汪東欣,李愛傳,李 琳

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 電氣與信息學(xué)院,黑龍江 大慶 163000)

0 引言

中共中央、國務(wù)院于2017年印發(fā)的中央“一號文件”《中共中央、國務(wù)院關(guān)于深入推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動能的若干意見》中指出強化科技創(chuàng)新驅(qū)動,引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)加快發(fā)展,旨在提高土地產(chǎn)出率、資源利用率及勞動生產(chǎn)率。

本文以北方溫室大棚主要作物黃瓜為研究對象,因不同生長期的需水量、需肥量、溫濕度、根區(qū)含氧量等參數(shù)各不相同,對滴灌系統(tǒng)的控制要求也隨之提高。隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)及數(shù)學(xué)優(yōu)化算法的發(fā)展,利用計算機建立數(shù)學(xué)模型,按作物對土壤溫濕度、氮磷鉀含量、含氧量等需求量進行適時適量灌溉,提高操作的準(zhǔn)確性,達到提高產(chǎn)量以及節(jié)水、節(jié)能的目的。

目前,國內(nèi)外在溫室大棚當(dāng)中采用的滴灌系統(tǒng)主要依靠經(jīng)驗設(shè)計水流量和肥水比等,缺乏對具體作物不同生長期需水量、需肥量、溫濕度及根區(qū)含氧量等參數(shù)的參考,未能達到最為合理的灌溉方式,管理過程中對操作者本身素質(zhì)要求較高,自動化程度較差。加氣滴灌技術(shù)目前主要應(yīng)用在煙草、甜瓜、藍莓等作物當(dāng)中,試驗發(fā)現(xiàn)加氣能夠明顯改善果實產(chǎn)量及品質(zhì),但并沒有應(yīng)用于北方溫室大棚的蔬菜種植。滴灌系統(tǒng)的水源主要以河流和地下水為主,冬季溫度較低,目前對水源升溫的措施主要以在大棚室內(nèi)搭建蓄水池和水箱為主。近幾年,隨著光伏技術(shù)的發(fā)展,國外及少數(shù)國內(nèi)農(nóng)場也開發(fā)了太陽能滴灌系統(tǒng)。

1 基于粒子群優(yōu)化算法的滴灌數(shù)學(xué)模型

1.1 模型建立

北方溫室大棚在進行滴灌灌溉時,考慮溫室成本、設(shè)備使用成本、耗水量及人工成本等因素的影響,黃瓜的最大產(chǎn)量并不適合作為最終目標(biāo),而應(yīng)追求作物的最大經(jīng)濟效益。以此為依據(jù),在保證灌水總量固定的前提下,通過MatLab確定黃瓜生育期各個階段灌溉水量模型。

為簡化模型,在確定黃瓜生育期灌溉水量模型時忽略其他因素的影響,本研究以單位面積黃瓜的凈收益為目標(biāo)函數(shù),其收益方程為

f(Sj,G)=SjJy-GJs-A

式中f(Sj,G)—每667m2凈收益(元);

Sj—黃瓜每667m2總產(chǎn)量(kg);

G—黃瓜生育期各階段用水量(m3);

Jy—黃瓜每千克市場價格(元);

Js—每立方米農(nóng)業(yè)用水價格(元);

A—其他生產(chǎn)成本總和(元)。

黃瓜生育期大致可分為幼苗期、初花期和結(jié)果期,不同時期對灌水量的需求不同,本研究以Jensen提出的作物水分響應(yīng)模型[1]為依據(jù),建立黃瓜不同生育期灌水量的影響模型,即

λi—黃瓜不同生育期需水指數(shù);

n—生育期序號,1為幼苗期,2為初花期,3為結(jié)果期。

由上式可得

約束條件為：

滴灌總量約束為

式中Gmin—可用水總量下限;

Gmax—可用水總量上限。

不同生育期滴灌總量約束為

Gimin≤Gi≤Gimax

式中Gimin—第i生育期可用水總量下限;

Gimax—第i生育期可用水總量上限。

總產(chǎn)量約束為

Sj≤Smax

式中Smax—理論黃瓜產(chǎn)量最大值。

其他生產(chǎn)成本總和約束A=常數(shù)。

利用粒子群優(yōu)化算法(PSO)的適應(yīng)度函數(shù),通過調(diào)整粒子群中各粒子的速度和位置,確定每次粒子群的最優(yōu)適應(yīng)度,即對模型進行最優(yōu)灌溉,從而使經(jīng)濟效益最大,即

1.2 試驗驗證

本研究以667m2試驗田為研究對象,通過利用蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的方式研究黃瓜生育期灌水量,設(shè)定灌水總量為200m3(即總灌水深度為300mm)和333m3(即總灌水深度為500mm),確定最大經(jīng)濟效益時,各階段水量分配比例如表1所示。

