基于线性拟合的肥水耦合控制优化设计

刘静瑞,潘东阳

(信阳职业技术学院,河南 信阳 464000)

0 引言

黄瓜作为深受群众喜爱的蔬菜,在我国种植分布广泛,且种植量巨大[1]。由于其产量较高,在初花期到采摘末期需要频繁进行浇水、施肥工作[2-3]。目前,黄瓜的肥水补充主要采取先施肥后漫灌形式进行,不仅造成是水资源浪费,也导致施肥不均匀[4]。为了实现黄瓜的稳产增产,迫切需要一种水肥耦合控制系统,实现自动化种植,在提高黄瓜产量的同时降低工作强度[5]。目前,自动补水系统主要原理为土壤湿度传感器+喷淋模式[6],需要布设土壤湿度传感器网络,成本高昂[7],同时检测取样只是传感器探头处土壤湿度,没有考虑土壤深度对土壤湿度的影响[8]。肥料对于黄瓜产量影响主要集中于不同氮、磷、钾肥,没有考虑肥料与土壤湿度的耦合对于黄瓜产量的影响[9]。本系统采用虹吸原理[10],将供水盘和管路埋于土壤中,通过调整吸水管下端到混肥池指定液位之间的高度差h控制负压,进而控制土壤湿度,探究高度差h和土壤湿度之间的关系、土壤深度对于土壤湿度的影响,以及肥水耦合对于黄瓜生长过程中叶片,光合与蒸腾作用和根系的影响。对系统进行测试,检测土壤湿度保持性能,探究肥水耦合对于黄瓜产量和商品率的影响,促进黄瓜稳产高产。

1 系统组成

肥水控制系统采用负压虹吸原理设计,由混肥池供水池、负压控制管、集气桶和灌溉系统组成,如图1所示。自来水通过供水电磁阀后进入混肥池供水池,内部的液位传感器检测水位。当水位低于预先设定值时,供水电磁阀开始向混肥供水池放水;当液位传感检测水位上升到设定值时,供水电磁阀关闭。将指定质量的化肥放入混肥池溶解,向植物供给肥水混合液。负压控制由压力控制电推杆、控压管和吸水管组成。电推杆控制吸水管下端到混肥池指定液位之间的高度差h,进而控制负压强度。集气桶由水位观察管、上端放气加水阀组成。灌溉系统由输水管和供水盘组成,埋于温室土壤中。其中,供水盘由透水陶瓷制成,内部为中空腔体,在土壤中倾斜放置,目的是使其中残余气体有效地排到集气桶中。

图1 系统组成图Fig.1 Structure of system

系统工作流程为：①关闭集气桶下端控制阀,向集气桶和灌溉系统中注水。②打开集气桶和灌溉系统中间控制阀,供水盘中残余气体排到集气桶,待集气桶液面稳定,此时由于土壤基质势的作用,供水盘中液体缓慢渗入土壤,土壤到集气桶连通。③通过吸水管向控压管注水,电推杆控制吸水管下端到到混肥池指定液位之间的高度差h,将产生负压强P即P=ρgh。负压强P用于平衡土壤吸水作用,通过改变负压强P进而改变供水量,对土壤湿度进行控制,打开控压管和集气管之间的控制阀,此时整个系统连通。④液位传感器检测混肥供水池水位,对供水电磁阀进行控制,确保混肥供水池水位恒定。

2 供水土壤湿度模型

负压供水系统通过控制吸水管下端到混肥池指定液位之间的高度差h,建立负压P,进而控制土壤湿度。现讨论：负压P和土壤保持湿度之间的关系,土壤湿度随土壤深度的变化关系。黄瓜整个生长周期分为苗期、初花期、采收初期、采收盛期和采收末期等5个时期[11]。通过调整高度差h,建立不同负压P,分别在苗期、初花期和采收末期检测不同供水压力下的土壤含水量,结果如图2(a)所示。由图2(a)可知：不同生长时期,供水压力与土壤含水量模型一致,即不会对模型产生影响。现探究黄瓜生长的3个不同时期土壤湿度y与供水负压力P规律,并对其进行线性拟合,即

y=-2.379P+42.336

(1)

