溉方法研究主要方向之一為按需灌溉,包括根據(jù)作物的最適含水量閾值灌溉和根據(jù)作物蒸騰量、需水量等模型灌溉兩個方向。在灌溉策略方面,文獻[15-20]針對作物需水量的不同影響因素,如含水量閾值、基質(zhì)EC值、基質(zhì)水勢、光照累計輻射等,建立了不同的灌溉控制策略,并進行了驗證,對于傳統(tǒng)灌溉方式均有不同程度的改進和提高。文獻[21-22]針對定時、水分閾值及按需等不同灌溉策略進行了對比試驗和分析,得出水分閾值和按需灌溉提高灌溉頻率、減少每次灌溉量進而減少水分散失的結(jié)論,達到節(jié)水的目的。國內(nèi)研究主要針對基質(zhì)環(huán)境下的短時水分遷移規(guī)律,并以此探究灌溉控制策略,建立灌溉系統(tǒng),進行控制與試驗[23-25]。
針對上述研究現(xiàn)狀,本文采集經(jīng)驗灌溉下草莓果期內(nèi)的基質(zhì)含水率,并總結(jié)其變化規(guī)律,灌溉工具為已有水肥一體化灌溉設(shè)備,選用的土壤水分傳感器基于FDR原理,依據(jù)栽培基質(zhì)進行標定校準后,試驗分析其變化規(guī)律和溫度對基質(zhì)水分變化的影響作用,在此基礎(chǔ)上提出基于K-means算法的草莓區(qū)間定量灌溉策略。
試驗地點為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)涿州科技園,栽培環(huán)境為混合基質(zhì),栽培作物為草莓,品種為紅顏,于2017年11月7日于日光溫室定植,根距為20 cm,采用水肥一體化設(shè)備進行灌溉,灌溉方式為滴灌,滴箭放置在植株中心附近,規(guī)格為4 L/h。試驗時間處于果實采摘期。
1.1.1基質(zhì)
基質(zhì)的物理特性不僅適合草莓生長,還會影響土壤水分傳感器的標定校準。本試驗采用混合基質(zhì),其主要成分為草炭、蛭石和珍珠巖,綜合考慮容重、吸水透氣以及根系的固定緩沖,配比4∶2∶1;經(jīng)干燥法檢測,容重為0.153 g/cm3,總孔隙度為87.1%,通氣孔隙為26.7%,持水孔隙為60.4%,水氣比為2.26。其中草炭為德國進口,蛭石、珍珠巖產(chǎn)地為河北。表1為3種基質(zhì)的理化特性。
表1 基質(zhì)理化特性Tab.1 Substrate physical and chemical properties
1.1.2傳感器選型及放置
試驗選用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司JZH-0系列傳感器,工作電壓DC 12V,該土壤水分傳感器采用FDR方法檢測體積含水率,量程0~100%,精確度±3%,分辨率0.1,可長時間在線監(jiān)測。傳感器有兩根不銹鋼探針,探針長62 mm,直徑5 mm,探針間隔24 mm。其他參數(shù)指標包括溫度量程-20~60℃,準確度±0.5℃(25℃),相對濕度量程0~100%,精確度±3%(相對濕度5%~95%,25℃),土壤溫度量程-20~60℃,準確度±0.5℃(25℃),光照強度0~5×104lx,精確度為量程的±5%;選用網(wǎng)關(guān)型號為KLHA-H1100。網(wǎng)關(guān)與傳感器如圖1所示,采集頻率為10 min采集1次。
圖1 網(wǎng)關(guān)與傳感器Fig.1 Gateways and sensors
土壤水分傳感器與土壤溫度傳感器放置在相鄰兩株植株中間,距離根系約10 cm。整個果期內(nèi)保持傳感器靜止,實時監(jiān)測基質(zhì)水分含量的變化并通過網(wǎng)關(guān)上傳至服務(wù)器。
1.1.3灌溉設(shè)備及營養(yǎng)液配比
試驗采用現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室研發(fā)的CAUA-12型水肥一體化灌溉設(shè)備進行灌溉,設(shè)備如圖2所示。草莓摘果期的營養(yǎng)液配置如表2所示。
圖2 CAUA-12型水肥一體化灌溉設(shè)備Fig.2 CAUA-12 integrated irrigation equipment for water and fertilizer
