蔬菜精准自动灌溉技术模型应用研究进展

曹 健，张白鸽，陈 潇，宋 钊，余超然，何裕志

（广东省农业科学院蔬菜研究所/广东省蔬菜新技术研究重点实验室，广东 广州 510640）

水是作物生长不可或缺的基本要素，也是农业生产过程中最大量的投入品，土壤水分管理对作物优质高效生产、减少水肥流失和改善农田生态环境有重要作用。我国蔬菜生产种植规模大，复种指数高，用水量大，蔬菜产区往往集中在工农业生产比较发达、水资源供需矛盾比较突出的地区，实施精准高效的蔬菜节水灌溉技术不仅对缓解水资源短缺有重大意义，还能够合理调控蔬菜生长发育，提高蔬菜产量和品质，保障城乡居民蔬菜有效供给及其对优质蔬菜产品的消费需求。近年来，农业节水灌溉技术通过多学科的交叉、融合和集成，从多角度开展了大量的研究工作，开发应用了一批先进的节水灌溉设施装备，建立起多种节水灌溉决策模型，在土壤墒情监测预报、合理灌溉指标等方面获得了可喜的进展，逐步成为水资源节约高效利用的重要技术手段，为作物精准灌溉及其高效用水提供了技术保障［1-3］。蔬菜根系分布浅，水分管理要求勤施薄施，频繁灌溉，但蔬菜生长过程中土壤墒情却难以精准监测和调控，灌溉量不容易掌握，普遍存在盲目粗放灌溉，灌溉不足或灌溉过量的问题，灌溉不足必然影响蔬菜生长发育，降低蔬菜产量和生产效益；灌溉过量则造成水肥流失浪费，根系生理伤害、生态环境破坏以及蔬菜生产损失等一系列的问题，生产上亟待根据蔬菜需水规律构建精准高效自动灌溉控制技术措施。为此，蔬菜精准自动灌溉要按照水分传输模型结合具体气候条件提出各个水分传输界面的量化管理技术方案；同时根据根层土壤特性制定出土壤墒情精准管理的灌溉指标和灌溉制度；结合蔬菜生产对产量和品质的要求适时适量精准灌溉，调控植株生长发育。针对菜田土壤自动灌溉的技术需求，本文在系统分析根际土壤墒情管理技术的理论基础上，探讨应用蔬菜自动灌溉控制的设施装备及其调控土壤墒情的技术方法，认为蔬菜灌溉应根据菜田土壤水分传输模型建立土壤墒情精准管理的自动灌溉控制系统设施；根据蔬菜生长规律及其对水分的需求，研究建立精准调控根际土壤墒情的适时适量合理灌溉技术方案，制定完善的土壤墒情量化管理指标和管理制度等，集成标准化、自动化、数字化、智能化的精准自动灌溉设施装备及其管理决策在蔬菜生产的应用，同时，建立菜田土壤水分生态管理的蔬菜节水灌溉生产模式，为土壤墒情精准高效管理和蔬菜节水灌溉提供技术支持［4］。

1 蔬菜自动灌溉控制技术理论模型

目前农业灌溉技术理论模型有很多，如SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系统理论模型，完整阐述了农田水分循环及其能量平衡的问题；测墒自动灌溉控制系统理论模型，根据土壤墒情指标作为灌溉管理的依据，建立较完善的根际土壤墒情管理技术体系；根据作物水分亏缺反应的形态特征和生理指标作为灌溉依据，建立水分管理模型，能为调控作物产量和品质提供有效途径。

