專利名稱：：植物葉片膨壓感應節(jié)水灌溉自動控制方法
技術領域：
：本發(fā)明屬一種節(jié)水自動灌溉控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，主要涉及一種基于植物葉片膨壓變化的自動灌溉控制方法，基于葉片垂度與膨壓間反相關的生理特征以及虧缺補償節(jié)水灌溉理論和紅外傳感測控技術。
背景技術：
：現(xiàn)有的自動灌溉系統(tǒng)大多基于土壤水分含量或者空氣濕度的監(jiān)測，或利用固定時間間隔的方式實現(xiàn)。并非直接檢測植物本身的生理缺水狀況，真正有效地根據植物的生理需水要求來控制自動灌溉。目前發(fā)展的節(jié)水灌溉技術通常都是基于土壤和空氣的濕度等環(huán)境因子的變化感應來控制(TOROCO.PC-programmedirrigationcontrolsystem:美國，US7010395.2006.03.07李仁發(fā);羅娟;曾凡仔;文建國;付彬溯葉華;李瑞芳.基于無線傳感器網絡的農業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)與方法中國，CN200610032350丄2008.04.02)，對灌溉系統(tǒng)的改良多停留在從防滲措施的改進工作上，比如加入某種介質或者對耕地土壤進行機械處理改良土壤的防滲性(利部科技推廣中心;江蘇省水利科學研究所.密實土壤水稻節(jié)水灌溉方法:中國，CN200310106073.0.2004.09.15黃俊友.稻田拌漿節(jié)水灌溉方法中國，CN200410041932.7.2005.03.23)和對灌溉水管等裝備的改進，利用滲灌、滴灌、噴灌等方法減慢灌溉水的出流，減少無效蒸發(fā)和滲透。(ANDERSONDALED.Filteringdeviceforanirrigationsystem:美國US7032834.2006.04.25曹新科.節(jié)水灌溉裝置:中國，CN99235060.3.2000.08.16)也有基于這些要求進行的改進環(huán)境感應控制研究(TOROCO.Intelligentenvironmentalsensorforirrigationsystems:美國，US7010394.2006.03.07)但是由于外界條件的多變性，不同地域土地條件的多樣性，不同土壤的地質結構復雜性，且不同作物的對土地的含水量要求不一致性使得基于土壤空氣等環(huán)境濕度的自動灌溉系統(tǒng)很難有普適性和高效性，并不能真正實時準確地反應植物的生理需水要求，實現(xiàn)高效灌溉?，F(xiàn)有的灌溉系統(tǒng)大都沒有根據植物的生理水分狀況來滿足植物的水分需求。較先進的此類灌溉技術有基于植物器官微尺寸變化檢測的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，利用植物葉片的厚度、果實重量變化、生長速率變化等特征參數(shù)來實現(xiàn)自動灌溉，(李東升.基于植物器官微尺寸變化檢測的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng):中國，CN03150690.9,2004.07.28)也有根據作物的不同生長時期的灌溉措施。在植物的生長期減少灌溉頻率，從而使得植物能夠長成更深更強壯的根系(AQUACONSERVATIONSYSTEMSINC.Automaticadjustmentofirrigationscheduleaccordingtoconditionofplants:美國，US2002072829),有利于植株后來的吸水能力和抗旱性。根據植物的生根狀況，成熟狀態(tài)和健康狀況調整灌溉的自動灌溉系統(tǒng)(AQUACONSERVATIONSYSTEMSINC.Automaticadjustmentofirrigationscheduleaccordingtoconditionofplants:美國，US2002072829.2002.06.13)以及根據不同的生理時段融合水灌溉和殺蟲劑噴灑設計融合多種液體輸送管道的(SKINNERPAUL.Systemforautomatedmonitoringandmaintenanceofcropsincludingcomputercontrolofirrigationandchemicaldeliveryusingmultiplechannelconduit:美國，US2002183935.2002.12.05)當灌溉系統(tǒng)中水的流失，滲漏和無效蒸發(fā)降到最低后，研究發(fā)掘基于作物生理需水要求和作物生理節(jié)水潛力的自動灌溉系統(tǒng)是非常重要的，其空間和前景將是非常廣闊的。