表2 草莓營養(yǎng)液配置
Tab.2 Strawberry nutrient solution preparation
營養(yǎng)液化學(xué)式質(zhì)量/gACa(NO3)2·4H2O930KNO3720MgSO4375BKH2PO4145NH4H2PO480EDTA-2NaFe300H3BO328.6CMnSO4·4H2O21.3ZnSO4·7H2O2.2CuSO4·5H2O0.8(NH4)6Mo7O24·4H2O0.2
其中營養(yǎng)液A、B、C配比為1∶1∶0.1。按比例置于CAUA-12型水肥一體化灌溉設(shè)備的肥液桶中,設(shè)定其吸肥比例為1∶1∶0.1。灌溉時長為10 min,灌溉量固定,灌溉周期人為控制,需要根據(jù)實際情況調(diào)整。草莓果期氮肥、鉀肥需求量較大,要結(jié)合葉面肥(磷酸二氫鉀葉面肥)施肥。
1.2.1土壤水分傳感器標定
試驗將傳感器測量值與干燥法得到基質(zhì)實際水分含量進行標定。試驗使用裝置為:方形容器(尺寸為40 cm×20 cm×30 cm)、圓臺形塑料容器(上端直徑16 cm,下端直徑10 cm,高度12 cm)、電子秤和干燥箱。
在方形容器中對混合基質(zhì)進行配比以獲得不同體積含水率下的基質(zhì)樣本,根據(jù)基質(zhì)最大持水量與數(shù)據(jù)采集密度計算加水量間隔,將基質(zhì)從干燥到飽和配成18組不同體積含水率的樣本,分別將樣本基質(zhì)攪拌均勻,均勻裝入對應(yīng)圓臺塑料容器中,避免擠壓基質(zhì),自然填裝,填滿后用保鮮膜封口,加蓋靜置于避光處。24 h后稱量塑料容器連同含水基質(zhì)的質(zhì)量。將保鮮膜揭開,將傳感器從容器上方正中心垂直插入基質(zhì)直至探針完全沒入基質(zhì),為減小讀數(shù)誤差,取多次讀數(shù)的平均值為測量值,待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后,每隔10 s采集1次數(shù)據(jù),共采集5組數(shù)據(jù),取其平均值作為傳感器測得水分含量。將基質(zhì)放入干燥箱,恒溫80℃干燥24 h,干燥結(jié)束后取出基質(zhì)冷卻至室溫稱量,讀數(shù)不變以后記錄干燥基質(zhì)的質(zhì)量。干燥法測量得到基質(zhì)體積含水率計算公式如下
(1)
式中θ——基質(zhì)體積含水率,%
W——靜置24 h后塑料容器與含水基質(zhì)質(zhì)量,g
Wd——干燥后塑料容器與干燥基質(zhì)質(zhì)量,g
Wc——塑料容器質(zhì)量,g
ρ——被測基質(zhì)容重,g/cm3
根據(jù)課題組之前研究成果[13],基質(zhì)電導(dǎo)率與基質(zhì)溫度對測量值影響較小,可忽略不計?;|(zhì)壓實程度會對傳感器產(chǎn)生干擾,可通過定期標定傳感器的方法來降低誤差,減少容重對測量值的影響。
1.2.2K-means聚類算法
K-means聚類算法基本思想是:以空間中k個點為形心進行聚類,以數(shù)據(jù)點到原型的某種距離作為優(yōu)化的目標函數(shù),利用函數(shù)求極值的方法得到迭代運算的調(diào)整規(guī)則。通過迭代的方法,逐次更新各簇的形心值,直至得到最好的聚類結(jié)果。本文采取歐氏距離作為相似度測度,采用均值作為聚類準則函數(shù),求解對應(yīng)某一形心的最優(yōu)分類。算法具體流程如下:
(1)在樣本數(shù)據(jù)集中隨機選取k個樣本點作為初始形心ci(i=1,2,…,k)。
(2)在第j次迭代中,對任意一個樣本點pt(t=1,2,…,n)求其到k個形心的歐氏距離
(2)
(3)將該樣本歸類到與其距離最小的形心所在的簇。
(4)采用均值更新各簇的形心值
(3)
式中ni——族序號
(5)重復(fù)步驟(2)~(4),直到各簇的形心值不再變化。
混合基質(zhì)下傳感器測量值與干燥法測量值之間的關(guān)系如圖3所示。