1.1 基于SPAC 水分传输理论的灌溉模型

当代研究土壤水分循环和平衡，以Philip［5］1966 年提出的SPAC 系统即土壤-作物-大气连续体为基础。SPAC 系统模型将“土壤-植物-大气”视作一个系统的动态连续体，综合分析地下水、地表水、土壤水、植物水和大气水之间的转化过程，采用定量的方法弄清植物所需的水分及其在运输、转化过程中能量传递的基本框架和动态模型［6］。该系统模型根据作物种类、土壤类型、气候因子及其生态环境，分析涉及系统水分运移各个要素变化的参数，阐明在植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制，建立起系统内水分平衡的模拟模型。该系统模型各层次的水分传输介质不同，界面不一，其水流过程就像链环一样，互相衔接，以水势作为主要驱动力，将不同界面、不同介质的水分运动联系整合形成统一连续体，为系统水分及能量循环和转化提供了可以量化分析的依据［7］。基于SPAC 系统模型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土壤水分状况能够作出土壤墒情预测预报和灌溉管理决策。

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，应用集成化、智能化的控制技术及设备，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，能够根据计算出来的灌溉指标做出农田灌溉管理决策［8］。在旱地作物和林地作物的模拟模型中获得成功验证，为干旱预测及灌溉决策提供依据，已在我国小麦、玉米、果树和林地作物的灌溉管理中推广应用［9-12］。

基于SPAC 系统灌溉决策系统所涉及的参数众多，包括阳光、降雨、风速、空气湿度等众多条件因子，需要分别合理设置各种传感器并将其参数传输到计算机终端综合处理，对土壤墒情进行模糊计算并转化为灌溉决策方案。由于该系统模型是一个涉及多因素的开环控制系统，灌溉与土壤墒情指标没有形成真正意义的闭环控制，是用气象信息估算间接调控土壤墒情的灌溉管理指标，系统模型复杂庞大，其中气象、土壤、地形等诸多因子错综复杂，变化多端，难以设计和精确定义，各个因子是否完整、每个因素的参数和权值是否准确，以及各个因子自然变化引起系统的误差等，都会影响灌溉决策是否符合作物生长的实际需求，模型的实际应用有一定局限性［13］。在作物需水特性不同、根系结构和分布特征有差异、具体田块的作物对水分需求有差别时，灌溉指标与土壤墒情指标和植物需水的生理参数难以设计形成反馈装置，特别是对于生长迅速、需水量大、灌溉频率高的蔬菜作物较难精准模拟出实际的水分平衡状况，难以对菜田土壤墒情进行精准管理。

1.2 基于根层土壤墒情指标的自动灌溉控制系统模型

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，其关键技术是调控根层土壤墒情以满足作物生长对水分的需求，制定科学合理的灌溉技术方案。土壤-根系界面是SPAC 系统中重要的子系统，植物体主要从根层土壤中吸收水分，并将土壤水转化为植物水，根区土壤墒情指标及其能量状况，决定了根系吸水的难易以及其后续的水分运输、转化和叶片蒸发等复杂过程。测墒自动灌溉控制系统是在通过监测作物根层土壤具有代表性的墒情指标，掌握土壤墒情动态变化的基础上，建立土壤水分供给和作物水分需求协调一致的自动灌溉控制系统。该控制系统直接关注土壤墒情状况，将土壤墒情参数传输到计算机直接转化为灌溉的命令，实时调控土壤墒情状况，可分别由单片机、PLC 控制器、PCU 控制器等调控和管理土壤墒情［14］，也可以几种控制器集成应用共同调控土壤墒情，如用单片机和PCU控制器联接，对土壤墒情进行实时监测和调控［15］。

密切关注根区土壤水分动态，根据根区土壤墒情建立起监测和调控土壤水分的测墒自动灌溉技术体系，是目前智能灌溉的研究热点。何蕾［16］建立了围绕土壤层进行闭环灌溉的测墒自动灌溉管理系统，可以自动、实时、精准测量土壤状况，为系统提供可靠、客观、精确的灌溉方案；建立以根层土壤墒情指标为基础的闭环式灌溉系统，可以精准控制土壤水分状况，减少渗漏，维持植物生长最旺盛所需要的最佳土壤含水量，从而最大限度的保证作物旺盛生长及提高水分利用率。

