基于海棠茎干含水率的智能灌溉控制策略研究

赵燕东 郑 焱 周海洋,3 林剑辉,3 张 鑫 于福满

(1.北京林业大学工学院， 北京 100083； 2.城乡生态环境北京实验室， 北京 100083；3.林业装备与自动化国家林业局重点实验室， 北京 100083； 4.天津创世生态景观建设股份有限公司， 天津 300110)

0 引言

近年来，灌溉控制策略研究逐渐从依据土壤水分、土壤水势等间接的工程指标转移到植物本身的生理指标(如茎流、茎干直径、茎干水分等)上。植物生理参数是评价植物生理需水最直接、最准确的指标，这一观点得到国内外众多学者的认可[1-3]。其中，利用茎流计测量茎流具有较高的准确性，被广泛用于估算植物蒸腾耗水，对指导灌溉具有重要意义[4-5]。NICOLAS等[6]利用茎流计测定杏树的液流速率，以此来估测杏树蒸腾量，证实该方法与Penman-Monteith公式之间具有密切的相关性，可以用来制定杏园的灌溉策略。张亚雄等[7]利用茎流计测定了不同灌水处理下苹果树的茎流速率，并得出灌水上下限分别为田间持水量的90%和60%是适宜苹果树的灌水方案。但由于茎流计价格昂贵，难以推广普及。茎干直径的周期性变化与植物茎干内部含水率密切相关，一些学者用日最大收缩量(MDS)、日生长量(DI)和当日复原所需时间(RT)等参数诊断植物含水率的变化，为研究灌溉策略提供了新思路[8-9]。GOLDHAMER等[10]利用最大收缩量指导杏树灌溉，取得了良好的节水效果。张寄阳等[11]在不同程度的水分胁迫下分析得出，茎干直径的当日复原所需时间是适宜棉花灌溉的指标，并认为MDS和DI受多种因素影响，不适于单独作为灌溉指标。由于茎干直径变化幅度在微米之间，不仅对传感器的精确性有很高的要求，还容易受到环境因素的干扰，使其难以具有普适性。因此，寻找一种既能表征植物生理信息又易于工程实现的灌溉指标对发展节水灌溉尤为重要。

植物茎干水分是衡量植物木质部导管与韧皮细胞组织间水分交换的重要参数[12-16]。研究茎干水分变化与植物生理需水的关系对智能灌溉的发展具有重要意义，但有关茎干水分在灌溉领域应用的研究还不够深入。近年来，随着茎干含水率监测技术的不断进步，赵燕东等[17]基于驻波率原理研发出BD-IV型植物茎体水分传感器，当植物茎体直径在5.0～10.5 cm之间时，可准确检测出植物的茎干含水率。该传感器能够实现对植物茎干水分的实时、连续、无损测量，并且安装简易、适用范围广。

本文以海棠树为研究对象，以茎干含水率为研究参数，基于BD-IV型植物茎体水分传感器探究干旱胁迫下海棠树茎干含水率与土壤含水率之间的关系，确定能够表征活立木健康生长的指标阈值和适宜的灌溉指标，制定具有普适性的灌溉策略，并通过灌溉试验验证灌溉策略的有效性和可行性。

1 灌溉控制策略及系统设计

1.1 灌溉控制策略

植物遭受水分胁迫时，茎干含水率随土壤含水率的降低而降低。茎干含水率过低或下降范围过大都会影响植物的生理健康。因此，制定灌溉策略首先需设置茎干含水率下限，保证植物在经过灌溉后能够恢复到健康范围；还需考虑植株间的差异性，对于某些含水率较高的个体，需设置茎干含水率最大下降范围，避免出现下降范围过大而导致植物不能恢复到健康状态的情况。可将这两个指标作为开始灌溉的阈值。

