测墒灌溉技术在蔬菜生产的应用研究进展

 摘 要：本文根据蔬菜灌溉的特点阐明蔬菜测墒灌溉技术应采取的具体措施。针对蔬菜测墒灌溉技术及其设施装备应用的存在问题，深入分析目前测墒灌溉技术的理论基础，结合蔬菜根层分布特点及其需水特性，提出与菜田土壤水分管理相适应的测墒自动灌溉决策系统及技术模型，同时指出仍需要开展改良土壤墒情传感器、建立测墒自动灌溉控制系统和完善灌溉管理技术体系等工作。技术应用将构建起新型蔬菜节水灌溉管理模式，对改善蔬菜生长和提高水分利用效率有重要作用。

1  引言

 近年来，农业节水灌溉技术通过多学科的交叉、融合和集成，开发应用了一批先进的节水灌溉技术及设施装备，特别是测墒灌溉技术在生产应用中节水效果显著，成为一项水资源节约高效利用的重要措施。蔬菜生产种植规模大，复种指数高，周年栽培生产，用水量大；蔬菜产区又集中在水资源供需矛盾突出的较发达地区，实施蔬菜节水灌溉技术对缓解水资源短缺有重大意义。但蔬菜节水灌溉技术的应用研究还未得到足够的重视，特别是测墒灌溉等创新技术和方法与生产应用之间存在一定距离。为此，本文针对测墒灌溉技术在蔬菜生产的技术需求，分析蔬菜测墒灌溉技术的理论基础，探讨测墒灌溉技术及其设施装备在蔬菜生产的应用前景。

2  测墒灌溉技术理论模型的应用

   农业灌溉实际上是将灌溉水转化成作物可吸收利用的土壤水，其关键技术是调控土壤墒情，保证根层区域的土壤水能满足作物生长需求。如何制定出科学合理的灌溉措施调控作物根区的土壤墒情，目前主要有二种技术思路，即基于SPAC（Soi-Plant-Atmosphere Continuum）系统模型理论和测墒自动灌溉控制理论。

2.1 SPAC系统模型调控理论

   SPAC系统是将“土壤-植物-大气”视作一个系统的动态连续体，通过阐明系统内在作物生长的环境因素影响下水分的运移及其形态转化、能量输送的物理学和生理学机理，综合分析大气水、地表水、土壤水、地下水和植物水“五水”之间的转化过程，采用定量的方法弄清植物所需的水分及其在运输、转化过程中的能量传递的基本框架和动态模型（刘昌明，1999）。该系统模型根据作物种类、土壤类型及其具体的生态环境和气候因子，分析涉及系统水分运移的各个要素变化的参数，同时按照一定的比例选择具有代表性的地块，定期定点监测土壤墒情和作物长势等有关水分运移的各项参数，建立起系统内水分平衡的模拟模型。基于SPAC系统模型的预测和目标优化方法的灌溉管理，从宏观的角度抓住水分在系统内的运移规律，结合作物需水规律和气候条件分析土壤水分状况作出灌溉预报和决策。该系统模型理论已经在旱地作物和林地作物的模拟模型中获得成功的验证，能作为干旱预测及合理灌溉决策的依据，已在我国小麦、玉米、果树和林地作物的灌溉水管理中推广应用。

    SPAC系统模型运用计算机技术成功模拟出大田作物灌溉模拟模型，解决了系统运行过程中繁琐复杂的计算过程，结合大宗作物的产业规模及其生产过程中强有力的组织体系，能够将计算出来的灌溉指标供生产应用参考。运用该技术思路也开展了测墒自动灌溉技术研究，用监测土壤

    墒情指标，结合相关的气候环境、作物的蒸腾量等参数，用计算机进行系统模型模糊分析，对农田灌溉作出管理决策（倪涛，2011）。实际上，基于SPAC系统灌溉决策系统所涉及的参数众多，所涉及的土壤墒情、阳光、降雨、风速、空气湿度等众多的条件因子，需要分别合理设置各种传感器并将其参数的传输到计算机终端综合处理，进行模糊计算转化为灌溉决策方案，系统复杂庞大，实施难度较大。特别是不同作物的需水特性有所不同，根系结构和分布特征也有差异，具体田块的作物对水分需求量差别很大，难以完全模拟出实际的水分平衡状况。

