蔬菜精準自動灌溉技術模型應用研究進展

曹 健，張白鴿，陳 瀟，宋 釗，余超然，何裕志

（廣東省農業科學院蔬菜研究所/廣東省蔬菜新技術研究重點實驗室，廣東 廣州 510640）

水是作物生長不可或缺的基本要素，也是農業生產過程中最大量的投入品，土壤水分管理對作物優質高效生產、減少水肥流失和改善農田生態環境有重要作用。我國蔬菜生產種植規模大，復種指數高，用水量大，蔬菜產區往往集中在工農業生產比較發達、水資源供需矛盾比較突出的地區，實施精準高效的蔬菜節水灌溉技術不僅對緩解水資源短缺有重大意義，還能夠合理調控蔬菜生長發育，提高蔬菜產量和品質，保障城鄉居民蔬菜有效供給及其對優質蔬菜產品的消費需求。近年來，農業節水灌溉技術通過多學科的交叉、融合和集成，從多角度開展了大量的研究工作，開發應用了一批先進的節水灌溉設施裝備，建立起多種節水灌溉決策模型，在土壤墑情監測預報、合理灌溉指標等方面獲得了可喜的進展，逐步成為水資源節約高效利用的重要技術手段，為作物精準灌溉及其高效用水提供了技術保障［1-3］。蔬菜根系分布淺，水分管理要求勤施薄施，頻繁灌溉，但蔬菜生長過程中土壤墑情卻難以精準監測和調控，灌溉量不容易掌握，普遍存在盲目粗放灌溉，灌溉不足或灌溉過量的問題，灌溉不足必然影響蔬菜生長發育，降低蔬菜產量和生產效益；灌溉過量則造成水肥流失浪費，根系生理傷害、生態環境破壞以及蔬菜生產損失等一系列的問題，生產上亟待根據蔬菜需水規律構建精準高效自動灌溉控制技術措施。為此，蔬菜精準自動灌溉要按照水分傳輸模型結合具體氣候條件提出各個水分傳輸界面的量化管理技術方案；同時根據根層土壤特性制定出土壤墑情精準管理的灌溉指標和灌溉制度；結合蔬菜生產對產量和品質的要求適時適量精準灌溉，調控植株生長發育。針對菜田土壤自動灌溉的技術需求，本文在系統分析根際土壤墑情管理技術的理論基礎上，探討應用蔬菜自動灌溉控制的設施裝備及其調控土壤墑情的技術方法，認為蔬菜灌溉應根據菜田土壤水分傳輸模型建立土壤墑情精準管理的自動灌溉控制系統設施；根據蔬菜生長規律及其對水分的需求，研究建立精準調控根際土壤墑情的適時適量合理灌溉技術方案，制定完善的土壤墑情量化管理指標和管理制度等，集成標準化、自動化、數字化、智能化的精準自動灌溉設施裝備及其管理決策在蔬菜生產的應用，同時，建立菜田土壤水分生態管理的蔬菜節水灌溉生產模式，為土壤墑情精準高效管理和蔬菜節水灌溉提供技術支持［4］。

1 蔬菜自動灌溉控制技術理論模型

目前農業灌溉技術理論模型有很多，如SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系統理論模型，完整闡述了農田水分循環及其能量平衡的問題；測墑自動灌溉控制系統理論模型，根據土壤墑情指標作為灌溉管理的依據，建立較完善的根際土壤墑情管理技術體系；根據作物水分虧缺反應的形態特征和生理指標作為灌溉依據，建立水分管理模型，能為調控作物產量和品質提供有效途徑。