此外，SHAHZAD等[18]指出适宜的亏缺灌溉能够提高作物的产量和水分利用效率；过高的土壤含水率会造成水资源浪费和植物根系腐烂。而植物根系缓慢吸水的生理特性决定了茎干含水率对灌溉补水的响应滞后于土壤含水率，若选择茎干含水率作为停止灌溉的指标，则会出现过量灌溉的情况。所以，应该选择适宜植物生长的土壤含水率作为停止灌溉的指标，避免过量灌溉引起水资源的浪费。

本次灌溉控制策略的制定主要遵循3个原则：①设定茎干含水率下限阈值。②设定茎干含水率最大下降范围。③设定土壤含水率上限阈值。如图1所示，灌溉控制策略具体为：当灌溉监测控制器检测到茎干含水率低于所设定的下限值或者下降范围超过所设定的最大下降范围时，控制器给相应的阀门发出启动信号进行灌溉；当检测到土壤含水率高于所设定的上限阈值时，停止灌溉。

图1 灌溉控制策略框图Fig.1 Schematic of irrigation control strategy

1.2 控制系统设计

1.2.1系统结构

智能灌溉控制系统由现场控制器、通信中转模块、上位机3部分组成。如图2所示，控制器将采集的数据打包并通过NetPort模块将RS232协议转换为TCP/IP协议，通过路由器将转换的数据包发送到上位机；上位机在解析完数据后进行判断，当达到灌溉设定阈值时向现场控制器发送启动命令，通过路由器、NetPort中转后，现场控制器接收到命令后开启相应的电磁阀进行灌溉，当检测到土壤含水率高于所设定的上限阈值时，停止灌溉。

图2 智能灌溉控制系统结构图Fig.2 Intelligent irrigation control system structure diagram

1.2.2现场控制器设计

现场控制器主要由以下硬件子模块组成：中央处理器、电源模块、数据存储模块、NetPort通信模块、时钟模块、AD采集模块和继电器驱动模块，结构图如图3所示。

图3 现场控制器框图Fig.3 Field controller block diagram

该控制器以ATmega 2560为核心；电源模块给控制器和传感器提供电能；控制器具备SD卡数据存储模块，能够实现数据的本地存储；通过NetPort模块实现232协议与TCP/IP协议的转换，再将路由器与上位机设置成相同的网段便能够实现控制器与上位机之间的通信；时钟模块采用RX8025芯片，通过I2C与单片机进行连接，保证时钟的精确性；通过AD采集模块实时获取土壤含水率和茎干含水率，

为灌溉策略提供数据支撑；继电器部分与电磁阀门相连接，通过驱动继电器控制阀门开关。

2 试验设计与方法

2.1 试验地概况

试验地位于北京市海淀区八家三顷园，地处东经116°20′，北纬40°0′，海拔约为50 m，占地面积约为30 000 m2。园内土壤质地为粘壤土，土壤容重约为1.3 g/cm3，pH值在7～8之间。平均气温约为12.8℃，年日照时数约为2 560 h，年均降水量590 mm(主要集中在夏季，约占全年的70%)。

2.2 试验设计

园内种植树龄5 a的西府海棠，茎干挺直，平均直径约为46.9 mm，主分叉距地面平均高度约为1.2 m，平均树高约2.4 m，长势良好。2019年4月初选择5棵生长状况较好的西府海棠，移栽于直径70 cm、高60 cm的花盆中，并对花盆进行覆膜处理，目的是让水分散失只通过植物蒸腾作用消耗，同时减少降雨对试验结果的影响。

设置4个处理组和1个对照组，对照组试验期间每天灌溉，处理组设置不同梯度的土壤含水率并进行干旱胁迫试验，只在规定时间进行灌溉(表1)。试验分为2个阶段：第1阶段为6月11—15日；第2阶段为6月16—25日。

处理情况如表1所示，处理1起始土壤含水率为20%，灌溉补水时间为第5天和第15天；处理2起始土壤含水率为25%，灌溉补水时间为第5天和第15天；处理3起始土壤含水率为30%，灌溉补水时间为第5天和第15天；处理4起始土壤含水率为35%，试验期间不灌溉。对照组起始土壤含水率为35%，试验期间每天灌溉。

