基于海棠莖干含水率的智能灌溉控制策略研究

趙燕東 鄭 焱 周海洋,3 林劍輝,3 張 鑫 于福滿

(1.北京林業大學工學院， 北京 100083； 2.城鄉生態環境北京實驗室， 北京 100083；3.林業裝備與自動化國家林業局重點實驗室， 北京 100083； 4.天津創世生態景觀建設股份有限公司， 天津 300110)

0 引言

近年來，灌溉控制策略研究逐漸從依據土壤水分、土壤水勢等間接的工程指標轉移到植物本身的生理指標(如莖流、莖干直徑、莖干水分等)上。植物生理參數是評價植物生理需水最直接、最準確的指標，這一觀點得到國內外眾多學者的認可[1-3]。其中，利用莖流計測量莖流具有較高的準確性，被廣泛用于估算植物蒸騰耗水，對指導灌溉具有重要意義[4-5]。NICOLAS等[6]利用莖流計測定杏樹的液流速率，以此來估測杏樹蒸騰量，證實該方法與Penman-Monteith公式之間具有密切的相關性，可以用來制定杏園的灌溉策略。張亞雄等[7]利用莖流計測定了不同灌水處理下蘋果樹的莖流速率，并得出灌水上下限分別為田間持水量的90%和60%是適宜蘋果樹的灌水方案。但由于莖流計價格昂貴，難以推廣普及。莖干直徑的周期性變化與植物莖干內部含水率密切相關，一些學者用日最大收縮量(MDS)、日生長量(DI)和當日復原所需時間(RT)等參數診斷植物含水率的變化，為研究灌溉策略提供了新思路[8-9]。GOLDHAMER等[10]利用最大收縮量指導杏樹灌溉，取得了良好的節水效果。張寄陽等[11]在不同程度的水分脅迫下分析得出，莖干直徑的當日復原所需時間是適宜棉花灌溉的指標，并認為MDS和DI受多種因素影響，不適于單獨作為灌溉指標。由于莖干直徑變化幅度在微米之間，不僅對傳感器的精確性有很高的要求，還容易受到環境因素的干擾，使其難以具有普適性。因此，尋找一種既能表征植物生理信息又易于工程實現的灌溉指標對發展節水灌溉尤為重要。

植物莖干水分是衡量植物木質部導管與韌皮細胞組織間水分交換的重要參數[12-16]。研究莖干水分變化與植物生理需水的關系對智能灌溉的發展具有重要意義，但有關莖干水分在灌溉領域應用的研究還不夠深入。近年來，隨著莖干含水率監測技術的不斷進步，趙燕東等[17]基于駐波率原理研發出BD-IV型植物莖體水分傳感器，當植物莖體直徑在5.0～10.5 cm之間時，可準確檢測出植物的莖干含水率。該傳感器能夠實現對植物莖干水分的實時、連續、無損測量，并且安裝簡易、適用范圍廣。

本文以海棠樹為研究對象，以莖干含水率為研究參數，基于BD-IV型植物莖體水分傳感器探究干旱脅迫下海棠樹莖干含水率與土壤含水率之間的關系，確定能夠表征活立木健康生長的指標閾值和適宜的灌溉指標，制定具有普適性的灌溉策略，并通過灌溉試驗驗證灌溉策略的有效性和可行性。

1 灌溉控制策略及系統設計

1.1 灌溉控制策略

植物遭受水分脅迫時，莖干含水率隨土壤含水率的降低而降低。莖干含水率過低或下降范圍過大都會影響植物的生理健康。因此，制定灌溉策略首先需設置莖干含水率下限，保證植物在經過灌溉后能夠恢復到健康范圍；還需考慮植株間的差異性，對于某些含水率較高的個體，需設置莖干含水率最大下降范圍，避免出現下降范圍過大而導致植物不能恢復到健康狀態的情況。可將這兩個指標作為開始灌溉的閾值。