1.1 基于SPAC 水分傳輸理論的灌溉模型

當代研究土壤水分循環和平衡，以Philip［5］1966 年提出的SPAC 系統即土壤-作物-大氣連續體為基礎。SPAC 系統模型將“土壤-植物-大氣”視作一個系統的動態連續體，綜合分析地下水、地表水、土壤水、植物水和大氣水之間的轉化過程，采用定量的方法弄清植物所需的水分及其在運輸、轉化過程中能量傳遞的基本框架和動態模型［6］。該系統模型根據作物種類、土壤類型、氣候因子及其生態環境，分析涉及系統水分運移各個要素變化的參數，闡明在植物生長的環境因素影響下水分的運移及其形態轉化、能量輸送的物理學和生理學機制，建立起系統內水分平衡的模擬模型。該系統模型各層次的水分傳輸介質不同，界面不一，其水流過程就像鏈環一樣，互相銜接，以水勢作為主要驅動力，將不同界面、不同介質的水分運動聯系整合形成統一連續體，為系統水分及能量循環和轉化提供了可以量化分析的依據［7］。基于SPAC 系統模型從宏觀的角度抓住水分在系統內的運移規律，結合作物需水規律和土壤水分狀況能夠作出土壤墑情預測預報和灌溉管理決策。

SPAC 系統模型運用計算機技術成功模擬出大田作物灌溉模擬模型，應用集成化、智能化的控制技術及設備，解決了系統運行過程中繁瑣復雜的計算過程，結合大宗作物的產業規模及其生產過程中強有力的組織體系，能夠根據計算出來的灌溉指標做出農田灌溉管理決策［8］。在旱地作物和林地作物的模擬模型中獲得成功驗證，為干旱預測及灌溉決策提供依據，已在我國小麥、玉米、果樹和林地作物的灌溉管理中推廣應用［9-12］。

基于SPAC 系統灌溉決策系統所涉及的參數眾多，包括陽光、降雨、風速、空氣濕度等眾多條件因子，需要分別合理設置各種傳感器并將其參數傳輸到計算機終端綜合處理，對土壤墑情進行模糊計算并轉化為灌溉決策方案。由于該系統模型是一個涉及多因素的開環控制系統，灌溉與土壤墑情指標沒有形成真正意義的閉環控制，是用氣象信息估算間接調控土壤墑情的灌溉管理指標，系統模型復雜龐大，其中氣象、土壤、地形等諸多因子錯綜復雜，變化多端，難以設計和精確定義，各個因子是否完整、每個因素的參數和權值是否準確，以及各個因子自然變化引起系統的誤差等，都會影響灌溉決策是否符合作物生長的實際需求，模型的實際應用有一定局限性［13］。在作物需水特性不同、根系結構和分布特征有差異、具體田塊的作物對水分需求有差別時，灌溉指標與土壤墑情指標和植物需水的生理參數難以設計形成反饋裝置，特別是對于生長迅速、需水量大、灌溉頻率高的蔬菜作物較難精準模擬出實際的水分平衡狀況，難以對菜田土壤墑情進行精準管理。

1.2 基于根層土壤墑情指標的自動灌溉控制系統模型

農業灌溉實際上是將灌溉水轉化成作物可吸收利用的土壤水，其關鍵技術是調控根層土壤墑情以滿足作物生長對水分的需求，制定科學合理的灌溉技術方案。土壤-根系界面是SPAC 系統中重要的子系統，植物體主要從根層土壤中吸收水分，并將土壤水轉化為植物水，根區土壤墑情指標及其能量狀況，決定了根系吸水的難易以及其后續的水分運輸、轉化和葉片蒸發等復雜過程。測墑自動灌溉控制系統是在通過監測作物根層土壤具有代表性的墑情指標，掌握土壤墑情動態變化的基礎上，建立土壤水分供給和作物水分需求協調一致的自動灌溉控制系統。該控制系統直接關注土壤墑情狀況，將土壤墑情參數傳輸到計算機直接轉化為灌溉的命令，實時調控土壤墑情狀況，可分別由單片機、PLC 控制器、PCU 控制器等調控和管理土壤墑情［14］，也可以幾種控制器集成應用共同調控土壤墑情，如用單片機和PCU控制器聯接，對土壤墑情進行實時監測和調控［15］。

密切關注根區土壤水分動態，根據根區土壤墑情建立起監測和調控土壤水分的測墑自動灌溉技術體系，是目前智能灌溉的研究熱點。何蕾［16］建立了圍繞土壤層進行閉環灌溉的測墑自動灌溉管理系統，可以自動、實時、精準測量土壤狀況，為系統提供可靠、客觀、精確的灌溉方案；建立以根層土壤墑情指標為基礎的閉環式灌溉系統，可以精準控制土壤水分狀況，減少滲漏，維持植物生長最旺盛所需要的最佳土壤含水量，從而最大限度的保證作物旺盛生長及提高水分利用率。

