【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 溫室灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。 溫室是一個(gè)相對(duì)密閉的空間系統(tǒng)，天然雨水得不到充分利用， 所以溫室灌溉對(duì)于溫室作物的生長(zhǎng)顯得尤為重要。 溫室的環(huán)境因素之間有很強(qiáng)的耦合性，若采用地面灌溉，則水分易蒸發(fā)，加大室內(nèi)空氣的濕度。因此在灌溉的時(shí)候要通風(fēng)換氣來保持合適的空氣濕度，但同時(shí)會(huì)降低溫室的溫度。而在嚴(yán)寒地區(qū)的冬季室內(nèi)外溫度差異較大，必須對(duì)溫室加溫來保證作物生長(zhǎng)的適宜溫度，這勢(shì)必會(huì)加大能耗。 溫室濕度環(huán)境 溫室的濕度環(huán)境包括兩個(gè)方面，一個(gè)是空氣濕度，一個(gè)是 土壤濕度。水分對(duì)于作物的重要性不言而喻，作物的生長(zhǎng)離不開水分環(huán)境，而且植物體內(nèi)的主要成分就是水，有的植物含水量高達(dá) 90%，合理的濕度環(huán)境對(duì)于植物的生長(zhǎng)發(fā)育尤為重要。 溫室空氣濕度的特點(diǎn)：溫室是一個(gè)相對(duì)封閉空間，地表水分蒸發(fā)和植物蒸騰作用是溫室的空氣濕度的主要影響因素。溫室植物因生長(zhǎng)旺盛，葉面積指數(shù)較高，蒸騰作用強(qiáng)烈，從而使空氣溫室濕度較快進(jìn)入飽和狀態(tài)，且比室外種植高出很多。室內(nèi)濕度環(huán)境的顯著特點(diǎn)是濕度高，而且由于晚上氣溫下降，相對(duì)濕度就會(huì)加大，從而進(jìn)入飽和狀態(tài)。相對(duì)于地表的濕度而言，空氣濕度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響 要小，但它對(duì)植物光合作用氣孔的開閉和害蟲的繁殖環(huán)境有重要影響?？諝庀鄬?duì)濕度低會(huì)使植物氣孔關(guān)閉，內(nèi)部 CO2 含量降低，光合作用強(qiáng)度下降?？諝庀鄬?duì)濕度高會(huì)使蒸騰作用減弱，影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和輸送，從而減弱光合作用強(qiáng)度。所以在設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)時(shí)要考慮對(duì)溫室空氣濕度的影響，將其控制在合適的范圍內(nèi)。 溫室土壤濕度特點(diǎn)：溫室土壤耕作層無法利用天然雨水灌溉，因此土壤濕度大小主要受灌水量、土壤毛細(xì)管上升量、土壤蒸發(fā)量和植物蒸騰量的影響。溫室土壤的淋溶較少，積鹽相對(duì)嚴(yán)重。因?yàn)樘烊挥晁荒芾?，只有通過溫室灌溉才能為溫室植物生長(zhǎng)發(fā)育 供應(yīng)所必需的水分。作物因種類不同水分需求量不一樣，即使同一種作物在不同的生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求也是不一樣的 。 溫室灌溉量 決策因子 的確定 對(duì)于溫室灌溉量的決策因子，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者眾說紛談，對(duì)此沒有唯一確定的定論。經(jīng)過資料文獻(xiàn)的搜集，綜合眾多農(nóng)民、專家以及研究者的經(jīng)驗(yàn)和成果，把控制溫室灌溉量的決定因子大致分為以下幾類： 植物的生長(zhǎng)，被認(rèn)為是影響作物正常生長(zhǎng)發(fā)育最關(guān)鍵因素，也是確定灌溉量的最重要決定因子。 