测墒自动灌溉控制系统模型只关注土壤墒情管理，将土壤墒情作为灌溉决策唯一指标，从源头抓住了蔬菜水分需求与土壤水分供给的关键点，能通过量化的精准灌溉管理措施，将土壤墒情调控到适宜蔬菜生长理想状态，在节水灌溉管理和蔬菜优质高效生产中逐渐表现出较大优势。

1.3 基于作物水分亏缺反应的灌溉系统模型

根据作物水分亏缺反应的生理指标和形态特征，作为判断作物水分需求状况诊断指标，能更真实地反映作物的水分需求状况。因此，通过定量检测作物生理指标和形态特征，生理指标包括细胞液浓度、叶水势、气孔开度、气孔导度、叶气温差等，形态特征包括叶片扩展速率、叶角度、茎杆直径、果实增长量等，按照作物相关指标及其生存阀值的要求，将这些指标转化为作物水分需求信号，建立灌溉控制系统模型，对作物体内水分状况实行调控，可调节作物生长发育和生理活动状态，调控作物的产量和品质，实现高效用水的目的。

赵燕东等［17］系统研究和对比分析了植物水分实时、在线、无损检测的方法，从植物生理指标和形态特征两方面着重论述植物水分胁迫检测方法的研究进展，指出基于植物生理指标的水分胁迫检测方法具有较高的检测精度，能够较准确判断植物的需水信息。高晓红等［18］基于作物叶片、茎杆、果实的水分亏缺反应作为精准调控作物生长的依据，设计制作了新型智能节水灌溉系统；通过研制高精度电阻应变式和差动电感式叶片厚度传感器、微米级4 通道便携式叶片厚度测量仪，以作物叶片厚度等性状和特征作为反馈控制参数，从而提高控制精度，实现精准灌溉。

基于植物形态特性的水分胁迫检测方法具有无损、快捷、操作简单等优点，但有些指标检测误差相对较大，还有些仪器存在难以安装、难以自动化测量等问题。有些方法还会干扰植物生长环境，对植物具有不同程度的损伤，指标难以实现自动化连续实时监测。实际上，植物被监测的组织在吸收利用土壤水分时有一定的滞后性，以作物水分亏缺指标为核心水分循环系统在生产应用上有一定的局限性，建立实时在线闭环控制系统仍不现实。但基于作物生长相关的具体水分亏缺指标能精确掌握植株生长状态，仍是有效调控生长发育的途径。

2 蔬菜精准自动灌溉控制技术原理及应用

水分既是作物生长重要的环境重要因子，也是影响环境温度和湿度的重要因素。作物任何性状都是其特征特性与环境互相作用的结果，蔬菜灌溉管理要符合蔬菜的特征特性及其生长发育时期对水分的需求，结合气候条件和土壤特性等对菜田土壤墒情进行量化管理，促进植株同化物的形成和积累，达到提高蔬菜品质和产量的目标。

2.1 按照水分传输模型提出量化管理技术方案

蔬菜水分管理应针对蔬菜品种及其生育期的生长特性提出个性化的精准管理指标，结合气候环境因子和土壤性质制定精准灌溉技术方案。根据SPAC 水分传输理论，水分传输过程可以用“水势”的能量指标分析水分循环的全过程，即如何从根际土壤等环境中吸收水分，以及如何将水分转化和蒸发到空气中，如何维持作物正常生长和生理代谢、矿质元素吸收利用，全面解析土壤-植株-大气的水分能量指标和动态平衡状态。