測墑自動灌溉控制系統模型只關注土壤墑情管理，將土壤墑情作為灌溉決策唯一指標，從源頭抓住了蔬菜水分需求與土壤水分供給的關鍵點，能通過量化的精準灌溉管理措施，將土壤墑情調控到適宜蔬菜生長理想狀態，在節水灌溉管理和蔬菜優質高效生產中逐漸表現出較大優勢。

1.3 基于作物水分虧缺反應的灌溉系統模型

根據作物水分虧缺反應的生理指標和形態特征，作為判斷作物水分需求狀況診斷指標，能更真實地反映作物的水分需求狀況。因此，通過定量檢測作物生理指標和形態特征，生理指標包括細胞液濃度、葉水勢、氣孔開度、氣孔導度、葉氣溫差等，形態特征包括葉片擴展速率、葉角度、莖桿直徑、果實增長量等，按照作物相關指標及其生存閥值的要求，將這些指標轉化為作物水分需求信號，建立灌溉控制系統模型，對作物體內水分狀況實行調控，可調節作物生長發育和生理活動狀態，調控作物的產量和品質，實現高效用水的目的。

趙燕東等［17］系統研究和對比分析了植物水分實時、在線、無損檢測的方法，從植物生理指標和形態特征兩方面著重論述植物水分脅迫檢測方法的研究進展，指出基于植物生理指標的水分脅迫檢測方法具有較高的檢測精度，能夠較準確判斷植物的需水信息。高曉紅等［18］基于作物葉片、莖桿、果實的水分虧缺反應作為精準調控作物生長的依據，設計制作了新型智能節水灌溉系統；通過研制高精度電阻應變式和差動電感式葉片厚度傳感器、微米級4 通道便攜式葉片厚度測量儀，以作物葉片厚度等性狀和特征作為反饋控制參數，從而提高控制精度，實現精準灌溉。

基于植物形態特性的水分脅迫檢測方法具有無損、快捷、操作簡單等優點，但有些指標檢測誤差相對較大，還有些儀器存在難以安裝、難以自動化測量等問題。有些方法還會干擾植物生長環境，對植物具有不同程度的損傷，指標難以實現自動化連續實時監測。實際上，植物被監測的組織在吸收利用土壤水分時有一定的滯后性，以作物水分虧缺指標為核心水分循環系統在生產應用上有一定的局限性，建立實時在線閉環控制系統仍不現實。但基于作物生長相關的具體水分虧缺指標能精確掌握植株生長狀態，仍是有效調控生長發育的途徑。

2 蔬菜精準自動灌溉控制技術原理及應用

水分既是作物生長重要的環境重要因子，也是影響環境溫度和濕度的重要因素。作物任何性狀都是其特征特性與環境互相作用的結果，蔬菜灌溉管理要符合蔬菜的特征特性及其生長發育時期對水分的需求，結合氣候條件和土壤特性等對菜田土壤墑情進行量化管理，促進植株同化物的形成和積累，達到提高蔬菜品質和產量的目標。

2.1 按照水分傳輸模型提出量化管理技術方案

蔬菜水分管理應針對蔬菜品種及其生育期的生長特性提出個性化的精準管理指標，結合氣候環境因子和土壤性質制定精準灌溉技術方案。根據SPAC 水分傳輸理論，水分傳輸過程可以用“水勢”的能量指標分析水分循環的全過程，即如何從根際土壤等環境中吸收水分，以及如何將水分轉化和蒸發到空氣中，如何維持作物正常生長和生理代謝、礦質元素吸收利用，全面解析土壤-植株-大氣的水分能量指標和動態平衡狀態。