長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)土壤中水分含量的調(diào)節(jié)與控制來決定灌溉做了較多的研究，并 提出了重要作物在灌溉過程中的土壤水分指標(biāo)，為科學(xué)灌溉提供指導(dǎo)，已在生產(chǎn)中起到較大的作用 [2]。 ，對(duì)指導(dǎo)溫室灌溉更為準(zhǔn)確。一些學(xué)者認(rèn)為 ，以單一的土壤濕度來作為判斷灌溉量的標(biāo)準(zhǔn)，不能精確反映作物正常生長(zhǎng)所 需要 的水量， 而溫室的光照度、蒸騰量、土壤的類型和植物的種植方式等各種環(huán)境因子在溫室灌溉量的確定中都要有所考慮，綜合環(huán)境因素的影響對(duì)溫室灌溉量的確定是比較準(zhǔn)確的。 ，作物的水分需求狀況除了與土壤濕度、光照度等外界環(huán)境息息相關(guān)外，作物本身也有直接的體現(xiàn)，比如植物桿莖粗細(xì)的變化能夠在一 定程度上反映作物的需水信息，并以此為依據(jù)開發(fā)了閉環(huán)溫室灌溉控制系統(tǒng)；還有以葉片面積大小和葉片含水量多少的變化為依據(jù)，通過圖像處理技術(shù)和光譜技術(shù)等采集這些信息，來判斷作物的需水量。還有一些通過徑流速率來研究作物需水信息，這些利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)等用于作物需水信息的研究，對(duì)溫室灌溉的發(fā)展有著積極的推動(dòng)作用。 作物需水量與溫室內(nèi)外的環(huán)境氣象因素都有關(guān)，不同地區(qū)它們的相關(guān)系數(shù)都不一樣，如果要計(jì)算作物需水量，則要綜合考慮多種環(huán)境因子，在電子設(shè)備發(fā)達(dá)的今天可以滿足多種環(huán)境因子數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集，但付出的 總成本高了很多，并且算法復(fù)雜，控制程序也會(huì)相應(yīng)變得冗長(zhǎng)， 對(duì)于溫室灌溉的精確程度也未必適用。 綜上所述， 為了滿足灌溉系統(tǒng)的可靠性、精確性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性要求，本文選用已 在灌溉控制系統(tǒng) 相當(dāng)成熟并被普遍認(rèn)同的土壤濕度作為系統(tǒng)的采集和控制對(duì)象，通過土壤濕度的變化來實(shí)時(shí)控制作物灌溉量，實(shí)現(xiàn)溫室灌溉的自動(dòng)化。 溫室灌溉方式 溫室是個(gè)相對(duì)密閉的環(huán)境，無法依靠降雨直接補(bǔ)充水分，因此人工灌溉是唯一能夠?yàn)樽魑锾峁┧值耐緩?。 溫室內(nèi)灌溉 的 方式選擇， 與多種因素有關(guān)，包括作物的品種、栽培方式、溫室結(jié)構(gòu)形式、水源及動(dòng)力供應(yīng)情況、 投資能力、使用者的知識(shí)技術(shù)水平等諸多因素相關(guān)。溝畦灌是最原始、最簡(jiǎn)單、最傳統(tǒng)的灌溉方式，從古到今被廣泛應(yīng)用。早期的溫室作物灌溉中，廣泛采用了溝灌或畦灌等灌溉方式。但隨著人類社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，溫室灌溉技術(shù)有了很大提高，呈現(xiàn)多樣化發(fā)展?，F(xiàn)代溫室中已經(jīng)大量應(yīng)用了各種節(jié)水高效、水肥共施的灌溉技術(shù)，如滴灌、微噴灌 、滲灌、潮汐灌等。 溫室灌溉方式特點(diǎn) 從灌水特點(diǎn)來看，目前大量應(yīng)用的溫室灌溉技術(shù)主要有三類：溝畦灌溉 、微水灌溉和 潮汐灌。 溝畦灌是采用管道 （或渠道）輸水，并通過栽培溝或栽培畦進(jìn)行灌溉的方式。