由于不同种类、品种的蔬菜的需水特性差别很大，根系结构和分布特征也完全不同，而且蔬菜生育期短，植株生长快，不同生育时期需水量和蒸腾量变化很大；同时，蔬菜生产要求产品均衡上市，基地种植的蔬菜特意错开播种期，不同地块蔬菜的生育期不一致，使生产基地不同地块灌溉量不一致。因此，灌溉管理必须针对每个具体田块制定合理的灌溉技术方案，从土壤墒情及其水分能量指标，结合气候条件和蔬菜生长特性，以提高产量和品质为目标，全面分析水分运移的规律性，构建系统化、数字化的水分传输动力学模型，从微观的、多角度深入分析蔬菜水分运移规律，掌握土壤-植株-大气的每个界面水势的能级指标，通过各个界面水分能级状态的量化管理，建立一套促进蔬菜生长发育、保证蔬菜优质高效生产的精准灌溉技术方案［19］。

2.2 根据根层土壤墒情提出精准灌溉管理指标

土壤墒情状况决定了土壤水分的势值，决定根系吸水的难易程度，蔬菜生产上必须根据植株根层土壤墒情精准灌溉。在不同的土壤含水量的情况下，土壤对水分的吸附能力是不同的。在饱和土壤含水量的状态下，纯自由水的水势值（能量）为0，为最大值；随着土壤水分含量的降低，土壤间质对水分的吸附力越强，水分的势值就越低，这一势值由土壤间质的吸附作用而产生，称为间质势，其势值为负值。蔬菜灌溉实际上是将根层土壤的水势值调控到容易被植株根系吸收的范围内。由于蔬菜根层分布浅，特别是叶菜类蔬菜集中分布在薄薄的表土层，能被吸收利用的土壤水分存量小，而蔬菜生长过程需水量多，水分供需矛盾比较突出。因此，蔬菜灌溉必须采取勤施薄施的方式，通过适时适量精准灌溉，调节根层土壤的间质势，将根层土壤墒情调控到理想状态。

值得注意的是，施用无机肥料对水分的溶质势有很大影响。所谓溶质势是指溶质溶解于水中产生的势值，是可溶性盐溶于水成为离子后，离子吸引水分使周围的水分重排和势值降低的现象。溶质势的大小等于溶液的渗透压，但符号相反。无机肥料属于溶质，溶于水分时溶质势随着溶液浓度的增加而下降，因此，过量施用无机肥料必然使溶质势下降，严重时引起土壤盐渍化及伤害植株根系。目前水肥一体化技术在生产上普及应用，解决了水肥施用需要勤施薄施的技术问题，基于溶质势的管理对根际土壤离子浓度进行调控，在精准灌溉技术中具有重要意义。

决定土壤总水势的因素除了间质势和溶质势外，还有压力势和重力势，这些因素共同构成土壤水分总的能量水平。在生产过程中，水肥施用直接影响土壤水分的势值，灌溉提高土壤水分的间质势，对促进植株生长起决定性作用；施肥能降低土壤水分的溶质势，对调控植株生长有很大作用。水肥管理不仅影响植株生长发育，同时表现出极强烈的水肥耦合作用，对水肥供给进行量化指标管理对促进植株生长发育和物质积累有重要作用［20］。

2.3 根据蔬菜生长发育需求调控水分管理措施

灌溉极显著影响蔬菜生长，对增加产量、提高品质等起关键作用。研究表明，作物在水分缺乏时，植株体内会适应缺水环境，形成相应的水分平衡状态，如主动积累氨基酸和可溶性糖等物质，增加细胞液浓度，提高作物吸收水分的能力。目前在节水灌溉方面开展了大量非充分灌溉的技术研究，掌握土壤特性和持水能力的基础上，通过应用调亏灌溉技术调控土壤水分，提高作物产量和品质，建立蔬菜节水节肥、优质高效的水肥管理技术方案，提高水肥利用效率［21］。如番茄果实的可溶性糖、可溶性固形物含量随着灌溉量的降低而增加，即随着土壤水分含量的减少而增加［22-23］。试验表明，不同灌溉上限对蔬菜生育期等有极显著影响，引起不同器官生长速度的差异，其农艺性状、物质积累以及水分和养分的吸收利用均有极显著变化［23-27］。