此外，SHAHZAD等[18]指出適宜的虧缺灌溉能夠提高作物的產量和水分利用效率；過高的土壤含水率會造成水資源浪費和植物根系腐爛。而植物根系緩慢吸水的生理特性決定了莖干含水率對灌溉補水的響應滯后于土壤含水率，若選擇莖干含水率作為停止灌溉的指標，則會出現過量灌溉的情況。所以，應該選擇適宜植物生長的土壤含水率作為停止灌溉的指標，避免過量灌溉引起水資源的浪費。

本次灌溉控制策略的制定主要遵循3個原則：①設定莖干含水率下限閾值。②設定莖干含水率最大下降范圍。③設定土壤含水率上限閾值。如圖1所示，灌溉控制策略具體為：當灌溉監測控制器檢測到莖干含水率低于所設定的下限值或者下降范圍超過所設定的最大下降范圍時，控制器給相應的閥門發出啟動信號進行灌溉；當檢測到土壤含水率高于所設定的上限閾值時，停止灌溉。

圖1 灌溉控制策略框圖Fig.1 Schematic of irrigation control strategy

1.2 控制系統設計

1.2.1系統結構

智能灌溉控制系統由現場控制器、通信中轉模塊、上位機3部分組成。如圖2所示，控制器將采集的數據打包并通過NetPort模塊將RS232協議轉換為TCP/IP協議，通過路由器將轉換的數據包發送到上位機；上位機在解析完數據后進行判斷，當達到灌溉設定閾值時向現場控制器發送啟動命令，通過路由器、NetPort中轉后，現場控制器接收到命令后開啟相應的電磁閥進行灌溉，當檢測到土壤含水率高于所設定的上限閾值時，停止灌溉。

圖2 智能灌溉控制系統結構圖Fig.2 Intelligent irrigation control system structure diagram

1.2.2現場控制器設計

現場控制器主要由以下硬件子模塊組成：中央處理器、電源模塊、數據存儲模塊、NetPort通信模塊、時鐘模塊、AD采集模塊和繼電器驅動模塊，結構圖如圖3所示。

圖3 現場控制器框圖Fig.3 Field controller block diagram

該控制器以ATmega 2560為核心；電源模塊給控制器和傳感器提供電能；控制器具備SD卡數據存儲模塊，能夠實現數據的本地存儲；通過NetPort模塊實現232協議與TCP/IP協議的轉換，再將路由器與上位機設置成相同的網段便能夠實現控制器與上位機之間的通信；時鐘模塊采用RX8025芯片，通過I2C與單片機進行連接，保證時鐘的精確性；通過AD采集模塊實時獲取土壤含水率和莖干含水率，

為灌溉策略提供數據支撐；繼電器部分與電磁閥門相連接，通過驅動繼電器控制閥門開關。

2 試驗設計與方法

2.1 試驗地概況

試驗地位于北京市海淀區八家三頃園，地處東經116°20′，北緯40°0′，海拔約為50 m，占地面積約為30 000 m2。園內土壤質地為粘壤土，土壤容重約為1.3 g/cm3，pH值在7～8之間。平均氣溫約為12.8℃，年日照時數約為2 560 h，年均降水量590 mm(主要集中在夏季，約占全年的70%)。

2.2 試驗設計

園內種植樹齡5 a的西府海棠，莖干挺直，平均直徑約為46.9 mm，主分叉距地面平均高度約為1.2 m，平均樹高約2.4 m，長勢良好。2019年4月初選擇5棵生長狀況較好的西府海棠，移栽于直徑70 cm、高60 cm的花盆中，并對花盆進行覆膜處理，目的是讓水分散失只通過植物蒸騰作用消耗，同時減少降雨對試驗結果的影響。

設置4個處理組和1個對照組，對照組試驗期間每天灌溉，處理組設置不同梯度的土壤含水率并進行干旱脅迫試驗，只在規定時間進行灌溉(表1)。試驗分為2個階段：第1階段為6月11—15日；第2階段為6月16—25日。

處理情況如表1所示，處理1起始土壤含水率為20%，灌溉補水時間為第5天和第15天；處理2起始土壤含水率為25%，灌溉補水時間為第5天和第15天；處理3起始土壤含水率為30%，灌溉補水時間為第5天和第15天；處理4起始土壤含水率為35%，試驗期間不灌溉。對照組起始土壤含水率為35%，試驗期間每天灌溉。