圖3 混合基質(zhì)中傳感器測量值與干燥法測量值之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between sensor measurements and drying methods measurements in mixed substrate
從圖3可以看出,傳感器檢測下限為8%。傳感器測量值基本呈現(xiàn)線性規(guī)律。混合基質(zhì)的理化特性與土壤的理化特性在持水性能方面較為接近,傳感器能較好地表征混合基質(zhì)的體積含水率。測量結(jié)果的決定系數(shù)R2為0.983,線性度高,平均絕對誤差(Mean absolute error,MAE)為1.06%,均方根誤差(Root mean squared error,RMSE)為3.47%,平均測量值比干燥法測量值低3.47個百分點,與干燥法測量值接近??烧J為該傳感器測量值能表征實際水分含量。
對采集的傳感器測量值按照標定方程換算后進行分析。由于每次灌溉時長遠小于每次灌溉的間隔時間,所以將基質(zhì)水分的變化分為2個階段分別分析:第1階段為灌溉開始后60 min內(nèi),以傳感器采樣周期10 min為間隔分析;第2階段為灌溉后第1天至下次灌溉前1 d,根據(jù)采集到的當天數(shù)據(jù)取平均值以天為間隔分析。
草莓摘果期內(nèi)共進行了8次灌溉數(shù)據(jù)分析,依照時間先后順序進行排序,每次灌溉后60 min內(nèi)的基質(zhì)含水率變化曲線如圖4所示。綜合8次灌溉分析,基質(zhì)含水率在灌溉后10 min左右達到峰值,說明傳感器對于灌溉過程中基質(zhì)水分突增具有良好的響應(yīng),能夠及時反映出灌溉過程中基質(zhì)含水率的變化,每次灌溉將基質(zhì)含水率平均提高21.5個百分點。10~30 min基質(zhì)含水率快速下降,此時滴箭附近的基質(zhì)水勢明顯大于遠離滴箭位置的基質(zhì)水勢,基質(zhì)水分由高水勢向低水勢運動,此過程水分向下入滲、向周邊擴散,遷移相對較快,水分的入滲擴散使得基質(zhì)水勢差減小,水勢趨近相同,基質(zhì)水分快速遷移過程中,基質(zhì)含水率在20 min平均下降3.5個百分點。30~60 min基質(zhì)水分變化趨于平穩(wěn),由于基質(zhì)水勢差減小,水分遷移速率降低,說明此時植株附近水勢差較小,水分均勻分布在植株附近,可以認為此時的基質(zhì)含水率為經(jīng)過灌溉后的基質(zhì)含水率,此階段基質(zhì)含水率在30 min內(nèi)平均下降了1.2個百分點,相較于灌溉前提高了16.8個百分點。
圖4 灌溉開始后60 min內(nèi)基質(zhì)含水率變化曲線Fig.4 Substrate moisture changing curves within 60 min after start of irrigation
綜上所述,每次灌溉10 min,滴箭出水量4 L/h,每株草莓獲得約0.67 L水,其基質(zhì)含水率提高16.8個百分點,試驗期間共進行8次灌溉,每株草莓總共獲得5.33 L水。將灌溉時間與基質(zhì)水分變化量的關(guān)系近似為線性關(guān)系,用于計算理論耗水量。
圖5 灌溉結(jié)束至下次灌溉前基質(zhì)含水率變化曲線Fig.5 Substrate moisture changing curves from end of irrigation to next before irrigation
灌溉結(jié)束后至下次灌溉前的基質(zhì)含水率變化曲線如圖5所示。由于灌溉量固定,灌溉周期根據(jù)實際情況調(diào)整,因此每次灌溉后獲取數(shù)據(jù)量不同,由于第4次和第5次灌溉之間僅隔1 d,所以第4次灌溉不予討論。綜合6個灌溉周期分析,基質(zhì)含水率呈逐漸減小、線性變化趨勢。對每一個灌溉周期內(nèi)基質(zhì)水分變化曲線進行線性回歸分析,結(jié)果如表3所示。6個灌溉周期內(nèi)基質(zhì)含水率變化的R2均大于0.96,線性程度非常好,說明在同一生長時期內(nèi),每次灌溉后,基質(zhì)水分均呈現(xiàn)線性下降趨勢,即斜率表示的日變化率相對穩(wěn)定;隨著時間推移,基質(zhì)含水率日變化率整體逐漸增加,從最初的0.011 4增加至0.036 5,說明果期草莓需水量呈現(xiàn)逐漸增加的規(guī)律。