溫 室內(nèi)的灌溉輸水如果采用渠道時(shí)一般應(yīng)混凝土襯砌，起到防滲和保護(hù)邊坡的作用。同時(shí)，為了減少室內(nèi)濕度，通常應(yīng)該在灌水溝或畦上覆蓋地膜，即采用膜下灌的方式進(jìn)行溝畦灌。 溝畦灌雖然不是一種高效灌溉技術(shù)，但因具有投資低、管理簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)，在現(xiàn)在溫室仍然大量被采用。 微灌是微水灌溉的簡(jiǎn)稱，它是通過有壓供水管道系統(tǒng)與安裝在末級(jí)管道上的灌水器（滴頭、微噴灌、地灌管、微噴帶、滲灌管等）， 只以較小的流量將水分和養(yǎng)料濕潤(rùn)作物根區(qū)附近的部分土壤或作物的葉面，達(dá)到合理準(zhǔn)確的局部灌溉目的。微灌的特點(diǎn)主要有流量小，每次灌水的時(shí)間較 長(zhǎng)，灌溉均度較高，且只灌溉作物根鄰近的土壤，節(jié)約大量灌溉水，為作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。 微灌在現(xiàn)代溫室中應(yīng)用十分廣泛，是目前溫室高效灌溉技術(shù)的主流。微灌 有滴灌、微噴灌和滲灌等多種 形 式。以 斷續(xù)滴水形式供水的稱為滴灌；以小范圍噴灑形式供水的稱為微噴灌；以微孔隙緩慢滲出供水的稱為滲灌。 潮汐灌又稱漲落灌、床灌或槽灌，其主要原理是：灌溉水迅速充灌 到能夠保持一定水深的作物栽培床或栽培槽中，在達(dá)到需要的水深及時(shí)排水，以便利用土壤毛細(xì)管的作用灌溉作物。 潮汐灌盡管成本較高，但由于具有灌水均勻度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、作物栽培方式 靈活、灌溉水能夠全部循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，正快速成為發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)代溫室灌溉的主要方式。 表 各種溫室灌溉方式的特點(diǎn) 灌溉方式 溝畦灌 微灌 潮汐灌 滴灌 微噴灌 滲灌 灌溉作物部位 作物根部 作物根部 作物根部、葉面 作物根部 作物根部 濕潤(rùn)區(qū)域 大部分土壤濕潤(rùn) 局部土壤濕潤(rùn) 局部土壤濕潤(rùn) 局部土壤濕潤(rùn) 局部土壤濕潤(rùn) 對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響 因滲透而使土壤更加結(jié)實(shí) 影響較小 因水滴撞擊可能使地表板結(jié) 影響較小 影響較小 蒸發(fā)蒸騰 較大 較少 大 少 少 植物冠部 不濕潤(rùn) 不濕潤(rùn) 部分 濕潤(rùn) 不濕潤(rùn) 不濕潤(rùn) 灌水利用率 50%~65% 85%~95% 65%~85% 85%~95% 85%~95% 灌水均勻度 低 高 較低 較高 高 灌溉后的濕度增加 較多 較少 多 少 較少 灌溉施肥精 低 高 較低 較高 高 度 對(duì)水中雜質(zhì)敏感度 低 高 較低 較高 低 水源壓力要求 低 較高 高 較低 較低 對(duì)耕作的影響 小 大 較小 較大 大 設(shè)備投資 低 較高 較低 較高 高 溫室灌溉方式 選擇 前面提到， 溫室灌溉方式的選擇與 作物品種、栽培方式、投資者經(jīng)濟(jì)狀況等都有很大關(guān)系 。 在同一種栽培 方式下，可能由于種植作物的不同而選用不同的灌溉方式，但有時(shí)一種灌溉方式只能對(duì)應(yīng)一種栽培模式。下面簡(jiǎn)單說明下溫室灌溉與栽培方式的關(guān)系。 點(diǎn)灌溉是針對(duì)一個(gè)很小的區(qū)域進(jìn)行灌溉，滴頭滴灌是點(diǎn)灌溉最典型的灌溉方式，其特點(diǎn)是灌溉水直接 送到作物的根部，在作物根區(qū)不能延伸到的地方不予施水，這樣可最大限度達(dá)到節(jié)約用水的目的。