栽培基質(zhì)水分監(jiān)測探針傳感器的公式率定

夏海波 ，于曉蕾 ，黃 乾

（1. 山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014）

無土栽培是一種新型的栽培方式,是指不用天然土壤而用基質(zhì)或僅育苗時(shí)用基質(zhì)，在定植以后用營養(yǎng)液進(jìn)行灌溉的栽培方法。研究保護(hù)地栽培條件下無土栽培蔬菜的需水、需肥規(guī)律及優(yōu)質(zhì)高效水肥一體化灌溉指標(biāo)，可以促進(jìn)無土栽培蔬菜的發(fā)展，提高水分利用效率，實(shí)現(xiàn)有機(jī)蔬菜的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、以水調(diào)質(zhì)的功效，對(duì)無土栽培條件下作物的水肥資源高效利用及生產(chǎn)效益的提高具有重要意義。

在這研究過程中對(duì)栽培基質(zhì)水分?jǐn)?shù)據(jù)的檢測十分重要，為此安裝了RailBox 水分監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)栽培基質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，因該設(shè)備主要應(yīng)用于土壤環(huán)境中，缺少栽培基質(zhì)中的水分率定公式，所以本文通過系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工烘干法數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，找出設(shè)備監(jiān)測栽培基質(zhì)水分?jǐn)?shù)據(jù)與栽培基質(zhì)實(shí)際水分?jǐn)?shù)據(jù)的率定公式，以便更好的研究栽培基質(zhì)的水分?jǐn)?shù)據(jù)。

1 率定原理

RailBox 水分監(jiān)測系統(tǒng)探針傳感器使用時(shí)將傳感器插入栽培基質(zhì)中，利用頻域反射法或時(shí)域反射法原理，測量反饋的電信號(hào)值，通過率定公式得到栽培基質(zhì)含水量數(shù)據(jù)。建立率定公式就是將傳感器電信號(hào)值與實(shí)時(shí)的栽培基質(zhì)含水量作為一組數(shù)據(jù)，在栽培基質(zhì)含水量不同狀態(tài)下測量傳感器反饋的電信號(hào)值，形成數(shù)據(jù)系列，利用多項(xiàng)式等數(shù)學(xué)模型，建立傳感器電信號(hào)值與栽培基質(zhì)含水量的函數(shù)關(guān)系。

2 栽培基質(zhì)試樣的選取

本次實(shí)驗(yàn)的栽培基質(zhì)為“無土栽培作物需水規(guī)律研究”課題組在萊蕪試驗(yàn)大棚內(nèi)應(yīng)用的有機(jī)栽培基質(zhì)，主要成分為草炭、蛭石、珍珠巖、椰糠、發(fā)酵物。測量數(shù)據(jù)時(shí)，RailBox 水分監(jiān)測系統(tǒng)的探針傳感器垂直插入選取的栽培基質(zhì)中測量數(shù)據(jù)，為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，2 個(gè)傳感器間隔10 cm 距離放置。

2.1 栽培基質(zhì)試樣的制作

將未開封的袋裝栽培基質(zhì)均勻攪拌并裝入4組驗(yàn)桶中。每組試驗(yàn)桶內(nèi)對(duì)栽培基質(zhì)進(jìn)行撫平、擊實(shí)，并對(duì)4 組試驗(yàn)桶進(jìn)行稱重記錄，確保4 組試驗(yàn)桶內(nèi)栽培基質(zhì)密實(shí)度、質(zhì)量一致。栽培基質(zhì)體積含水量分按20%、30%、40%、50%配置。在溫室大棚內(nèi)靜置24 h 后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

1）傳感器數(shù)據(jù)。在RailBox 水分監(jiān)測系統(tǒng)終端讀取探針傳感器在4 組栽培基質(zhì)中的實(shí)時(shí)水分?jǐn)?shù)據(jù)，并做好記錄。

2）環(huán)刀取樣。將探針傳感器取出，用輔助工具將試驗(yàn)桶中栽培基質(zhì)進(jìn)行剖面清除，使栽培基質(zhì)在實(shí)驗(yàn)桶中形成到底部的垂直剖面，在剖面的上中下3 個(gè)區(qū)域各取一組環(huán)刀，用工具錘敲擊環(huán)刀手柄使環(huán)刀進(jìn)入栽培基質(zhì)中，在環(huán)刀沒入基質(zhì)中后取下環(huán)刀手柄，再將環(huán)刀取出，并用輔助工具將環(huán)刀兩端修平，蓋好環(huán)刀上下盒蓋，整個(gè)過程中避免環(huán)刀中的基質(zhì)掉落。

3）環(huán)刀稱重。對(duì)4 組12 個(gè)環(huán)刀進(jìn)行編號(hào)，并用電子天平（感重0.01 g）稱重，記錄12 個(gè)裝有濕基質(zhì)的環(huán)刀重量。

4）烘干試樣。將4 組12 個(gè)環(huán)刀放入恒溫烘箱，環(huán)刀上蓋取下放在傍邊，關(guān)閉烘干箱門，設(shè)定溫度105 ℃，設(shè)定烘干時(shí)間12 h。

5）干樣稱重。將烘干的環(huán)刀稱重并記錄，完成后將環(huán)刀中的干基質(zhì)取出，對(duì)帶蓋空環(huán)刀進(jìn)行稱重并記錄。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過制作的栽培基質(zhì)試樣，在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，計(jì)算得到人工烘干法、水分監(jiān)測系統(tǒng)探針傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 人工烘干法、水分監(jiān)測系統(tǒng)探針傳感器、TRIME 探頭傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比

4 擬合率定公式與檢驗(yàn)

4.1 擬合率定公式

利用 Microsoft Excel 中“圖表”的“XY 散點(diǎn)圖”繪圖功能,以RailBox 水分監(jiān)測系統(tǒng)的探針傳感器測出數(shù)據(jù)作為x 軸，以人工烘干法監(jiān)測的栽培基質(zhì)重量含水量作為y 軸,根據(jù)表1 數(shù)據(jù)點(diǎn)繪各測次基質(zhì)含水量與傳感數(shù)據(jù)關(guān)系，見圖1。

圖1 探針傳感器數(shù)據(jù)與人工烘干法數(shù)據(jù)關(guān)系圖

結(jié)果表明，相關(guān)系數(shù)平方值R2=0.995，大于0.95，人工烘干法監(jiān)測的栽培基質(zhì)重量含水量與探針傳感器測出栽培基質(zhì)重量含水量關(guān)系顯著，代表性較好。

4.2 檢驗(yàn)率定公式

將擬合的率定公式代入RailBox 水分監(jiān)測系統(tǒng)，然后在4 組試驗(yàn)桶內(nèi)進(jìn)行人工烘干法監(jiān)測基質(zhì)含水量與水分監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測基質(zhì)含水量同步對(duì)比檢驗(yàn)，比測數(shù)據(jù)不少于6 組。結(jié)果顯示：同步對(duì)比檢驗(yàn)中的16 個(gè)數(shù)據(jù)，代入率定公式后絕對(duì)誤差在±4%范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)有13 個(gè)，占比81.25%，合格率超過80%，率定公式可用。

5 結(jié) 語

通過對(duì)栽培基質(zhì)水分的傳感器監(jiān)測與人工烘干法測出數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，建立兩者的相關(guān)關(guān)系，確定率定公式，加強(qiáng)了傳感器檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)提高RailBox 水分監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性具有重要的意義，對(duì)栽培基質(zhì)的利用分析以及未來的無土栽培研究有較高的價(jià)值。