表1 试验分组处理情况Tab.1 Group treatment of test

2.3 传感器安装与数据获取

分别于主枝杈下10 cm处安装BD-IV型植物水分传感器(0～2 500 mV，±2%)，用于监测植物茎干含水率；HYSWR-ARC型土壤水分传感器(0～2 500 mV，±2%)探针向下垂直安装于土层下10 cm处，探针有效测量深度为土表下20～40 cm，用于监测花盆内土壤含水率，安装示意图如图4所示。此外，距离海棠种植园北5 m处，使用1.2节所设计的现场控制器(试验期间灌溉控制功能不运作)，采集土壤含水率和茎干含水率。采集间隔10 min，数据通过NetPort传至上位机，同时通过存储模块存于本地SD卡中，实现数据存储双保险。为方便数据处理，后期在进行数据分析时对采集的参数采用3点均值滤波的方式简化数据样本。

图4 土壤水分传感器安装示意图Fig.4 Schematic of soil moisture sensor installation

2.4 茎干含水率标定

BD-IV型植物水分传感器输出模拟电压信号，转换成体积含水率的形式需要进行标定试验。本文参照文献[17]对松树树段进行标定的方法，从试验地截取一段直径约为5 cm的海棠树主干，长度约为10 cm；将木段完全浸入水中24 h以增加树干含水率；测得鲜木段体积V和质量M；之后将装好传感器的木段放置于恒温箱中(温度为25℃)，每隔12 h记录一次木段质量与传感器输出电压，直至总质量与电压趋于稳定后，将木段放置于干燥箱中干燥(温度为60℃)至恒质量，再记录质量与电压，标定试验进行14 d，茎干体积含水率计算公式为

(1)

式中MA——含水木段质量，g

MB——干木段质量，g

ρ——水的密度，g/cm3

V——木段体积，cm3

将含水率与电压进行线性拟合，结果如图5所示。由标定试验得到的海棠茎干含水率与电压的关系式为

图5 茎干含水率与电压的关系曲线Fig.5 Curve of relationship between stem moisture content and voltage value

StWC=0.063 6U-0.654 3 (R2=0.965 3)

(2)

式中StWC——茎干含水率，%

U——传感器输出电压，mV

R2=0.965 3，说明标定曲线的线性度较好。

为验证式(2)的可靠性，重新截取直径约为5 cm、长约10 cm的鲜木段，按照干燥标定流程将木段干燥至恒质量。记录传感器的电压和木段质量、体积。利用式(2)将电压转换为茎干含水率，并与干燥法测得的结果进行对比，如图6所示。从图6可以看出，对于所选取的木段，BD-IV型植物水分传感器利用式(2)转换后能够准确地量化木段茎干含水率。

图6 传感器与干燥法的测量结果Fig.6 Measurement results of sensor and drying method

3 结果与分析

3.1 灌溉阈值分析

3.1.1干旱胁迫下茎干含水率与土壤含水率的变化情况

如图7所示， 5组样本的茎干含水率日变化曲线与EDWARDS等[19]借助于伽马射线得到的结果非常相似，符合植物水生理日变化规律。当清晨太阳辐射(SAR)与饱和水汽压差(VPD)迅速增加时，叶片蒸腾失水速率大于根系吸水速率，导致茎干含水率开始下降，在下午达到一天中的最小值；反之，当下午SAR和VPD开始下降时，叶片蒸腾失水速率小于根系吸水速率，导致茎干含水率开始回升，在次日清晨达到一天内的最大值[20]。从曲线变化特征来看，茎干含水率的日变化曲线呈现出单波峰波谷的特点。从曲线走势分析，在整个干旱胁迫过程中，4个处理组的茎干含水率随着土壤含水率的降低均呈现出明显的下降趋势；对照组由于没有进行亏水处理，始终保持充分灌溉，茎干含水率始终保持稳定。