隨著作物缺水補償機制研究的深入以及對作物在缺水后復水的生長、發(fā)育、生殖、產量等生理特征的詳細研究，虧缺補償節(jié)水已成為農業(yè)節(jié)水灌溉新的追求理念，補償節(jié)水灌溉(調虧灌溉)技術的發(fā)展也已漸成農業(yè)節(jié)水灌溉趨勢。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種植物葉片膨壓感應節(jié)水灌溉自動控制方法，是以缺水的植物葉片進入紅外感應區(qū)為信號，經感應器探測控制實現(xiàn)灌溉水的自動出流和斷流。具體通過以下步驟實現(xiàn)(1)準備選用感應節(jié)水灌溉自動控制裝置，由控制箱、紅外探測器、支架、連接桿構成，控制箱固定在支架下端，紅外探測器與連接桿連接，并通過可調連接螺絲固定到支架上端，連接桿固定在支架上的位置可上下調節(jié)，紅外探測器的感應板上設有葉片夾，用于將葉片固定在感應板，控制箱設有控制面板、出水口和進水口，控制面板上設有指示燈、手動開關；控制面板材質選用不銹鋼，支架管和連接桿選用4分硬質PVC管，內布控制系統(tǒng)電線。(2)監(jiān)測當土壤水是飽和時，選取植株的一片葉片(完全展開的成熟葉片)，在距離葉尖L厘米、并低于對應葉H厘米高度的AB段，用葉片夾將其固定在感應板上，在每天的一個固定時間段開啟控制面板上的手動開關，使得感應模塊運行，此時自動控制系統(tǒng)打開，但是此時AB段葉片處于感應區(qū)之外，即不能反射感應器主動發(fā)射的紅外線，控制系統(tǒng)出水口處于關閉狀態(tài)；(3)出水在土壤水勢降低，植株受到干旱脅迫后，葉水勢和葉片膨壓隨著水勢降低而下降，葉片垂度與膨壓間的反相關性生理特征使得AB段葉片位置下降，進入紅外探測器的感應范圍內，即AB段葉片反射感應器主動發(fā)射的紅外線，使得控制系統(tǒng)出水口打開，開始自動灌溉；(4)關閉在自動灌溉同時，紅外感應模塊工作，當出水口輸出的灌溉水使得土壤水含量上升，作物葉片的膨壓和葉水勢恢復，葉片垂度與膨壓間的反相關性生理特征使得AB段葉片位置上升，AB段葉片離開感應區(qū)，自動出水口關閉，完成一次自動灌溉，循環(huán)進行監(jiān)測——出水——關閉，實現(xiàn)灌溉自動控制。本發(fā)明的準備階段選擇在土壤水飽和時，使植物葉片處于感應器探測距離的臨界位置，利用植物受到一定程度的干旱脅迫后，葉的水勢下降，膨壓降低，表現(xiàn)出生理萎蔫現(xiàn)象，葉片位置下移，進入紅外探測器探測范圍內，出水口打開，水出流，開始灌溉；當土壤水勢上升，達到作物需要的流量后，葉片膨壓和葉水勢的上升使AB段葉片上升到紅外感應探測器的感應范圍之外，出水口關閉。本發(fā)明是基于植物葉片膨壓變化的自動灌溉控制系統(tǒng)，利用葉片垂度與膨壓間反相關的生理特征以及作物虧缺補償原理和紅外傳感測控技術發(fā)展的補償節(jié)水自動灌溉系統(tǒng)方法。本發(fā)明的有益之處是應用紅外感應探測技術，結合作物補償節(jié)水機制的原理和調虧灌溉技術，直接根據植物的膨壓變化和生理需水狀況來控制自動灌溉。本發(fā)明在應用紅外感應器探測控制灌溉水自動出流和斷流技術的同時，有效地推廣了紅外感應自動水流技術和產品的應用，實現(xiàn)紅外感應探測器和自動水流產品在灌溉系統(tǒng)的新利用。圖l為實驗裝置圖。圖2為控制面板示意圖。圖3為實驗原理圖。具體實施例方式本發(fā)明結合附圖和實施例作進一步的說明。實施例1參見圖l、圖2，感應節(jié)水灌溉自動控制裝置由控制箱l、紅外探測器2、支架3、連接桿4構成，控制箱1固定在支架3下端，紅外探測器2與連接桿4連接，并通過可調連接螺絲5固定到支架3上端(連接桿固定在支架上的位置可根據植物實際高度上下調節(jié))，紅外探測器2的感應板上設有葉片夾6，用于將葉片固定在感應面板(即固定在紅外探測器)上，控制箱1設有控制面板7、出水口8和進水口9，控制面板7上設有指示燈10、手動開啟開關11和手動關閉開關12。