表1 試驗分組處理情況Tab.1 Group treatment of test

2.3 傳感器安裝與數據獲取

分別于主枝杈下10 cm處安裝BD-IV型植物水分傳感器(0～2 500 mV，±2%)，用于監測植物莖干含水率；HYSWR-ARC型土壤水分傳感器(0～2 500 mV，±2%)探針向下垂直安裝于土層下10 cm處，探針有效測量深度為土表下20～40 cm，用于監測花盆內土壤含水率，安裝示意圖如圖4所示。此外，距離海棠種植園北5 m處，使用1.2節所設計的現場控制器(試驗期間灌溉控制功能不運作)，采集土壤含水率和莖干含水率。采集間隔10 min，數據通過NetPort傳至上位機，同時通過存儲模塊存于本地SD卡中，實現數據存儲雙保險。為方便數據處理，后期在進行數據分析時對采集的參數采用3點均值濾波的方式簡化數據樣本。

圖4 土壤水分傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic of soil moisture sensor installation

2.4 莖干含水率標定

BD-IV型植物水分傳感器輸出模擬電壓信號，轉換成體積含水率的形式需要進行標定試驗。本文參照文獻[17]對松樹樹段進行標定的方法，從試驗地截取一段直徑約為5 cm的海棠樹主干，長度約為10 cm；將木段完全浸入水中24 h以增加樹干含水率；測得鮮木段體積V和質量M；之后將裝好傳感器的木段放置于恒溫箱中(溫度為25℃)，每隔12 h記錄一次木段質量與傳感器輸出電壓，直至總質量與電壓趨于穩定后，將木段放置于干燥箱中干燥(溫度為60℃)至恒質量，再記錄質量與電壓，標定試驗進行14 d，莖干體積含水率計算公式為

(1)

式中MA——含水木段質量，g

MB——干木段質量，g

ρ——水的密度，g/cm3

V——木段體積，cm3

將含水率與電壓進行線性擬合，結果如圖5所示。由標定試驗得到的海棠莖干含水率與電壓的關系式為

圖5 莖干含水率與電壓的關系曲線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——莖干含水率，%

U——傳感器輸出電壓，mV

R2=0.965 3，說明標定曲線的線性度較好。

為驗證式(2)的可靠性，重新截取直徑約為5 cm、長約10 cm的鮮木段，按照干燥標定流程將木段干燥至恒質量。記錄傳感器的電壓和木段質量、體積。利用式(2)將電壓轉換為莖干含水率，并與干燥法測得的結果進行對比，如圖6所示。從圖6可以看出，對于所選取的木段，BD-IV型植物水分傳感器利用式(2)轉換后能夠準確地量化木段莖干含水率。

圖6 傳感器與干燥法的測量結果Fig.6 Measurement results of sensor and drying method

3 結果與分析

3.1 灌溉閾值分析

3.1.1干旱脅迫下莖干含水率與土壤含水率的變化情況

如圖7所示， 5組樣本的莖干含水率日變化曲線與EDWARDS等[19]借助于伽馬射線得到的結果非常相似，符合植物水生理日變化規律。當清晨太陽輻射(SAR)與飽和水汽壓差(VPD)迅速增加時，葉片蒸騰失水速率大于根系吸水速率，導致莖干含水率開始下降，在下午達到一天中的最小值；反之，當下午SAR和VPD開始下降時，葉片蒸騰失水速率小于根系吸水速率，導致莖干含水率開始回升，在次日清晨達到一天內的最大值[20]。從曲線變化特征來看，莖干含水率的日變化曲線呈現出單波峰波谷的特點。從曲線走勢分析，在整個干旱脅迫過程中，4個處理組的莖干含水率隨著土壤含水率的降低均呈現出明顯的下降趨勢；對照組由于沒有進行虧水處理，始終保持充分灌溉，莖干含水率始終保持穩定。

圖7 莖干含水率與土壤含水率關系曲線Fig.7 Diagrams of relationship between stem moisture content and soil moisture content