图7 茎干含水率与土壤含水率关系曲线Fig.7 Diagrams of relationship between stem moisture content and soil moisture content

从图7可知，在第1阶段(6月11—15日)，处理组1、2、3的茎干含水率最低下降到43%左右，在6月15日灌溉补水后，茎干含水率迅速升高，并且日变化曲线始终保持单波峰波谷的特点。

第2阶段(6月16—25日)，由于干旱持续周期变长，茎干含水率下降趋势更为显著。在6月20日以后，下降趋势变缓，这可能是由于植物体内水分已经下降到较低水平，植物自身开启了自我保护机制，通过关闭部分叶片气孔和木质部导管降低蒸腾作用来减少水分的散失，从一部分叶片、树枝枯萎也可以看出；此外，处理3的日变化曲线从单波峰波谷变成了双波峰形式，说明缺水已经打破了植物的生理平衡，健康已经受到了威胁。在6月25日灌溉后，各样本对灌溉补水的响应程度发生了明显的变化：处理1和处理3的起始茎干含水率分别为55%和50%，在补水后茎干含水率分别迅速恢复到51.9%和48.4%；而处理2的起始茎干含水率为53%，在补水后仅恢复到48.4%，于补水后的第2天(6月26日)夜晚才恢复到起始水平，所需时间比处理1和处理3更长。可见，植株间具有明显的差异性。

处理4在整个试验期间没有灌溉，可以明显看出处理4的茎干含水率不断下降，最低下降到20%；且日变化曲线从单波峰波谷变为双波峰，最后变化为单波峰。树的所有枝干与叶子均萎蔫枯干，说明处理4 的海棠树样本已经濒临死亡。

在试验期间，茎干含水率的日极差发生明显变化(图8)。从图8a～8c可以看出，试验第2阶段(6月16—25日)干旱胁迫共持续10 d，处理1、处理2和处理3的茎干含水率日极差总体呈现变小的趋势，再次证明植物在缺水状态下，通过关闭部分木质部导管束来降低蒸腾作用，以此减少水分散失的自我保护机制；处理4试验期间不灌溉，图8d为处理4在整个试验期间(6月11—25日)茎干含水率日极差的变化情况，从图8d可以看出，干旱胁迫持续到第10天(6月20日)前的变化规律与处理1、处理2和处理3相同，但从第10天起(6月20—25日)，茎干含水率日极差呈现增大的趋势，说明处理4的海棠样本由于干旱胁迫程度的加深，自我保护机能减弱，已经逐渐丧失了对体内水分的调控功能。

图8 干旱胁迫下茎干含水率日极差变化曲线Fig.8 Diurnal variations of stem moisture content under drought stress

3.1.2茎干含水率阈值确定

试验中观察到的海棠树外表变化见图9。图9a为试验第1阶段末、处理2的样本外观图，由于第1阶段干旱胁迫周期为5 d，海棠树遭受的干旱胁迫程度较低，截止到6月15日灌溉补水时仅有少部分枝叶出现萎蔫现象。图9b为处理2在试验第2阶段末的外观图，可以看出由于第2阶段遭受干旱胁迫的时间长达10 d，在6月25日灌溉补水时，有较多的枝叶出现萎蔫。从保障植物观赏性的角度来选择，以第1阶段作为灌溉阈值的节点更具合理性。

图9 树枝树叶萎蔫情况Fig.9 Withering of branches and leaves

根据试验结果、结合图9和图7，将干旱胁迫第1阶段作为研究的节点，茎干含水率如表2所示，5个样本的茎干含水率最小值约为43%；下降值在12%以内；并且第1阶段海棠树仅有极少部分的枝叶出现萎蔫情况。满足一般灌溉策略制定的要求。因此，选取茎干含水率下限值43%和最大下降值12%作为开始灌溉的阈值。

表2 干旱胁迫第1阶段茎干含水率Tab.2 Changes of stem moisture content in early stage of drought stress %