由于不同種類、品種的蔬菜的需水特性差別很大，根系結構和分布特征也完全不同，而且蔬菜生育期短，植株生長快，不同生育時期需水量和蒸騰量變化很大；同時，蔬菜生產要求產品均衡上市，基地種植的蔬菜特意錯開播種期，不同地塊蔬菜的生育期不一致，使生產基地不同地塊灌溉量不一致。因此，灌溉管理必須針對每個具體田塊制定合理的灌溉技術方案，從土壤墑情及其水分能量指標，結合氣候條件和蔬菜生長特性，以提高產量和品質為目標，全面分析水分運移的規律性，構建系統化、數字化的水分傳輸動力學模型，從微觀的、多角度深入分析蔬菜水分運移規律，掌握土壤-植株-大氣的每個界面水勢的能級指標，通過各個界面水分能級狀態的量化管理，建立一套促進蔬菜生長發育、保證蔬菜優質高效生產的精準灌溉技術方案［19］。

2.2 根據根層土壤墑情提出精準灌溉管理指標

土壤墑情狀況決定了土壤水分的勢值，決定根系吸水的難易程度，蔬菜生產上必須根據植株根層土壤墑情精準灌溉。在不同的土壤含水量的情況下，土壤對水分的吸附能力是不同的。在飽和土壤含水量的狀態下，純自由水的水勢值（能量）為0，為最大值；隨著土壤水分含量的降低，土壤間質對水分的吸附力越強，水分的勢值就越低，這一勢值由土壤間質的吸附作用而產生，稱為間質勢，其勢值為負值。蔬菜灌溉實際上是將根層土壤的水勢值調控到容易被植株根系吸收的范圍內。由于蔬菜根層分布淺，特別是葉菜類蔬菜集中分布在薄薄的表土層，能被吸收利用的土壤水分存量小，而蔬菜生長過程需水量多，水分供需矛盾比較突出。因此，蔬菜灌溉必須采取勤施薄施的方式，通過適時適量精準灌溉，調節根層土壤的間質勢，將根層土壤墑情調控到理想狀態。

值得注意的是，施用無機肥料對水分的溶質勢有很大影響。所謂溶質勢是指溶質溶解于水中產生的勢值，是可溶性鹽溶于水成為離子后，離子吸引水分使周圍的水分重排和勢值降低的現象。溶質勢的大小等于溶液的滲透壓，但符號相反。無機肥料屬于溶質，溶于水分時溶質勢隨著溶液濃度的增加而下降，因此，過量施用無機肥料必然使溶質勢下降，嚴重時引起土壤鹽漬化及傷害植株根系。目前水肥一體化技術在生產上普及應用，解決了水肥施用需要勤施薄施的技術問題，基于溶質勢的管理對根際土壤離子濃度進行調控，在精準灌溉技術中具有重要意義。

決定土壤總水勢的因素除了間質勢和溶質勢外，還有壓力勢和重力勢，這些因素共同構成土壤水分總的能量水平。在生產過程中，水肥施用直接影響土壤水分的勢值，灌溉提高土壤水分的間質勢，對促進植株生長起決定性作用；施肥能降低土壤水分的溶質勢，對調控植株生長有很大作用。水肥管理不僅影響植株生長發育，同時表現出極強烈的水肥耦合作用，對水肥供給進行量化指標管理對促進植株生長發育和物質積累有重要作用［20］。

2.3 根據蔬菜生長發育需求調控水分管理措施

灌溉極顯著影響蔬菜生長，對增加產量、提高品質等起關鍵作用。研究表明，作物在水分缺乏時，植株體內會適應缺水環境，形成相應的水分平衡狀態，如主動積累氨基酸和可溶性糖等物質，增加細胞液濃度，提高作物吸收水分的能力。目前在節水灌溉方面開展了大量非充分灌溉的技術研究，掌握土壤特性和持水能力的基礎上，通過應用調虧灌溉技術調控土壤水分，提高作物產量和品質，建立蔬菜節水節肥、優質高效的水肥管理技術方案，提高水肥利用效率［21］。如番茄果實的可溶性糖、可溶性固形物含量隨著灌溉量的降低而增加，即隨著土壤水分含量的減少而增加［22-23］。試驗表明，不同灌溉上限對蔬菜生育期等有極顯著影響，引起不同器官生長速度的差異，其農藝性狀、物質積累以及水分和養分的吸收利用均有極顯著變化［23-27］。

