基于線性擬合的肥水耦合控制優化設計

劉靜瑞,潘東陽

(信陽職業技術學院,河南 信陽 464000)

0 引言

黃瓜作為深受群眾喜愛的蔬菜,在我國種植分布廣泛,且種植量巨大[1]。由于其產量較高,在初花期到采摘末期需要頻繁進行澆水、施肥工作[2-3]。目前,黃瓜的肥水補充主要采取先施肥后漫灌形式進行,不僅造成是水資源浪費,也導致施肥不均勻[4]。為了實現黃瓜的穩產增產,迫切需要一種水肥耦合控制系統,實現自動化種植,在提高黃瓜產量的同時降低工作強度[5]。目前,自動補水系統主要原理為土壤濕度傳感器+噴淋模式[6],需要布設土壤濕度傳感器網絡,成本高昂[7],同時檢測取樣只是傳感器探頭處土壤濕度,沒有考慮土壤深度對土壤濕度的影響[8]。肥料對于黃瓜產量影響主要集中于不同氮、磷、鉀肥,沒有考慮肥料與土壤濕度的耦合對于黃瓜產量的影響[9]。本系統采用虹吸原理[10],將供水盤和管路埋于土壤中,通過調整吸水管下端到混肥池指定液位之間的高度差h控制負壓,進而控制土壤濕度,探究高度差h和土壤濕度之間的關系、土壤深度對于土壤濕度的影響,以及肥水耦合對于黃瓜生長過程中葉片,光合與蒸騰作用和根系的影響。對系統進行測試,檢測土壤濕度保持性能,探究肥水耦合對于黃瓜產量和商品率的影響,促進黃瓜穩產高產。

1 系統組成

肥水控制系統采用負壓虹吸原理設計,由混肥池供水池、負壓控制管、集氣桶和灌溉系統組成,如圖1所示。自來水通過供水電磁閥后進入混肥池供水池,內部的液位傳感器檢測水位。當水位低于預先設定值時,供水電磁閥開始向混肥供水池放水;當液位傳感檢測水位上升到設定值時,供水電磁閥關閉。將指定質量的化肥放入混肥池溶解,向植物供給肥水混合液。負壓控制由壓力控制電推桿、控壓管和吸水管組成。電推桿控制吸水管下端到混肥池指定液位之間的高度差h,進而控制負壓強度。集氣桶由水位觀察管、上端放氣加水閥組成。灌溉系統由輸水管和供水盤組成,埋于溫室土壤中。其中,供水盤由透水陶瓷制成,內部為中空腔體,在土壤中傾斜放置,目的是使其中殘余氣體有效地排到集氣桶中。

圖1 系統組成圖Fig.1 Structure of system

系統工作流程為：①關閉集氣桶下端控制閥,向集氣桶和灌溉系統中注水。②打開集氣桶和灌溉系統中間控制閥,供水盤中殘余氣體排到集氣桶,待集氣桶液面穩定,此時由于土壤基質勢的作用,供水盤中液體緩慢滲入土壤,土壤到集氣桶連通。③通過吸水管向控壓管注水,電推桿控制吸水管下端到到混肥池指定液位之間的高度差h,將產生負壓強P即P=ρgh。負壓強P用于平衡土壤吸水作用,通過改變負壓強P進而改變供水量,對土壤濕度進行控制,打開控壓管和集氣管之間的控制閥,此時整個系統連通。④液位傳感器檢測混肥供水池水位,對供水電磁閥進行控制,確保混肥供水池水位恒定。

2 供水土壤濕度模型

負壓供水系統通過控制吸水管下端到混肥池指定液位之間的高度差h,建立負壓P,進而控制土壤濕度?，F討論：負壓P和土壤保持濕度之間的關系,土壤濕度隨土壤深度的變化關系。黃瓜整個生長周期分為苗期、初花期、采收初期、采收盛期和采收末期等5個時期[11]。通過調整高度差h,建立不同負壓P,分別在苗期、初花期和采收末期檢測不同供水壓力下的土壤含水量,結果如圖2(a)所示。由圖2(a)可知：不同生長時期,供水壓力與土壤含水量模型一致,即不會對模型產生影響。現探究黃瓜生長的3個不同時期土壤濕度y與供水負壓力P規律,并對其進行線性擬合,即

y=-2.379P+42.336

(1)