從圖7可知，在第1階段(6月11—15日)，處理組1、2、3的莖干含水率最低下降到43%左右，在6月15日灌溉補水后，莖干含水率迅速升高，并且日變化曲線始終保持單波峰波谷的特點。

第2階段(6月16—25日)，由于干旱持續周期變長，莖干含水率下降趨勢更為顯著。在6月20日以后，下降趨勢變緩，這可能是由于植物體內水分已經下降到較低水平，植物自身開啟了自我保護機制，通過關閉部分葉片氣孔和木質部導管降低蒸騰作用來減少水分的散失，從一部分葉片、樹枝枯萎也可以看出；此外，處理3的日變化曲線從單波峰波谷變成了雙波峰形式，說明缺水已經打破了植物的生理平衡，健康已經受到了威脅。在6月25日灌溉后，各樣本對灌溉補水的響應程度發生了明顯的變化：處理1和處理3的起始莖干含水率分別為55%和50%，在補水后莖干含水率分別迅速恢復到51.9%和48.4%；而處理2的起始莖干含水率為53%，在補水后僅恢復到48.4%，于補水后的第2天(6月26日)夜晚才恢復到起始水平，所需時間比處理1和處理3更長。可見，植株間具有明顯的差異性。

處理4在整個試驗期間沒有灌溉，可以明顯看出處理4的莖干含水率不斷下降，最低下降到20%；且日變化曲線從單波峰波谷變為雙波峰，最后變化為單波峰。樹的所有枝干與葉子均萎蔫枯干，說明處理4 的海棠樹樣本已經瀕臨死亡。

在試驗期間，莖干含水率的日極差發生明顯變化(圖8)。從圖8a～8c可以看出，試驗第2階段(6月16—25日)干旱脅迫共持續10 d，處理1、處理2和處理3的莖干含水率日極差總體呈現變小的趨勢，再次證明植物在缺水狀態下，通過關閉部分木質部導管束來降低蒸騰作用，以此減少水分散失的自我保護機制；處理4試驗期間不灌溉，圖8d為處理4在整個試驗期間(6月11—25日)莖干含水率日極差的變化情況，從圖8d可以看出，干旱脅迫持續到第10天(6月20日)前的變化規律與處理1、處理2和處理3相同，但從第10天起(6月20—25日)，莖干含水率日極差呈現增大的趨勢，說明處理4的海棠樣本由于干旱脅迫程度的加深，自我保護機能減弱，已經逐漸喪失了對體內水分的調控功能。

圖8 干旱脅迫下莖干含水率日極差變化曲線Fig.8 Diurnal variations of stem moisture content under drought stress

3.1.2莖干含水率閾值確定

試驗中觀察到的海棠樹外表變化見圖9。圖9a為試驗第1階段末、處理2的樣本外觀圖，由于第1階段干旱脅迫周期為5 d，海棠樹遭受的干旱脅迫程度較低，截止到6月15日灌溉補水時僅有少部分枝葉出現萎蔫現象。圖9b為處理2在試驗第2階段末的外觀圖，可以看出由于第2階段遭受干旱脅迫的時間長達10 d，在6月25日灌溉補水時，有較多的枝葉出現萎蔫。從保障植物觀賞性的角度來選擇，以第1階段作為灌溉閾值的節點更具合理性。

圖9 樹枝樹葉萎蔫情況Fig.9 Withering of branches and leaves

根據試驗結果、結合圖9和圖7，將干旱脅迫第1階段作為研究的節點，莖干含水率如表2所示，5個樣本的莖干含水率最小值約為43%；下降值在12%以內；并且第1階段海棠樹僅有極少部分的枝葉出現萎蔫情況。滿足一般灌溉策略制定的要求。因此，選取莖干含水率下限值43%和最大下降值12%作為開始灌溉的閾值。

表2 干旱脅迫第1階段莖干含水率Tab.2 Changes of stem moisture content in early stage of drought stress %