3.1.3土壤含水率阈值确定

土壤含水率对于灌溉补水的响应速度快于植物茎干含水率，茎干含水率通常会在灌溉后的次日凌晨达到峰值，若以茎干含水率作为停止灌溉的指标，则会出现过量灌溉的情况，因此可以设置适宜海棠树生长的土壤含水率作为停止灌溉的指标，以达到节水灌溉的目的。

处理4没有进行灌溉处理，模拟盆栽海棠树从正常生长到干旱死亡的生理过程，随着土壤含水率的减少，干旱胁迫程度逐渐加重，茎干含水率逐渐降低。为了探究适宜海棠树生长的土壤含水率范围，统计该样本的茎干含水率与土壤含水率，样本数量为768。并对土壤含水率与茎干含水率进行相关性分析，如图10所示，得到茎干含水率与土壤含水率的关系式为

图10 适宜海棠生长土壤水分阈值Fig.10 Soil moisture threshold suitable for growth of crabapple

(3)

式中SWC——土壤含水率，%

R2=0.918 3，说明拟合度较好。

开启阀门灌溉的下限阈值是茎干含水率低于43%，处理4样本在干旱胁迫试验前的日平均茎干含水率约为50%，根据式(3)，结合灌溉的下限阈值，当茎干含水率在43%～50%时，土壤含水率在21%～33%。所以，对于盆栽海棠样本，需保证茎干含水率在50%以上，土壤含水率需达到33%以上。

3.2 验证实例

从7月11日开始，根据茎干含水率下限值43%和最大下降值12%两种指标分别选取样本树进行实验验证。海棠树1是依照茎干含水率下限值进行灌溉，海棠树2按照茎干含水率下降范围进行灌溉。

图11为海棠树1茎干含水率与土壤含水率的变化曲线。从图11可以看出，茎干含水率最大值在52%左右，于7月16日15时到达最小值42.91%，低于设定阈值43%，控制器驱动电磁阀进行灌溉，土壤含水率从15.95%上升到33.80% 。茎干含水率在次日凌晨达到峰值点，说明植物恢复到健康水平。该试验过程通过从树外表观察：仅有极少部分树叶有萎蔫现象，个别细小树枝有缺水现象，树的整体长势良好，有许多新生嫩叶长出。证明按茎干含水率43%作为灌溉下限、土壤含水率33%作为灌溉上限的灌溉策略具有可行性。

图11 按茎干含水率最小值灌溉相关参数变化曲线Fig.11 Changing curves of relevant parameters of irrigation according to minimum stem moisture content

图12为海棠树2的茎干含水率和土壤含水率的变化曲线，树2的茎干含水率最大值为56.94%。由图可知，在7月16日15时茎干含水率达到最小值44.52%，下降值达到12.42%，超过设定值12%，控制器驱动阀门进行灌溉，土壤含水率从15.7%升至33.6%。茎干含水率在7月17日凌晨达到峰值，整体呈上升趋势。外表与树1相同，长势良好，树枝、树叶萎蔫状况占极少数。证明按茎干含水率下降值不超过12%作为灌溉下限、土壤含水率33%作为灌溉上限的灌溉策略同样有效可行。

图12 按茎干含水率下降范围灌溉相关参数变化曲线Fig.12 Changing curves of irrigation related parameters according to reduction range of stem moisture content

在实际制定灌溉策略时，将两种指标相结合可以保证灌溉策略的普适性，对于耐干旱树种，可以选择茎干含水率下限值作为灌溉指标；对于树干直径较大、茎干含水率较高的树种，优先选择茎干含水率下降范围作为灌溉指标。

4 结束语

基于BD-IV型植物水分传感器分析了干旱胁迫下海棠树的茎干含水率变化规律，提出了以茎干含水率43%和茎干含水率最大下降值12%为下限阈值、土壤含水率33%为上限阈值的灌溉策略，并利用所设计的灌溉控制系统验证了该灌溉策略的有效性，结果表明，该灌溉控制策略能够满足海棠树的生命需水，可为有关活立木灌溉控制研究提供新思路。