與點(diǎn)灌溉相配套的栽培方式主要有巖棉培蔬菜栽培、基質(zhì)袋培、盆花栽培等。前兩種栽培方式一般都坐落在地面上，最后的盆花栽培可在地面上，也可在栽培床上，還可吊掛在溫室的骨架結(jié)構(gòu)上。 線灌溉時(shí)針對(duì)一行作物進(jìn)行灌溉，可用于以條播或壟載方式種植的蔬菜或花卉，如黃瓜、番茄、辣椒等果菜類蔬菜和郁金香、香石竹等切花類花卉。線灌溉的灌水器根據(jù)種植槽的寬度可單行布置，也可雙行或多行布置。滴管帶滴灌、噴灌帶膜下微噴灌是典型的線灌溉方式。以槽培方式或在地面采用長(zhǎng)畦栽培的種植方式一般適用線灌溉方式。 面灌溉時(shí)針對(duì)一個(gè)平面進(jìn)行整體灌溉，最適合于種植密度高、作物栽培無規(guī)律的種植方式。大水漫灌是最典型的面灌溉方式，如日光溫室或塑料大棚中種植油菜等直接播種葉菜作物進(jìn)行 土壤栽培的種植方式。大水漫灌主要應(yīng)用在土壤栽培溫室中，尤其在農(nóng)村的日光溫室和塑料大棚中常有應(yīng)用，但這種灌溉方式由于耗水大、水資源利用率低、對(duì)土壤的降溫明顯、容易造成室內(nèi)空氣濕度過高等原因，在現(xiàn)代溫室中已基本不再采用，而用其他灌溉方式代替。噴灌、潮汐灌等式現(xiàn)代溫室中使用的比較典型的面灌溉方式，尤其適用于盆花種植。 適用的栽培方式 空間灌溉是對(duì)整個(gè)作物根系進(jìn)行全面施水灌溉的方式。無土栽培中的水培、霧培就是這種灌溉的典型代表。從某種程度上講，噴灌也是一種空間灌溉，只是這種空間灌溉不是只濕潤(rùn)作物根系，而 是濕潤(rùn)葉面和根系結(jié)合。 溫室 滴灌的特點(diǎn) 作物的栽培方式在某種程度上限制了溫室灌溉方式，但作物的灌溉模式不是唯一的。同一種作物 可以 有多種不同的灌溉方式組合。 為了 能夠更好的說明問題 ， 本文 選用常見的 溫室黃瓜為例 。 黃瓜是喜濕性作物，怕澇，也不耐旱?？紤]黃瓜的需水特性，從方便溫室管理、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、節(jié)約水資源等方面出發(fā)，本文選用滴灌作為本系統(tǒng)的灌溉方式。 滴灌的優(yōu)點(diǎn)如下： 、 節(jié)肥、省工 滴灌全部是由管道進(jìn)行輸水和局部小流量灌溉，很少有沿程的滲漏和蒸發(fā)損失。此外，滴灌可以適時(shí)適量的按作物根部的需要進(jìn) 行供水，水的利用率高。灌溉時(shí)可以將溶解有養(yǎng)料的水分注入到灌溉設(shè)備中，這樣就能做到水肥同步。養(yǎng)分隨灌溉水直接輸送到作物的根部，有效提高養(yǎng)分的利用率，同時(shí)由于區(qū)域局部控制，小流量灌溉，能夠明顯的降低肥料的使用量。由此灌溉施肥技術(shù)能夠給作物提供較貴的微量元素的同時(shí)不造成浪費(fèi)。滴灌系統(tǒng)不用平整土地，只需要手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門來控制水肥的輸送，可顯著減少勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度。滴灌系統(tǒng)能夠大大提高資源的利用率，實(shí)現(xiàn)灌溉全覆蓋。 傳統(tǒng)的大棚灌溉往往通過單次輸入大量水分，導(dǎo)致大棚內(nèi)溫度下降快，回升慢，而且水分 的蒸發(fā)量大，土壤表層潮濕，大棚濕度高，容易導(dǎo)致植物病蟲害的發(fā)生。而滴灌將水分均勻輸送給作物根系，屬于局部灌溉，能夠降低室內(nèi)空氣濕度，減少灌溉地表的水分蒸發(fā)量來控制和保持地內(nèi)濕度，同時(shí)能穩(wěn)定地表溫度。若把滴灌管安放在薄膜下面，則效果更好。