因負壓大小與吸水管下端到混肥池指定液位之間的高度差h成正比關系,因此可得到高度差h和土壤控制濕度y成線性關系,即

y=-2.379ρgh+42.336

(2)

負壓供水系統控制下土壤濕度隨土壤深度的變化,結果如圖2(b)所示。由圖2(b)可知：在相同深度情況下,隨著供水負壓的增加,土壤濕度下降,且不同負壓曲線近于平行,驗證了負壓和土壤濕度成線性關系的結論;在同一負壓下,隨著土壤深度的增加,土壤濕度隨著提高,且總體上成線性關系。這是由于土壤表層的蒸騰作用強于底層土壤;同時,在重力的作用下,水分向底層土壤滲透。

3 肥水耦合模型

水分和化肥供應對于黃瓜生長至關重要,二者的配比關系會影響到黃瓜的光合作用及生殖生長過程中果實的健康成長[9]。為此,分別對應肥水不同耦合情況下黃瓜葉片數目、光合作用與蒸騰作用和葉片中葉綠素含量進行討論,探究黃瓜最適合的肥水耦合情況。現將水分與化肥供應進行3因素3水平試驗。試驗中,化肥N、P、K分別選用CO(NH2)2、NH4H2P04和K2S04,將50%的N肥和K肥、90%的P肥用做底肥,其余肥料在混肥池溶解,通過供水系統進行追肥。試驗供水負壓與化肥用量設定如表1所示。7月6日播種黃瓜,7月28日黃瓜幼苗生長成形,30日進行間苗,9月2日—10月10日對黃瓜進行采摘,10月12日拉秧。

表1 肥水耦合實驗設置Table 1 Experiment setup for water and fertilizer coupling

3.1 水肥耦合對黃瓜葉片發育的影響

植株在苗期和初花期生長發育主要以葉片生長為主,肥料元素主要流向葉片。由于黃瓜植株葉片是進行光合作用和蒸騰作用的場所,葉片的數目直接影響植物的光合作用[12]和蒸騰作用,進而影響黃瓜的品質與數量。從苗期到采摘盛期不同肥水耦合對于黃瓜葉片數目的影響如圖3所示。

圖3 肥水耦合對植株葉片數目的影響Fig.3 The effect of water and fertilizer coupling on number of leaf

7月31日—8月20日黃瓜處于苗期到初花期,期間除W3F3組合外,其余組合曲線相對集中,表明在該區間黃瓜對于水分和肥料的需求量較小,二者相較,土壤水分是主要制約因素。從8月20日—9月4日的初花期到采摘初期過程中,葉片增長速度下降,表明植株開始向生殖生長轉變。W1>W2>W3,各組中F3>F2>F1,表明在該區間內植株生長對于水分和肥料的需求均較高,但水分的需求高于肥料;從9月4日—9月21日采摘期內,各曲線的間距擴大化,且斜率更小,表明該時期植株對于水分和肥料的需求最高,且以黃瓜生長為主,葉片生長處于逐漸萎縮的狀況,要及時對黃瓜進行補水施肥,確保穩產高產。

3.2 水肥耦合對黃瓜光合作用和蒸騰作用的影響

黃瓜通過光合作用將CO2和水化肥元素合成有機物[13],光合作用的強弱直接影響黃瓜的植株和果實成長[14];蒸騰作用將黃瓜生長所需的化肥元素在水為載體的作用下,從黃瓜根部運輸到葉片和果實處,直接影響營養物質的運輸。通過檢測溫室中CO2濃度變化表征光合作用強度,監測溫室中濕度變化表征蒸騰作用速率,結果如圖4所示。

圖4 水肥耦合對黃瓜光合作用和蒸騰作用的影響Fig.4 The effect of water and fertilizer coupling on photosynthesis and transpiration

由圖4可知：光合作用速率和蒸騰速率變化趨勢一致,即兩者作用對于肥水耦合的反饋相一致;在相同的化肥施加情況下,隨著供水負壓的增加,兩者速率均呈現下降趨勢,表明在不同的化肥施加條件下,提高水分供給可以增強光合速率與蒸騰速率;W1和W2供水負壓條件下,水分供應充足,隨著肥料濃度的提升,光合速率與蒸騰速率增強,在W3供水負壓情況下,黃瓜供水不足,提高肥料供給,光合作用和蒸騰作用速率均降低,是由于過高的化肥濃度損害了黃瓜根系。