2.2  测墒自动灌溉控制理论

   测墒自动灌溉控制系统是用土壤墒情传感器监测出土壤墒情参数传输到计算机处理，将土壤墒情参数直接转化为控制水阀的命令，实时调控土壤墒情。目前测墒自动灌溉控制的研究方法和技术路线有一些差别，都离不开土壤墒情的信息采集、数据处理及其灌溉决策这几个重要环节，可分别由电脑或单片机独立完成，也可以二者互相结合共同完成。而用单片机设计制造出测墒灌溉控制器，能够实现土壤墒情的调控与管理，并适应湿度大等恶劣的外界环境条件，经久耐用，简单轻便，适宜农田生产环境下使用（戴彬虎，2011）。单片机可以和电脑计算机系统联接，实现土壤墒情的远程监测和调控（韩晨燕，2012）。

    测墒自动灌溉控制的关键环节在于土壤墒情传感器的性能，所监测的土壤墒情是判定灌溉决策的唯一依据，土壤墒情传感器精确度不高、代表性不强等问题，直接影响土壤墒情调控能力，成为困扰该技术应用的技术瓶颈。目前土壤墒情监测的主要依据有土壤水分含量（康定明，1996）、土壤水分张力值、灌水量/皿蒸发量(IW/CPE)（陆帼一，1989）、渗漏计指示蒸发值（李建明，2000）、土壤 PF 值、TDR法和FDR法等多种类型。张力计法的土壤墒情传感器反应较慢，不能实时监测出土壤含水量；中子水分仪法有使用和保养方法繁琐，存在中子源辐射防护的技术问题，难于在

农业生产实际中使用；基于TDR法和FDR法等开发的土壤墒情传感器各项性能已基本成熟，能可快速、便捷和连续观测土壤含水量，获得了可喜的进展（刘凯，2010）。但其对探针插入位置距开挖剖面有严格要求；必须防止水分在土壤缝隙流动；对不同类型土壤测定的测定结果参数变化较大，还受到土壤温度影响等；由于其监测点小，代表性差，常采取多点检测、加权平均策略提高精度，同时要进行繁琐的校正等，监测方法繁锁复杂，也影响其实用性能。目前该技术方法仍在不断改进，如通过研究温度对FDR土壤湿度传感器的影响规律，大大减少了土壤温度对湿度传感器测量结果的影响（曹美，2015）。

3  蔬菜生产对灌溉技术的需求

我国传统蔬菜生产精耕细作，水肥管理上勤施薄施，这是根据蔬菜水肥需求特点采取的具体措施，必须遵循这一基本原则，同时注意蔬菜灌溉方面有如下几个特点：

首先，蔬菜根系吸收能力较弱，且灌溉量不容易掌握。蔬菜根系集中在薄薄的表土层，根层土壤中能被吸收利用的土壤水分存量小，水分供需矛盾比较突出，生育过程要求频繁灌溉，且土壤墒情用肉眼难于判断，灌溉量不容易掌握，灌溉不足或过量的问题普遍存在。灌溉不足必然影响蔬菜生长发育，造成生产损失；而灌溉过量则造成水肥流失浪费、生态环境的破坏以及蔬菜根系的伤害等。所以，蔬菜灌溉关键是要根据土壤墒情合理灌溉，频繁灌溉，采取勤施薄施的灌溉措施。

    其次，蔬菜基地不同田块的灌溉量有很大差别。蔬菜产品要求均衡上市，生产基地种植的蔬菜特意错开播种期，使基地的蔬菜生育期不一致，造成不同田块需水量有很大差别，灌溉要求完全不同。而且蔬菜生长迅速，生育期短，生长过程叶面积及其蒸腾量变化大，需水量变化也很大。同时蔬菜生长及其对水分的需求受多种气候因素的影响。所以，蔬菜灌溉要根据每个田块制定具体的灌溉技术方案，才能满足蔬菜生长需求。