進一步利用MatLab對模型進行優(yōu)化求解,得到在滿足經(jīng)濟效益最大前提下,總灌水量不同時黃瓜各生長階段需水量情況,如圖1所示。

試驗結(jié)果表明：黃瓜不同生育期對水量的需求不同,幼苗期相對較少,避免由于水分過多造成幼苗徒長,影響產(chǎn)量;開花期用水量大于幼苗期,保證開花數(shù)量及質(zhì)量;結(jié)果期用水量最大,提供黃瓜生長所需要的足夠水分,有利于瓜條均勻生長,減少黃瓜畸形率,提高黃瓜品質(zhì)。同時,隨著總灌水量的增加,整體產(chǎn)量及經(jīng)濟效益都有所增加。

表1 黃瓜生育期各階段灌水量分配及最大經(jīng)濟效益Table 1 Water distribution and maximum economic benefit of irrigation at each stage of cucumber growth

本實驗仿真結(jié)果按照黃瓜價格4.84元/kg,農(nóng)業(yè)用水0.32元/m3。

圖1 黃瓜不同生育期需水量與總灌水量變化規(guī)律Fig.1 The variation of water requirement and total irrigation amount of cucumber at different growth stages

2 施肥量與加氣量研究

2.1 施肥量

在影響溫室大棚黃瓜品質(zhì)和產(chǎn)量的諸多因素中,肥料是最為明顯的影響因子。有機肥肥效持久、養(yǎng)分全面,可有效改良土壤結(jié)構(gòu)、培肥地力,一般用其作為基肥使用,可保障黃瓜整個生育期所需成分;但隨著環(huán)境因素的影響及作物生長過程所需營養(yǎng)成分的變化, 往往需要及時對作物進行追加化肥。為此,主要研究在施肥量固定的情況下,通過一次性施加基肥和利用滴灌將水溶性化肥進行追肥對黃瓜產(chǎn)量的影響。

西北農(nóng)林科技大學(xué)在“十二五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目中已經(jīng)有關(guān)于滴灌施肥對溫室黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響的研究[2],根據(jù)溫室黃瓜對肥量需求的規(guī)律,確定黃瓜總施肥量比例為2∶1∶3,且按每10天一次,分8次進行滴灌追肥。

本文以667m3試驗田為研究對象,固定灌溉水總量400mm,尿素24kg、磷酸二氨12kg、硝酸鉀36kg。分析在采用不同施肥方案時產(chǎn)量的變化,如表2所示。其中,方案1不進行施肥,起對照作用。

表2 不同施肥方案黃瓜產(chǎn)量對比Table 2 Comparison of cucumber yield under different fertilization schemes

試驗結(jié)果表明：將所有肥料采用分次滴灌時,黃瓜產(chǎn)量最高。

2.2 加氣量

黃瓜植物在生長過程中,不僅需要從土壤中攝取供其生長所需的水分和肥料,還需要為其根部提供一個適宜的生長環(huán)境,土壤含氧量就是一個重要的環(huán)境因素,土壤含氧量可以影響根系呼吸、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分狀況等[3-4]。植物根系利用呼吸作用吸收土壤中的氧氣,從而幫助植物吸收水分和對N、P、K等營養(yǎng)元素的吸收,加速植物組織中糖類、葉綠素及蛋白質(zhì)的形成。

目前,針對土壤含氧量對黃瓜生長影響的研究相對較少,Bhattrai提出土壤含氧量對葉綠素的影響,史春余指出土壤通氣性能的增加有利于甘薯光合作用。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤高效利用國家重點實驗室研究表明[5]：加氣滴灌技術(shù)可有效提高土壤含氧量,促進葉片葉綠素、可溶性糖及蛋白質(zhì)的合成,有效增加黃瓜產(chǎn)量。

本文以胡德勇的土壤氣體收集裝置及氣體收集方法為基礎(chǔ),以667m3試驗田為研究對象,將其平均分為28份,設(shè)定每次加氣時間為126s,加氣深度為25cm,通過設(shè)定不同的加氣頻率,確定在黃瓜生長過程中不同生育期土壤含氧量對產(chǎn)量的影響,如表3所示(表中并未列及所有方案)。其中,3、6、9代表加氣時間間隔3、6、9h,方案1為不加氣的對照方案。

表3 各生育期不同加氣時間間隔黃瓜產(chǎn)量對比Table 3 Comparison of cucumber yield at different aeration intervals in different growth stages

通過對黃瓜不同生育期土壤不同加氣量的對比分析研究,可以發(fā)現(xiàn)不同生育期黃瓜對土壤含氧量的需求不同：在初花期和結(jié)果期,土壤含氧量越高,越有利于植物生長;在幼苗期,適量的氧氣可促進葉片生長,但過高的含氧量反而會抑制其生長。根據(jù)土壤含氧量與黃瓜生長特性的關(guān)系,確定方案3為最理想加氣滴灌方案。