应用节水灌溉技术能够调控蔬菜生长发育，不仅能提高水分利用效率和产量，对产品品质也具有精准的调控作用。在目前人民生活日益改善，对优质蔬菜产品需求不断增加的条件下，应针对蔬菜产品品质调控开展节水灌溉技术研究，结合蔬菜品种特性配套相应的节水灌溉管理技术方案，建立精准灌溉、优质高效的蔬菜产业生态发展模式。

3 蔬菜精准自动灌溉技术关键措施

精准自动灌溉技术既要根据蔬菜需水特性和栽培模式，构建土壤墒情调控的系统装置，解决蔬菜需水量大，生长过程要求频繁灌溉、勤施薄施的问题；也要提出适时适量精准灌溉指标，解决灌溉过程中土壤墒情难于精准监测和调控的问题；同时，要建立完善的灌溉管理决策，解决自动灌溉管理与农艺技术相符合的问题。

3.1 构建完善的土壤墒情管理系统装置

蔬菜精准自动灌溉管理的目标是实现高效用水、合理灌溉、提高水肥利用效率，技术关键是根据蔬菜生长需求建立精准调控菜田土壤墒情的自动灌溉管理系统装置。通过实时监测土壤墒情变化动态，将土壤墒情信息通过数据线或无线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、监测和实时调控等，实现土壤墒情的智能化、数字化精准管理。

3.2 制定精准调控土壤墒情管理指标

实时精准掌握土壤墒情状况是调控土壤墒情的基础。土壤墒情动态与土壤含水量、土壤质地、地下水位等多个因素有密切的关系。由于肉眼难于精准判断根层土壤墒情指标，灌溉量不容易掌握，因此土壤墒情管理首先要根据蔬菜生长特性和根层分布特点，开发应用精确度高、反应灵敏、稳定性好、使用方便、性能优良、能实时监测土壤墒情的传感器。同时，要选择具备代表性的土壤墒情监测点，保证监测点的墒情状况与整个大田浇灌状况一致，发挥自动灌溉的优良性能。韩红亮等研究了蔬菜大棚墒情传感器在垂向上的代表性问题，发现10～16 cm 深度区域的土壤含水率基本能够代表根系层的平均含水率，认为蔬菜大棚内10～16 cm 的深度范围比较适合布置墒情传感器［28］。另外，要通过合理安排喷头、滴头等灌水器，配套合理的灌溉方法和农艺技术，使田间生长的每株作物均匀浇灌，灌溉的均匀系数至少在0.8 以上。

过去由于难以判定土壤墒情指标，节水灌溉研究方法主要着重于作物需水的灌溉下限和灌溉定额指标，原则上将灌溉上限控制在田间持水量的范围内，在生产上起到一定作用［29］。应用测墒自动灌溉控制技术，采用农业物联网、传感器、计算机等技术设计土壤墒情监控系统，实时监测土壤墒情指标，通过反控节点控制灌溉设施启停，构建操作方便、性能可靠、精准调控根际土壤墒情灌溉控制系统，实时监测土壤墒情状况，精准掌握灌溉上限指标，建立基于灌溉上限的土壤墒情实时监测和自动灌溉管理决策系统，能严密监控土壤墒情阀值，严格控制灌溉上限指标，将土壤墒情指标调控在合理的区间范围内，保证蔬菜耗水和灌溉供水的平衡，制定符合作物生长需求的灌溉指标和灌溉制度。