指示燈IO起指示控制系統(tǒng)狀態(tài)的作用，當控制系統(tǒng)被打開處于監(jiān)測狀態(tài)時，指示燈亮，當監(jiān)測到干旱脅迫導致的水勢和膨壓降低的葉片時，出水口8打開并開始自動灌溉時，指示燈閃爍，進水口9連接外界水源。紅外探測器選用型號為主動式紅外感應模塊HP-IR-JK-H。參照圖l、圖3，監(jiān)測在土壤水是飽和時，選取植株的一片葉片(完全展開的成熟葉片)，在距離葉尖(A)22-24厘米(L)距離的(B)點、且低于對應葉高度(H)1厘米的地方，用葉片夾6將其固定在感應面板2上，在每天的一個固定時間段開啟控制面板2上的開啟手動開關11，使得感應模塊運行，此時自動控制系統(tǒng)打開，但是此時AB段(距離L)葉片處于感應區(qū)之外，即不能反射感應器主動發(fā)射的紅外線，出水口8處于關閉狀態(tài)；出水當土壤水勢降低，植株受到干旱脅迫后，葉水勢和葉片膨壓隨著土壤水勢降低而下降，葉片垂度與膨壓間的反相關性生理特征使得葉片位置(AB段葉片)下降，進入紅外探測器的感應范圍內，即AB段葉片反射感應器主動發(fā)射的紅外線，使得出水口8自動打開，進水口9自動進水，開始自動灌溉；關閉自動灌溉同時，土壤水勢上升，當達到作物需要的流量后，葉片膨壓和葉水勢的上升使AB段葉片上升到紅外感應探測器的感應范圍之外，出水口8關閉，完成一次自動灌溉，循環(huán)進行監(jiān)測一出水一關閉，實現(xiàn)灌溉自動控制。所述的L為22-24厘米，所述的H為1厘米。當環(huán)境氣候變化，不需要灌溉時，通過關閉手動開關12，停止整個灌溉系統(tǒng)。具體涉及參數(shù)電源AC220V或DC6V(使用4節(jié)5號堿性電池)，靜態(tài)功耗S0.5mW(DC6V)^3W(AC220V)，感應范圍15CM自動測距，適用水壓0.02-0.8Mpa，即最低所需水壓0.02MPa;最高設計水壓為0.8Mpa。使用環(huán)境溫度1-55°C，進出水管徑G(l/2)"。實施例2水稻(作物)實驗1材料與方法1.1試驗設計參見圖1、圖2，選用實施例1的紅外探測器。水稻實驗在浙江大學生命科學學院玻頂網室(浙江杭州，120.2E,30.3N)進行，數(shù)據測量季節(jié)為春季4月底到5月底，平均溫度20到23度，相對濕度為75%到80%。所有數(shù)據測量都在北京時間上午八到十點完成。采用土壤水分測定儀測定容積含水量，在土壤水分飽和時，葉片夾6處B與葉尖A的距離L為22-24厘米，低于對應葉位置H為1厘米的地方，用葉片夾6固定葉片。1.1.l栽培方式與處理種植水稻(協(xié)優(yōu)63)用高13.5cm，上口內徑為16cm的聚丙烯塑料桶。實驗土為附近稻田土。3月中旬移栽三葉期秧苗至裝有15千克土壤，表面有3cm積水層的桶內。每桶種植3株，栽種之前按每株尿素0.5g，復合肥1.2g施肥。土壤表面保持3cm積水層直到水分控制處理。1.2測定方法(參照實施例l的自動灌溉控制方法步驟)1.2.l葉水勢的測定方法水稻在分蘗期測量數(shù)據，取第三片完全展開葉作為實驗對象。采用WESCOR公司生產的VAPRO5520測量葉的水勢。1.2.2土壤含水量的測定方法采用Delta-TDevicesLtd生產的W.E.TSensorWET-1測量土壤含水量，測量的是容積含水量。2結果與分析控水時間和土壤含水量(FWC)與葉水勢甲之間的對應關系水稻<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實驗說明實驗開始時如栽培方式所述，保持土壤水勢，葉片夾處B與葉尖A為距離L為22厘米，低于對應葉位置H為1厘米的地方，用葉片夾固定葉片。當水稻實驗控水處理第五天時，葉片水勢降低到-2.78MPa，AB葉段進入感應區(qū)，控制系統(tǒng)出流水開啟；灌溉進行，隨著土壤水勢升高，葉片水勢重新升至-2.28MPa左右時，AB段離開感應區(qū)，水流關閉，停止灌溉。具體涉及參數(shù)同實施例l。實施例3吉祥草(觀賞性植物)實驗1材料與方法1.1試驗設計參見圖l、圖2，選用實施例1的紅外探測器。吉祥草實驗在浙江大學生命科學學院121實驗室(浙江杭州，120.2E，30.3N)進行，吉祥草置于窗臺，數(shù)據測量季節(jié)為春季4月底到5月底，平均溫度20到23度，相對濕度為75%到80%。