3 系統(tǒng)設(shè)計

通過以上研究可確定北方溫室大棚黃瓜滴灌過程中灌水量、肥水比及加氣量的最優(yōu)方案,但由于自然環(huán)境及其他不可預(yù)見因素導(dǎo)致在實際種植過程中需要適時對灌水量、追肥量及加氣量進行調(diào)整。本文以現(xiàn)代傳感器技術(shù)及現(xiàn)代電氣控制技術(shù)為手段,以滴灌數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),建立北方溫室大棚黃瓜滴灌自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測相應(yīng)參數(shù),通過模型的優(yōu)化計算,利用PLC進行灌水、施肥、加氣等自動控制,提高黃瓜產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 加氣滴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure block diagram of aerated drip irrigation system

3.1 參數(shù)檢測裝置

為實現(xiàn)黃瓜加氣滴灌的最優(yōu)化設(shè)計,根據(jù)檢測數(shù)據(jù)要求,設(shè)計參數(shù)檢測裝置,包括灌溉水溫度、土壤溫度、土壤濕度、土壤含氧量及土壤養(yǎng)分,并通過無線傳輸進行數(shù)據(jù)傳遞,為系統(tǒng)提供參數(shù)依據(jù)。

1)灌溉水溫度傳感器：TELESKY DS18B20數(shù)字溫度傳感器。該傳感器靈敏度高,測量溫度范圍在-55～+125℃,采用一線總線的數(shù)字方式傳輸,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

2)土壤溫濕度傳感器：SMTS-II,輸出4～20mA,溫度測量范圍-30～+70℃,水分測量里程0～100%。

3)土壤含氧量傳感器：氣敏傳感器,測量土壤中氧氣濃度含量,并輸出電信號(當(dāng)氧含量20.9%時,輸出200mV),安裝方便,可以用于長期觀測檢測土壤呼吸和透氣性。

4土壤檢測儀：ZYD-TF-L6,用于土肥養(yǎng)分測定及化肥檢測銨態(tài)氮、尿素氮、硝態(tài)氮、鉀、磷、有機質(zhì)及氯離子等,其土壤養(yǎng)分測定儀檢測項目如表4所示。

表4 土壤養(yǎng)分測定儀檢測項目Table 4 Soil nutrient tester test items

3.2 冷水升溫裝置

目前,北方溫室大棚灌溉水升溫的方式主要有懸掛式鋼制水溫升溫設(shè)施、地上長方形蓄水池升溫設(shè)施、酒甕形升溫設(shè)施及敞口地下長方形升溫設(shè)施。其升溫原理主要依靠溫室大棚室內(nèi)的環(huán)境溫度升溫,升溫效果并不理想,且會造成溫室大棚內(nèi)濕度增加,引起病蟲害發(fā)病幾率。本研究提出了一種基于太陽能熱水器原理的灌溉水升溫系統(tǒng),利用太陽能將水升溫,并根據(jù)滴灌數(shù)學(xué)模型檢測參數(shù)數(shù)值,通過溫度控制閥調(diào)節(jié)冷熱水比例,得到適宜溫度。

3.3 肥水比調(diào)節(jié)裝置

以ZYD-TF-L6土壤檢測裝置檢測土壤信息,根據(jù)可測土壤的有機質(zhì)含量和氮磷鉀含量確定施肥比例,通過在3個施肥罐中預(yù)先添加的3種成分(以氮、磷、鉀為主)不同的可溶性化肥,調(diào)節(jié)水流通道和施肥罐通道的調(diào)節(jié)閥,確定肥水比進行合理滴灌。

3.4 加氣滴灌裝置

溫室大棚內(nèi)土壤的踐踏頻率高,土壤次表層平均容重較大,土壤板結(jié)明顯,通透性差,作物根區(qū)存在低氧脅迫,不利于作物生長。項目為緩解根區(qū)低氧脅迫的影響,借助氣泵和滴灌裝置實現(xiàn)加氣滴灌,并根據(jù)黃瓜不同生育期根區(qū)需氧量設(shè)計加氣方案。

4 結(jié)論

1)在灌水總量固定的前提下,利用粒子群優(yōu)化算法建立黃瓜凈收益數(shù)學(xué)模型,得到最優(yōu)灌溉水分配方案。增加灌水量,可適當(dāng)提高黃瓜產(chǎn)量,當(dāng)達到一定值后,總灌水量的增加對黃瓜產(chǎn)量無明顯影響。

2)在保證施肥總量相同的情況下將尿素、磷酸二銨和硝酸鉀溶于水中,每10天進行一次分8次滴灌追肥時,黃瓜具有最高產(chǎn)量。

3)不同生育期黃瓜對土壤含氧量的需求不同,在初花期和結(jié)果期,土壤含氧量越高,越有利于植物生長;在幼苗期,適量的氧氣可促進葉片生長,但過高的含氧量反而會抑制其生長。

4)北方溫室大棚黃瓜滴灌自動化系統(tǒng)可有效達到最優(yōu)用水、合理施肥及提高產(chǎn)量及凈收益的目的。