表3 基質(zhì)含水率變化曲線線性參數(shù)分析Tab.3 Analysis of linear parameters of substrate moisture changing curves
結(jié)合圖5分析,隨著光照和溫度升高,以及果實產(chǎn)量增加,為保證草莓開花結(jié)果,每個灌溉周期的最后一天基質(zhì)含水率也呈增加趨勢,最后平均值保持在27%。
由于第5次灌溉后氣溫較高、光照較強,在此階段果實長勢較好,草莓日平均需水量較大,其基質(zhì)含水率下降速度較快,為確保果實良好發(fā)育提前進行第6次灌溉。隨后當?shù)爻掷m(xù)處于惡劣天氣,受其影響基質(zhì)含水率下降速率減慢,所以此次灌溉后隔14 d進行下一次灌溉,最后1 d基質(zhì)含水率為26.9%,處于較高水平。因此該周期內(nèi)基質(zhì)含水率日變化率明顯小于前后兩次的日變化率。
圖6 灌溉結(jié)束后至下次灌溉前溫室內(nèi)日平均溫度與日基質(zhì)含水率變化量的關(guān)系Fig.6 Relationship between daily average temperature in greenhouse and variation of daily substrate moisture from end of irrigation to next before irrigation
由于基質(zhì)含水率日變化率隨時間推移逐漸增加,預(yù)測溫度、光照強度也隨時間增加,而溫度與光照強度具有強耦合性,因此初步考慮溫度對于基質(zhì)含水率的影響。由于基質(zhì)含水率取決于每次灌溉的具體情況,因此要分析基質(zhì)含水率變化與溫度的關(guān)系需將每天的基質(zhì)含水率變化量與當日平均溫度對比分析,其每日的基質(zhì)含水率變化量與日平均溫度的關(guān)系如圖6所示,日平均溫度并不能與基質(zhì)體積含水率日變化量存在較明顯的耦合關(guān)系,平均變化量為1.97個百分點,方差為1.25,決定系數(shù)為0.387 1。綜上所述,草莓結(jié)果期基質(zhì)含水率下降趨勢明顯且穩(wěn)定,而日平均溫度波動較大,因此當日溫度與基質(zhì)含水率變化不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。
采用K-means聚類算法對上述數(shù)據(jù)進行分析,分別設(shè)定形心數(shù)為2、3、4個,其結(jié)果如圖7所示。
圖7 K-means聚類結(jié)果Fig.7 K-means clustering results
分析形心數(shù)分別為2、3、4時各簇的特征,具體參數(shù)如表4所示。當形心數(shù)為2時,樣本分為兩類,層次性明顯,第1簇形心坐標為(17.2,1.09),日平均溫度在13~20.5℃之間,基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.09個百分點,組內(nèi)方差為0.244 2;第2簇形心坐標為(23.5,2.45),日平均溫度在20.5~27 ℃之間,基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.14個百分點,組內(nèi)方差1.148 5,總方差為0.830 8,小于分組前方差,但大于其他兩組方差;形心數(shù)為4時,第1簇形心坐標為(14.7,1.01),日平均溫度在13~16℃之間,基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.01個百分點,組內(nèi)方差0.022 4;第2簇形心坐標為(18.7,1.14),日平均溫度在16~20.5℃之間,基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.14個百分點,組內(nèi)方差0.357 9;第3簇形心坐標為(21.9,1.79),日平均溫度在20.5~23.6℃之間,基質(zhì)含水率日變化量平均值為1.79個百分點,組內(nèi)方差0.505 3;第4簇形心坐標為(24.8,3.00),日平均溫度在23.6~27℃之間,基質(zhì)含水率日變化量平均值為3.00個百分點,組內(nèi)方差1.022 7;總方差最小,為0.593 9,小于分組前方差,但考慮到第1簇與第2簇平均值過于接近,實際灌溉中難以區(qū)分,因此形心數(shù)為4時分類無現(xiàn)實意義,予以排除。