所有數(shù)據測量都在北京時間上午八到十點完成。采用土壤水分測定儀測定容積含水量，在土壤水分飽和時，葉片夾處B與葉尖A的距離L為22厘米，低于對應葉位置H為1厘米的地方，用葉片夾固定葉片。1.1.1栽培方式與處理吉祥草的苗直接由花店購買，種植在高25cm，內徑25cm的花盆里，花盆底有漏水孔。實驗土壤為附近稻田土保持土壤濕度在46%左右知道水分控制處理。1.2測定方法(參照實施例l的自動灌溉控制方法步驟)1.2.1葉水勢的測定方法取吉祥草的第三對完全展開葉作為實驗對象葉。采用WESCOR公司生產的VAPRO5520測量葉的水勢。1.2.2土壤含水量的測定方法采用Delta-TDevicesLtd生產的W.E.TSensorWET-1測量土壤含水量，測量的是容積含水量。2結果與分析控水時間和土壤含水量FWC與葉水勢平之間的對應關系吉祥草<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實驗說明實驗開始時如栽培方式所述，保持土壤水勢，葉片夾處B與葉尖A為距離L為22厘米，低于對應葉位置H為l厘米的地方，用葉片夾固定葉片。吉祥草在空水處理第十二天，葉片水勢降低到-3.15MPa，AB段進入感應區(qū)，控制系統(tǒng)出流水開啟。葉片水勢重新升至-2.80MPa左右時，AB段離開感應區(qū)，水流關閉，停止灌溉。權利要求1.一種植物葉片膨壓感應節(jié)水灌溉自動控制方法，其特征在于是以缺水的植物葉片進入紅外感應區(qū)為信號，經感應器探測控制實現(xiàn)灌溉水的自動出流和斷流，具體通過以下步驟實現(xiàn)(1)準備選用感應節(jié)水灌溉自動控制裝置，由控制箱(1)、紅外探測器(2)、支架(3)、連接桿(4)構成，控制箱(1)固定在支架(3)下端，紅外探測器(2)與連接桿(3)連接，并通過可調連接螺絲(5)固定到支架(3)上端，紅外探測器(2)的感應板上設有葉片夾(6)，用于將葉片固定在外探測器的感應板上，控制箱(1)設有控制面板(7)、出水口(8)和進水口(9)，控制面板(7)上設有指示燈(10)、手動開關(11)和(12)，進水口9連接外界水源；(2)監(jiān)測當土壤水飽和時，選取植株的一片完全展開的成熟葉片，在距離葉尖L厘米、并低于對應葉H厘米高度的葉片AB段，用葉片夾(6)將其固定在感應板上，在每天的一個固定時間段開啟控制面板上的手動開關(11)；(3)出水在土壤水勢降低，葉片垂度與膨壓間的反相關性生理特征使得AB段葉片位置下降，AB段葉片反射感應器主動發(fā)射的紅外線，使得控制箱出水口(8)打開，進水口(9)進水，開始自動灌溉；(4)關閉當出水口輸出的灌溉水使得土壤水含量上升，作物葉片的膨壓和葉水勢恢復，葉片垂度與膨壓間的反相關性生理特征使得AB段葉片位置上升，AB段葉片離開感應區(qū)，出水口(8)自動關閉，完成一次自動灌溉，循環(huán)進行監(jiān)測—出水—關閉，實現(xiàn)灌溉自動控制。2.根據權利要求1所述的一種植物葉片膨壓感應節(jié)水灌溉自動控制方法，其特征在于步驟(1)所述的控制面板材質選用不銹鋼，支架管和連接桿選用4分硬質PVC管。3.根據權利要求1所述的一種植物葉片膨壓感應節(jié)水灌溉自動控制方法，其特征在于步驟(2)所述的L為22-24厘米，所述的H為1厘米。全文摘要本發(fā)明提供一種植物葉片膨壓感應節(jié)水灌溉自動控制方法，應用感應節(jié)水灌溉自動控制裝置，是以缺水的植物葉片進入紅外感應區(qū)為信號，利用作物缺水導致葉片水勢和膨壓降低的生理特征，根據葉片垂度與膨壓間的反相關關系，結合作物虧缺補償節(jié)水灌溉原理，應用紅外感應技術探測到葉片垂度變化，經感應器探測控制實現(xiàn)灌溉水的自動出流和斷流。本發(fā)明更直接、更全面、更快速、更靈敏地反應植物的生理需水要求，結合補償節(jié)水灌溉的原理技術，控制精度高，節(jié)水效果好，預計節(jié)水率為30％，能滿足使用者準確、簡單、快速和輕松的田間灌溉控制要求，可以帶來明顯的經濟效益和社會效益。文檔編號A01G25/16GK101411299SQ200810162380公開日2009年4月22日申請日期2008年11月25日優(yōu)先權日2008年11月25日發(fā)明者磊周,周海蓮,王根軒,毅甘申請人:浙江大學