3.3 水肥耦合對黃瓜根系的影響

黃瓜根系起到吸收水分和肥料成分的作用,然后通過蒸騰作用運輸到植株葉片和果實處,根系的發育程度直接影響黃瓜養分和水分的吸收作用[15]。在負壓W1時,植株供水充足,隨著肥料用量的增加,根系質量隨著提高;在負壓W2時植株供水較充足,隨著肥料用量的增加,根系質量隨著提高;在負壓W3時,水分供應不足,根系質量會隨著肥料用量的增加而減少,同時W1F3根系發育弱于W2F3,表明根系發育對于肥料與土壤水分配比較敏感,土壤水分中肥料濃度過大會抑制黃瓜生長。因此,在施肥過程中的土壤水分含量較高時,可適當增加化肥用量;當土壤水分含量較低時,應適當減少化肥用量,如圖5所示。

圖5 水肥耦合對黃瓜根系的影響Fig.5 The effect of water and fertilizer coupling on root system

4 系統測試

肥料溶液在混肥池中,隨負壓供水系統進入土壤,在肥水耦合時,只有在水分充足的前提下,增加肥料用量才促進黃瓜生長,因此保持土壤水分含量是實現黃瓜增產的關鍵。在水分充足的前提下,探究適當的肥水耦合條件,實現黃瓜的穩產增產。由于負壓系統吸水管下端到混肥池預定液位之間的高度差h和土壤濕度成正比關系,因此測試系統穩定性能。從7月31日—8月9日期間,土壤濕度波動如圖6所示。在8月5日出現最大偏差,土壤濕度為19.1%,10天內相對誤差控制在4.5%之內,表明系統具有較高土壤濕度保持性能。

圖6 土壤濕度保持性能Fig.6 Soil moisture maintenance performance

肥水耦合性能探究肥水配比可以使黃瓜實現增長效果,將單3個黃瓜質量和商品率作為判定標準。不同的肥水耦合情況下黃瓜單果質量如圖7實線所示。在W1、W2水分充足情況下,單果質量隨著肥料的增加而增加;在缺水的情況下,單果質量隨肥料用量的增加呈先增大后減小趨勢。而黃瓜商品率在水分充足時保持穩定,當水分降低時商品率逐漸降低。綜上所述,單果質量隨土壤中化肥與水分配比,呈先增大后減小趨勢,因此在水分較高時可適當增加肥料用量,當水分較低時,減少肥料用量。商品率隨水分含量的降低而降低,因此在采摘結果時期,應保持較高的土壤濕度,提高黃瓜商品率。

圖7 肥水耦合性能測試Fig.7 Test for water and fertilizer coupling

5 結論

基于負壓虹吸原理,設計了肥水自動控制系統,同時研究肥水耦合對于黃瓜植株生長及果實的影響規律,促進黃瓜穩產增產。通過調整吸水管下端到混肥池指定液位之間的高度差h,控制負壓大小,進而調整土壤濕度。系統土壤濕度和控制負壓成線性關系,由于控制負壓與高度差h為正比關系,因此土壤濕度和高度差h成線性關系,同時土壤濕度與土壤深度亦成線性關系。肥水耦合對于黃瓜葉片生長的影響：水分含量為主導因素,在水分充足的情況下,提高施肥量,有助于植株葉片發育;肥水耦合對于黃瓜光合速率與蒸騰速率影響：水分充足情況下,增加肥料有助于提高光合速率和蒸騰速率;水分不足情況下,增加化肥用量,光合速率和蒸騰速率均下降,肥水耦合對于黃瓜根系影響也呈現上述規律。對系統進行10天濕度保持試驗,最大相對誤差為4.5%,保濕性能良好。肥水耦合對于黃瓜果實的影響：水分充足情況下,增加肥料有助于提高黃瓜單果質量,水分不足情況下,增加化肥用量,單果質量下降,表明土壤中水中肥料濃度由低到高,對于黃瓜果實生長,成先促進后抑制作用。因此,保持適當濃度的肥水充足供應,可促進黃瓜增長。黃瓜商品率隨土壤濕度下降而降低,對于肥料濃度不敏感,因此在黃瓜采摘時期要保證充足水分供應。