3.3 建立完善的测墒自动灌溉管理决策

自动灌溉管理决策要根据土壤性质和蔬菜需水特性确定灌溉上限指标，然后根据土壤持水能力和蔬菜生长需求确定灌溉下限指标，同时根据植株耗水量及萎蔫系数等确定灌溉周期和灌溉频率，将精准自动灌溉控制技术与农艺技术相融合。首先要根据蔬菜品种对根层土壤墒情的要求和根层土壤的持水能力确定灌溉上限指标，严格控制灌溉上限。在满足蔬菜生长对水分的需求，保证水分合理供给基础上，结合土壤性质尽量减少灌溉水渗漏造成的水肥流失。一般将灌溉上限宜控制土壤相对含水量为70%～90%。灌溉下限是蔬菜是否需要补充土壤水分的土壤含水量下限指标。测墒自动灌溉的灌溉下限应理解为可补水下限，原则上要大于萎蔫系数，一般要大于土壤相对含水量55%～65%。

自动灌溉系统可根据蔬菜生长周期适时灌溉，结合灌溉模式、灌溉制度和蔬菜生长需求规定适宜的灌溉指标。采取随时灌溉的模式时，可按照灌溉上限、灌溉下限来设定，使灌溉上限和灌溉下限有一定的区间范围，满足土壤呼吸和蔬菜生长需求。在灌溉周期如有设定禁止灌溉的时间范围时，需要预测禁止灌溉期间内的植株水分蒸腾量，相对提高灌溉下限指标，保证每个灌溉周期内的土壤水分能满足蔬菜生长需求。灌溉频率主要取决于灌溉上限和灌溉下限之间根层土壤持有的并能供给植株蒸腾消耗的土壤水分含量，其次取决于蔬菜植株的水分蒸腾速率，水分蒸腾速率则与气候环境条件及植株的叶面积有关。同时，灌溉频率要根据蔬菜品种类型需水特性及其生育期的生长需求来决定。

灌溉管理决策在实际操作过程中还要根据蔬菜生产的目标产量和品质的要求，使调控土壤水分供给的灌溉周期与蔬菜生长周期相吻合，围绕蔬菜优质高效生产将土壤墒情控制到理想状态。根层分布较深的蔬菜和保水力好的土壤应适当增加灌溉量，减少灌溉次数；根层分布较浅的蔬菜、保水力差的土壤应适当减少灌溉量，增加灌溉次数。

4 结语与展望

蔬菜测墒自动灌溉控制技术在生产中的应用，可改变传统蔬菜水分管理方式，实施更加严密的灌溉指标和灌溉制度，构建起生态节水灌溉管理模式；能根据菜田土壤特点精准灌溉，做到土壤墒情数字化调控的精准管理，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，避免人工难以精准判断土壤墒情造成灌溉的盲目性；能根据蔬菜生长发育需求适时适量精准灌溉，充分发挥出蔬菜生长潜力，达到优质高效生产的目标；同时能防止过量灌溉引起的水肥流失，改善菜田土壤生态环境，提高水肥 利用效率［30］。

蔬菜精准自动灌溉技术模型都各自有其科学的理论基础，并且在生产试验和应用中得到验证，都有其独特的效果和作用。SPAC 系统模型的水分传输理论解析了水分运移中能量传递的框架和动态模型，从宏观角度把握了系统内水分运移规律，结合蔬菜生长及其所处的气候条件，可以得出水分运移中各个传输界面的量化指标，同时提出各界面的水分调控的技术方案，为构建蔬菜高效节水技术提供技术支持。基于土壤墒情指标的测墒自动灌溉系统模型，结合蔬菜根层分布特点系统构建起菜田土壤墒情实时监测和自动调控的系统装置和管理决策系统，通过量化的精准灌溉管理将土壤墒情调控到适宜蔬菜生长理想状态，能够精准把握蔬菜水分需求与土壤水分供给的平衡，在蔬菜水分高效管理中具有较大优势，技术应用具有广阔前景。基于作物水分亏缺反应的灌溉系统模型是根据按照作物的水分相关指标及其阀值转化为水分需求信号，对作物的水分状况实行调控，能够直接调节作物生理活动状态，实现高效用水目的的同时，调控作物的产量和品质，可望在作物优质高效生产中发挥出其独特的作用。