3.1.3土壤含水率閾值確定

土壤含水率對于灌溉補水的響應速度快于植物莖干含水率，莖干含水率通常會在灌溉后的次日凌晨達到峰值，若以莖干含水率作為停止灌溉的指標，則會出現過量灌溉的情況，因此可以設置適宜海棠樹生長的土壤含水率作為停止灌溉的指標，以達到節水灌溉的目的。

處理4沒有進行灌溉處理，模擬盆栽海棠樹從正常生長到干旱死亡的生理過程，隨著土壤含水率的減少，干旱脅迫程度逐漸加重，莖干含水率逐漸降低。為了探究適宜海棠樹生長的土壤含水率范圍，統計該樣本的莖干含水率與土壤含水率，樣本數量為768。并對土壤含水率與莖干含水率進行相關性分析，如圖10所示，得到莖干含水率與土壤含水率的關系式為

圖10 適宜海棠生長土壤水分閾值Fig.10 Soil moisture threshold suitable for growth of crabapple

(3)

式中SWC——土壤含水率，%

R2=0.918 3，說明擬合度較好。

開啟閥門灌溉的下限閾值是莖干含水率低于43%，處理4樣本在干旱脅迫試驗前的日平均莖干含水率約為50%，根據式(3)，結合灌溉的下限閾值，當莖干含水率在43%～50%時，土壤含水率在21%～33%。所以，對于盆栽海棠樣本，需保證莖干含水率在50%以上，土壤含水率需達到33%以上。

3.2 驗證實例

從7月11日開始，根據莖干含水率下限值43%和最大下降值12%兩種指標分別選取樣本樹進行實驗驗證。海棠樹1是依照莖干含水率下限值進行灌溉，海棠樹2按照莖干含水率下降范圍進行灌溉。

圖11為海棠樹1莖干含水率與土壤含水率的變化曲線。從圖11可以看出，莖干含水率最大值在52%左右，于7月16日15時到達最小值42.91%，低于設定閾值43%，控制器驅動電磁閥進行灌溉，土壤含水率從15.95%上升到33.80% 。莖干含水率在次日凌晨達到峰值點，說明植物恢復到健康水平。該試驗過程通過從樹外表觀察：僅有極少部分樹葉有萎蔫現象，個別細小樹枝有缺水現象，樹的整體長勢良好，有許多新生嫩葉長出。證明按莖干含水率43%作為灌溉下限、土壤含水率33%作為灌溉上限的灌溉策略具有可行性。

圖11 按莖干含水率最小值灌溉相關參數變化曲線Fig.11 Changing curves of relevant parameters of irrigation according to minimum stem moisture content

圖12為海棠樹2的莖干含水率和土壤含水率的變化曲線，樹2的莖干含水率最大值為56.94%。由圖可知，在7月16日15時莖干含水率達到最小值44.52%，下降值達到12.42%，超過設定值12%，控制器驅動閥門進行灌溉，土壤含水率從15.7%升至33.6%。莖干含水率在7月17日凌晨達到峰值，整體呈上升趨勢。外表與樹1相同，長勢良好，樹枝、樹葉萎蔫狀況占極少數。證明按莖干含水率下降值不超過12%作為灌溉下限、土壤含水率33%作為灌溉上限的灌溉策略同樣有效可行。

圖12 按莖干含水率下降范圍灌溉相關參數變化曲線Fig.12 Changing curves of irrigation related parameters according to reduction range of stem moisture content

在實際制定灌溉策略時，將兩種指標相結合可以保證灌溉策略的普適性，對于耐干旱樹種，可以選擇莖干含水率下限值作為灌溉指標；對于樹干直徑較大、莖干含水率較高的樹種，優先選擇莖干含水率下降范圍作為灌溉指標。

4 結束語

基于BD-IV型植物水分傳感器分析了干旱脅迫下海棠樹的莖干含水率變化規律，提出了以莖干含水率43%和莖干含水率最大下降值12%為下限閾值、土壤含水率33%為上限閾值的灌溉策略，并利用所設計的灌溉控制系統驗證了該灌溉策略的有效性，結果表明，該灌溉控制策略能夠滿足海棠樹的生命需水，可為有關活立木灌溉控制研究提供新思路。