因负压大小与吸水管下端到混肥池指定液位之间的高度差h成正比关系,因此可得到高度差h和土壤控制湿度y成线性关系,即

y=-2.379ρgh+42.336

(2)

负压供水系统控制下土壤湿度随土壤深度的变化,结果如图2(b)所示。由图2(b)可知：在相同深度情况下,随着供水负压的增加,土壤湿度下降,且不同负压曲线近于平行,验证了负压和土壤湿度成线性关系的结论;在同一负压下,随着土壤深度的增加,土壤湿度随着提高,且总体上成线性关系。这是由于土壤表层的蒸腾作用强于底层土壤;同时,在重力的作用下,水分向底层土壤渗透。

3 肥水耦合模型

水分和化肥供应对于黄瓜生长至关重要,二者的配比关系会影响到黄瓜的光合作用及生殖生长过程中果实的健康成长[9]。为此,分别对应肥水不同耦合情况下黄瓜叶片数目、光合作用与蒸腾作用和叶片中叶绿素含量进行讨论,探究黄瓜最适合的肥水耦合情况。现将水分与化肥供应进行3因素3水平试验。试验中,化肥N、P、K分别选用CO(NH2)2、NH4H2P04和K2S04,将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,通过供水系统进行追肥。试验供水负压与化肥用量设定如表1所示。7月6日播种黄瓜,7月28日黄瓜幼苗生长成形,30日进行间苗,9月2日—10月10日对黄瓜进行采摘,10月12日拉秧。

表1 肥水耦合实验设置Table 1 Experiment setup for water and fertilizer coupling

3.1 水肥耦合对黄瓜叶片发育的影响

植株在苗期和初花期生长发育主要以叶片生长为主,肥料元素主要流向叶片。由于黄瓜植株叶片是进行光合作用和蒸腾作用的场所,叶片的数目直接影响植物的光合作用[12]和蒸腾作用,进而影响黄瓜的品质与数量。从苗期到采摘盛期不同肥水耦合对于黄瓜叶片数目的影响如图3所示。

图3 肥水耦合对植株叶片数目的影响Fig.3 The effect of water and fertilizer coupling on number of leaf

7月31日—8月20日黄瓜处于苗期到初花期,期间除W3F3组合外,其余组合曲线相对集中,表明在该区间黄瓜对于水分和肥料的需求量较小,二者相较,土壤水分是主要制约因素。从8月20日—9月4日的初花期到采摘初期过程中,叶片增长速度下降,表明植株开始向生殖生长转变。W1>W2>W3,各组中F3>F2>F1,表明在该区间内植株生长对于水分和肥料的需求均较高,但水分的需求高于肥料;从9月4日—9月21日采摘期内,各曲线的间距扩大化,且斜率更小,表明该时期植株对于水分和肥料的需求最高,且以黄瓜生长为主,叶片生长处于逐渐萎缩的状况,要及时对黄瓜进行补水施肥,确保稳产高产。

3.2 水肥耦合对黄瓜光合作用和蒸腾作用的影响

黄瓜通过光合作用将CO2和水化肥元素合成有机物[13],光合作用的强弱直接影响黄瓜的植株和果实成长[14];蒸腾作用将黄瓜生长所需的化肥元素在水为载体的作用下,从黄瓜根部运输到叶片和果实处,直接影响营养物质的运输。通过检测温室中CO2浓度变化表征光合作用强度,监测温室中湿度变化表征蒸腾作用速率,结果如图4所示。

图4 水肥耦合对黄瓜光合作用和蒸腾作用的影响Fig.4 The effect of water and fertilizer coupling on photosynthesis and transpiration

由图4可知：光合作用速率和蒸腾速率变化趋势一致,即两者作用对于肥水耦合的反馈相一致;在相同的化肥施加情况下,随着供水负压的增加,两者速率均呈现下降趋势,表明在不同的化肥施加条件下,提高水分供给可以增强光合速率与蒸腾速率;W1和W2供水负压条件下,水分供应充足,随着肥料浓度的提升,光合速率与蒸腾速率增强,在W3供水负压情况下,黄瓜供水不足,提高肥料供给,光合作用和蒸腾作用速率均降低,是由于过高的化肥浓度损害了黄瓜根系。