    再次，蔬菜生长受到水分影响大，调控灌溉能促进蔬菜生长，增加产量，提高品质。蔬菜产品柔嫩多汁，器官和组织的含水量高。研究表明，土壤水分对蔬菜植株生长、生育期等有极显著影响，引起不同器官的生长速度的差异，农艺性状有极显著变化（曹健，2015）。灌溉对蔬菜生长有极显著的调控作用，制定出合理灌溉指标和灌溉制度，对节约水资源和增产增收有显著作用。

4  蔬菜测墒自动灌溉控制的关键措施

   蔬菜测墒自动灌溉控制系统主要由土壤墒情传感器和设定灌溉决策的控制系统组成，配套灌溉工程建立土壤墒情监测和调控的技术方案，以满足蔬菜生长对水分的需求为目标，设定出合理的灌溉指标和灌溉制度。目前围绕蔬菜测墒自灌溉控制技术的问题，应开展如下关键技术研究工作：

4.1  开发实时精准监测土壤墒情的传感器

   实时精准掌握土壤墒情状况是调控土壤墒情的基础。土壤墒情传感器的性能是否精确稳定，使用方法及配套设施是否合理，是研究开发测墒自动灌溉控制系统的技术关键。要根据蔬菜生长特性和根层分布特点，开发性能优良的土壤墒情传感器，并选择好土壤墒情监测点，使监测结果能代表整块大田的土壤墒情状况。也要建立起与农艺技术相配套的土壤墒情实时监测与精准调控的灌溉系统，使大田灌溉均匀一致，特别要监测点的监测结果具备代表性，与整个大田浇灌状况相一致。

4.2  研究建立蔬菜测墒自动灌溉控制系统

   构建测墒自动灌溉控制系统是实现精准灌溉的途径。实时监测土壤墒情变化动态并作出相应的灌溉管理决策，用单片机等建立起具有运行能耗低、稳定性高、经久耐用等优点的田间灌溉控制系统，适合实际操作和应用。还能通过数据线等传输方式与电子计算机连接，对监测田块的土壤墒情动态进行记录、监测和远程调控等，实现土壤墒情的智能化管理。

    建立测墒自动灌溉控制系统，应严密监测土壤墒情状况，结合蔬菜生长特性及其对水分的需求设定是否需要灌溉的墒情阀值，能将土壤墒情指标调控在一定的区间范围内，保证蔬菜用水和灌溉供水的平衡。同时，控制系统应与蔬菜生长需求相结合，与农艺技术相配套，构建起实用的测墒自动灌溉控制技术体系。

4.3  完善蔬菜测墒灌溉控制技术管理体系

   适时适量满足蔬菜生长需求是精准灌溉的目标。测墒自动灌溉控制技术的创新点是能以某一土壤墒情指标为灌溉上限。过去，传统灌溉方式以灌溉下限的指标研究较多，对灌溉上限指标的研究很少，生产实际难以判定土壤墒情状况，通常以饱和田间持水量作灌溉上限。应用测墒自动灌溉控制技术，能实时精确掌握土壤墒情，明确以适宜的灌溉上限为灌溉阀值，适量灌溉，精确控制土壤墒情状况。制定出合理的灌溉指标和灌溉制度，适时适量灌溉，使土壤水分供给周期与蔬菜生长周期相吻合，充分满足蔬菜生长对水分的需求。

5  结语

    蔬菜测墒自动灌溉技术的应用，将改变传统蔬菜水分管理方式，研究实施更加精准合理的灌溉指标和灌溉制度，构建起新型高效的蔬菜节水灌溉管理模式。通过建立蔬菜测墒自动灌溉控制系统，精确调控根层土壤墒情，优化灌溉指标和灌溉制度，根据菜田土壤特点和蔬菜生长需求适时适量的灌溉，做到灌溉的数字化精准管理，能严密监控土壤墒情，严格控制灌溉上限，保证蔬菜需水与灌溉供水的平衡，营造出良好的根际土壤条件，避免人工难以判断土壤墒情造成灌溉操作的盲目性，防止过量灌溉引起的水肥流失，对改善田间生态环境、促进蔬菜生长和提高水肥利用效率都能起重要作用。