表4 參數(shù)分析Tab.4 Analysis of parameters
形心數(shù)為3時,層次清晰,界限明確,分類效果最好。第1簇形心坐標為(15.7,0.88),日平均溫度在13~18℃之間,此簇溫度最低,基質(zhì)含水率日變化量最低,一般不超過1.25個百分點,平均值為0.88個百分點,其方差只有0.086 8,小于其他簇,說明在溫度較低時,作物生長發(fā)育較為緩慢,作物需水量較少,同時溫度對作物生長發(fā)育的限制作用明顯;第2簇形心坐標為(20.5,1.76),日平均溫度在18~22.5℃之間,此簇溫度適宜,基質(zhì)含水率日變化量有明顯提高,平均值為1.76個百分點,方差為0.344 6,較第1簇增加,說明作物需水量隨溫度升高而有明顯提高,溫度升高促進作物生長;第3簇形心坐標為(24.4,2.63),日平均溫度在22.5~27℃之間,基質(zhì)含水率日變化量平均值較其他簇最大,但是分布較為分散,方差最大,為1.409 7,說明在溫度較高時,基質(zhì)含水率變化量均值也顯著提高,與之前變化規(guī)律相同,但是溫度不再是影響作物需水的主要因素,光照強度、空氣濕度等其他因素對作物需水的影響增加。
由于作物生長所需水分主要從根部獲得,在未灌溉的條件下基質(zhì)含水率一定會隨著作物生長逐漸降低,若忽略基質(zhì)中的水分自然流失,可近似認為作物需水量等于基質(zhì)中水分減少量。灌溉策略應(yīng)當能夠在充分滿足作物需水量的前提下,減少水分自然流失,最為切實可行的方法是提高灌溉頻率,降低灌溉量以減少水分流失。
基于上述分析,提出一種基于日平均溫度的日光溫室封閉式栽培灌溉方法,其策略如下:設(shè)定3個溫度范圍13~18℃、18~22.5℃、22.5~27℃,并依次對應(yīng)3個基質(zhì)含水率日變化量0.88、1.76、2.63個百分點。計算當天的日平均溫度,根據(jù)其所屬溫度區(qū)間選取合適的基質(zhì)含水率日變化量,于第2天進行灌溉。每7 d為一個周期,在周一進行修正,若基質(zhì)含水率高于前一個周期初始值,則不進行灌溉,若低于前一個周期初始值,則進行補充。依據(jù)這一區(qū)間定量灌溉策略,理論上果期每株草莓僅需要4.51 L水,相比實際耗水,節(jié)水約15.4%,節(jié)水能力有較大提高,具有可行性。
(1)基于FDR原理的土壤水分傳感器能夠在短時間內(nèi)對水分遷移作出響應(yīng),并能夠長時間工作在基質(zhì)環(huán)境下,能夠應(yīng)用于溫室的實際生產(chǎn)和管理之中。
(2)基質(zhì)含水率在灌溉第1階段結(jié)束時達到峰值,能夠較好地反映灌溉時長;灌溉結(jié)束后基質(zhì)含水率在20 min內(nèi)快速下降,然后趨于平穩(wěn);在每個灌溉周期內(nèi),基質(zhì)含水率呈現(xiàn)線性下降趨勢,其斜率能夠較好反映基質(zhì)含水率日變化量;在整個果期內(nèi),基質(zhì)含水率下降速度隨時間逐漸增加,斜率由0.011 4增加至0.036 5,反映出溫度升高對作物需水量的影響增大。
(3)日均氣溫與基質(zhì)含水率日變化量并無明顯關(guān)系,但是通過K-means聚類算法分類,得到層次界限清晰的分簇。依據(jù)各簇的參數(shù)特征,得到溫度區(qū)間與區(qū)間內(nèi)基質(zhì)含水率日變化量平均值,依據(jù)前一天日平均溫度所處分類區(qū)間,選取對應(yīng)基質(zhì)含水率日變化量進行灌溉。該灌溉策略合理增加灌溉頻率,理論上果期每株草莓僅需要4.51 L水,可節(jié)水15.4%。由于灌溉方式為水肥一體化灌溉,施肥量隨用水量的減少而減少,該灌溉策略也具有一定節(jié)肥效果。