另外滴灌使土壤含水量保持在能夠滿足作物需求的穩(wěn)定和較低吸力狀態(tài)下，有效控制和保持土壤的濕度，降低地中作物病蟲害發(fā)生的概率，降低農(nóng)藥的使用量。 傳統(tǒng)灌溉由于單次有大量的水輸入，勢(shì)必會(huì)沖刷、侵蝕和緊實(shí)土壤，如果不定時(shí)翻松土壤，會(huì)出現(xiàn)土壤板結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤通透條件 變差，破壞了土壤結(jié)構(gòu)。而 滴灌一般不受地形起伏和不同種類土壤限制，其適應(yīng)能力比較強(qiáng)。滴灌使 水分緩慢均勻地滲 透到 土壤 中 ， 不會(huì)造成地表耕作層的板結(jié) ， 同時(shí)株間沒有充足水分供應(yīng)，雜草較難生長(zhǎng)，因此應(yīng)用滴灌能 形成適 合作物生長(zhǎng)發(fā)育的 土壤環(huán)境。 、增產(chǎn)增效 由于滴灌 可以有效避免水分、養(yǎng)料和農(nóng)藥在使用過程中的浪費(fèi)，同時(shí)又能降低病蟲害發(fā)生的概率，因此可顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量。總之，與傳統(tǒng)灌溉相比，溫室滴灌能夠及時(shí)適時(shí)供水、供肥，增加農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，改善農(nóng)作物的品質(zhì)，降低水肥、農(nóng)藥和勞力等成本，提高農(nóng)作物的商品化率，顯 著提高經(jīng)濟(jì)效益。 滴灌的主要缺點(diǎn)：安裝維護(hù)工作量大，一次性投資較高；滴頭出水尺寸很小，容易因水中雜質(zhì)而出現(xiàn)堵塞問題，降低了灌溉的可靠性；滴灌只能濕潤(rùn)局部土壤，因此溫室內(nèi)作物的栽培方式 受 到一定限制。 滴灌的灌水器為滴頭或滴頭與毛管制成一體的滴灌管（或滴灌帶），一般將滴頭或滴灌帶放在地面上實(shí)施灌溉 。近年來，已經(jīng)研究開發(fā)了將滴頭或滴灌管埋入地下 30~40cm 的地下滴灌系統(tǒng)，但由于地下滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理難度大，在溫室中的應(yīng)用受到一定限制。 滴灌與傳統(tǒng)的地面灌溉不同，由于滴頭的布置 是 有一定間距的，滴頭的流量一般較小 ，因而在地面 幾乎 沒有積水，滴出的水在土壤中不僅受到重力的作用，還受到各方向的毛細(xì)管力的作用，所以灌溉水在沿垂直方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還沿水平方向運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)梨狀濕潤(rùn)球 。 不同土壤有不同的滲水速率，因此在相同的滴頭流量情況下，黏性土壤和沙星土壤中所形成的濕潤(rùn)球形狀是不相同的，在黏性土壤中形成淺而寬的濕潤(rùn)球，而沙性土壤中形成窄而深的濕潤(rùn)球。 一般將濕潤(rùn)球按含水量劃分為三個(gè)區(qū)域，即飽和區(qū)、濕潤(rùn)區(qū)和濕潤(rùn)前沿區(qū) 。灌溉時(shí)滴頭附近地表處形成一個(gè)小水洼，在水洼下面是飽和區(qū)，飽和區(qū)的直徑隨滴頭流量的增加而加大，深度隨灌水時(shí)間的延 長(zhǎng)而增加；導(dǎo)水率較高的土壤，飽和區(qū)直徑和深度較小，相反導(dǎo)水率較低的土壤，飽和區(qū)直徑和深度較大。水流在重力和毛細(xì)管力的作用下沿水平方向和垂直方向同時(shí)流動(dòng)，在飽和區(qū)周圍形成濕潤(rùn)區(qū)；濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)的土壤含水量一般小于土壤持水量，且與滴頭的距離越遠(yuǎn)，土壤中的含水