3.3 水肥耦合对黄瓜根系的影响

黄瓜根系起到吸收水分和肥料成分的作用,然后通过蒸腾作用运输到植株叶片和果实处,根系的发育程度直接影响黄瓜养分和水分的吸收作用[15]。在负压W1时,植株供水充足,随着肥料用量的增加,根系质量随着提高;在负压W2时植株供水较充足,随着肥料用量的增加,根系质量随着提高;在负压W3时,水分供应不足,根系质量会随着肥料用量的增加而减少,同时W1F3根系发育弱于W2F3,表明根系发育对于肥料与土壤水分配比较敏感,土壤水分中肥料浓度过大会抑制黄瓜生长。因此,在施肥过程中的土壤水分含量较高时,可适当增加化肥用量;当土壤水分含量较低时,应适当减少化肥用量,如图5所示。

图5 水肥耦合对黄瓜根系的影响Fig.5 The effect of water and fertilizer coupling on root system

4 系统测试

肥料溶液在混肥池中,随负压供水系统进入土壤,在肥水耦合时,只有在水分充足的前提下,增加肥料用量才促进黄瓜生长,因此保持土壤水分含量是实现黄瓜增产的关键。在水分充足的前提下,探究适当的肥水耦合条件,实现黄瓜的稳产增产。由于负压系统吸水管下端到混肥池预定液位之间的高度差h和土壤湿度成正比关系,因此测试系统稳定性能。从7月31日—8月9日期间,土壤湿度波动如图6所示。在8月5日出现最大偏差,土壤湿度为19.1%,10天内相对误差控制在4.5%之内,表明系统具有较高土壤湿度保持性能。

图6 土壤湿度保持性能Fig.6 Soil moisture maintenance performance

肥水耦合性能探究肥水配比可以使黄瓜实现增长效果,将单3个黄瓜质量和商品率作为判定标准。不同的肥水耦合情况下黄瓜单果质量如图7实线所示。在W1、W2水分充足情况下,单果质量随着肥料的增加而增加;在缺水的情况下,单果质量随肥料用量的增加呈先增大后减小趋势。而黄瓜商品率在水分充足时保持稳定,当水分降低时商品率逐渐降低。综上所述,单果质量随土壤中化肥与水分配比,呈先增大后减小趋势,因此在水分较高时可适当增加肥料用量,当水分较低时,减少肥料用量。商品率随水分含量的降低而降低,因此在采摘结果时期,应保持较高的土壤湿度,提高黄瓜商品率。

图7 肥水耦合性能测试Fig.7 Test for water and fertilizer coupling

5 结论

基于负压虹吸原理,设计了肥水自动控制系统,同时研究肥水耦合对于黄瓜植株生长及果实的影响规律,促进黄瓜稳产增产。通过调整吸水管下端到混肥池指定液位之间的高度差h,控制负压大小,进而调整土壤湿度。系统土壤湿度和控制负压成线性关系,由于控制负压与高度差h为正比关系,因此土壤湿度和高度差h成线性关系,同时土壤湿度与土壤深度亦成线性关系。肥水耦合对于黄瓜叶片生长的影响：水分含量为主导因素,在水分充足的情况下,提高施肥量,有助于植株叶片发育;肥水耦合对于黄瓜光合速率与蒸腾速率影响：水分充足情况下,增加肥料有助于提高光合速率和蒸腾速率;水分不足情况下,增加化肥用量,光合速率和蒸腾速率均下降,肥水耦合对于黄瓜根系影响也呈现上述规律。对系统进行10天湿度保持试验,最大相对误差为4.5%,保湿性能良好。肥水耦合对于黄瓜果实的影响：水分充足情况下,增加肥料有助于提高黄瓜单果质量,水分不足情况下,增加化肥用量,单果质量下降,表明土壤中水中肥料浓度由低到高,对于黄瓜果实生长,成先促进后抑制作用。因此,保持适当浓度的肥水充足供应,可促进黄瓜增长。黄瓜商品率随土壤湿度下降而降低,对于肥料浓度不敏感,因此在黄瓜采摘时期要保证充足水分供应。