應用節水灌溉技術能夠調控蔬菜生長發育，不僅能提高水分利用效率和產量，對產品品質也具有精準的調控作用。在目前人民生活日益改善，對優質蔬菜產品需求不斷增加的條件下，應針對蔬菜產品品質調控開展節水灌溉技術研究，結合蔬菜品種特性配套相應的節水灌溉管理技術方案，建立精準灌溉、優質高效的蔬菜產業生態發展模式。

3 蔬菜精準自動灌溉技術關鍵措施

精準自動灌溉技術既要根據蔬菜需水特性和栽培模式，構建土壤墑情調控的系統裝置，解決蔬菜需水量大，生長過程要求頻繁灌溉、勤施薄施的問題；也要提出適時適量精準灌溉指標，解決灌溉過程中土壤墑情難于精準監測和調控的問題；同時，要建立完善的灌溉管理決策，解決自動灌溉管理與農藝技術相符合的問題。

3.1 構建完善的土壤墑情管理系統裝置

蔬菜精準自動灌溉管理的目標是實現高效用水、合理灌溉、提高水肥利用效率，技術關鍵是根據蔬菜生長需求建立精準調控菜田土壤墑情的自動灌溉管理系統裝置。通過實時監測土壤墑情變化動態，將土壤墑情信息通過數據線或無線傳輸方式與電子計算機連接，對監測田塊的土壤墑情動態進行記錄、監測和實時調控等，實現土壤墑情的智能化、數字化精準管理。

3.2 制定精準調控土壤墑情管理指標

實時精準掌握土壤墑情狀況是調控土壤墑情的基礎。土壤墑情動態與土壤含水量、土壤質地、地下水位等多個因素有密切的關系。由于肉眼難于精準判斷根層土壤墑情指標，灌溉量不容易掌握，因此土壤墑情管理首先要根據蔬菜生長特性和根層分布特點，開發應用精確度高、反應靈敏、穩定性好、使用方便、性能優良、能實時監測土壤墑情的傳感器。同時，要選擇具備代表性的土壤墑情監測點，保證監測點的墑情狀況與整個大田澆灌狀況一致，發揮自動灌溉的優良性能。韓紅亮等研究了蔬菜大棚墑情傳感器在垂向上的代表性問題，發現10～16 cm 深度區域的土壤含水率基本能夠代表根系層的平均含水率，認為蔬菜大棚內10～16 cm 的深度范圍比較適合布置墑情傳感器［28］。另外，要通過合理安排噴頭、滴頭等灌水器，配套合理的灌溉方法和農藝技術，使田間生長的每株作物均勻澆灌，灌溉的均勻系數至少在0.8 以上。

過去由于難以判定土壤墑情指標，節水灌溉研究方法主要著重于作物需水的灌溉下限和灌溉定額指標，原則上將灌溉上限控制在田間持水量的范圍內，在生產上起到一定作用［29］。應用測墑自動灌溉控制技術，采用農業物聯網、傳感器、計算機等技術設計土壤墑情監控系統，實時監測土壤墑情指標，通過反控節點控制灌溉設施啟停，構建操作方便、性能可靠、精準調控根際土壤墑情灌溉控制系統，實時監測土壤墑情狀況，精準掌握灌溉上限指標，建立基于灌溉上限的土壤墑情實時監測和自動灌溉管理決策系統，能嚴密監控土壤墑情閥值，嚴格控制灌溉上限指標，將土壤墑情指標調控在合理的區間范圍內，保證蔬菜耗水和灌溉供水的平衡，制定符合作物生長需求的灌溉指標和灌溉制度。

3.3 建立完善的測墑自動灌溉管理決策

自動灌溉管理決策要根據土壤性質和蔬菜需水特性確定灌溉上限指標，然后根據土壤持水能力和蔬菜生長需求確定灌溉下限指標，同時根據植株耗水量及萎蔫系數等確定灌溉周期和灌溉頻率，將精準自動灌溉控制技術與農藝技術相融合。首先要根據蔬菜品種對根層土壤墑情的要求和根層土壤的持水能力確定灌溉上限指標，嚴格控制灌溉上限。在滿足蔬菜生長對水分的需求，保證水分合理供給基礎上，結合土壤性質盡量減少灌溉水滲漏造成的水肥流失。一般將灌溉上限宜控制土壤相對含水量為70%～90%。灌溉下限是蔬菜是否需要補充土壤水分的土壤含水量下限指標。測墑自動灌溉的灌溉下限應理解為可補水下限，原則上要大于萎蔫系數，一般要大于土壤相對含水量55%～65%。

自動灌溉系統可根據蔬菜生長周期適時灌溉，結合灌溉模式、灌溉制度和蔬菜生長需求規定適宜的灌溉指標。采取隨時灌溉的模式時，可按照灌溉上限、灌溉下限來設定，使灌溉上限和灌溉下限有一定的區間范圍，滿足土壤呼吸和蔬菜生長需求。在灌溉周期如有設定禁止灌溉的時間范圍時，需要預測禁止灌溉期間內的植株水分蒸騰量，相對提高灌溉下限指標，保證每個灌溉周期內的土壤水分能滿足蔬菜生長需求。灌溉頻率主要取決于灌溉上限和灌溉下限之間根層土壤持有的并能供給植株蒸騰消耗的土壤水分含量，其次取決于蔬菜植株的水分蒸騰速率，水分蒸騰速率則與氣候環境條件及植株的葉面積有關。同時，灌溉頻率要根據蔬菜品種類型需水特性及其生育期的生長需求來決定。

灌溉管理決策在實際操作過程中還要根據蔬菜生產的目標產量和品質的要求，使調控土壤水分供給的灌溉周期與蔬菜生長周期相吻合，圍繞蔬菜優質高效生產將土壤墑情控制到理想狀態。根層分布較深的蔬菜和保水力好的土壤應適當增加灌溉量，減少灌溉次數；根層分布較淺的蔬菜、保水力差的土壤應適當減少灌溉量，增加灌溉次數。

4 結語與展望

蔬菜測墑自動灌溉控制技術在生產中的應用，可改變傳統蔬菜水分管理方式，實施更加嚴密的灌溉指標和灌溉制度，構建起生態節水灌溉管理模式；能根據菜田土壤特點精準灌溉，做到土壤墑情數字化調控的精準管理，保證蔬菜需水與灌溉供水的平衡，營造出良好的根際土壤條件，避免人工難以精準判斷土壤墑情造成灌溉的盲目性；能根據蔬菜生長發育需求適時適量精準灌溉，充分發揮出蔬菜生長潛力，達到優質高效生產的目標；同時能防止過量灌溉引起的水肥流失，改善菜田土壤生態環境，提高水肥 利用效率［30］。

蔬菜精準自動灌溉技術模型都各自有其科學的理論基礎，并且在生產試驗和應用中得到驗證，都有其獨特的效果和作用。SPAC 系統模型的水分傳輸理論解析了水分運移中能量傳遞的框架和動態模型，從宏觀角度把握了系統內水分運移規律，結合蔬菜生長及其所處的氣候條件，可以得出水分運移中各個傳輸界面的量化指標，同時提出各界面的水分調控的技術方案，為構建蔬菜高效節水技術提供技術支持。基于土壤墑情指標的測墑自動灌溉系統模型，結合蔬菜根層分布特點系統構建起菜田土壤墑情實時監測和自動調控的系統裝置和管理決策系統，通過量化的精準灌溉管理將土壤墑情調控到適宜蔬菜生長理想狀態，能夠精準把握蔬菜水分需求與土壤水分供給的平衡，在蔬菜水分高效管理中具有較大優勢，技術應用具有廣闊前景。基于作物水分虧缺反應的灌溉系統模型是根據按照作物的水分相關指標及其閥值轉化為水分需求信號，對作物的水分狀況實行調控，能夠直接調節作物生理活動狀態，實現高效用水目的的同時，調控作物的產量和品質，可望在作物優質高效生產中發揮出其獨特的作用。