一種日光溫室基質袋培作物灌水量的模擬計算方法
【專利摘要】本發明涉及一種適用于日光溫室基質袋培作物生長灌水量的模擬計算方法，根據袋培作物植株每日實時生長量和日光溫室內光溫耦合量之間的關系，建立日光溫室基質袋培作物生長每天水分精確灌溉的模擬模型。將作物植株每天的模擬灌水量MDI與作物植株正常生長時每天實際測量的灌溉量RDI比較進行模型驗證，二者之間的擬合度可達到82.34%，模型的模擬精確度高，應用效果好，具有很好的可行性。所述模擬計算方法可供日光溫室內種植的番茄等基質袋培作物進行灌水量管理，根據作物生長狀況及日光溫室內的環境條件調整灌水量，使灌溉量更能夠滿足作物的生長需求。
【專利說明】
一種日光溫室基質袋培作物灌水量的模擬計算方法
技術領域
[0001] 本發明涉及現代農業灌溉技術領域，尤其涉及日光溫室袋培作物灌水量的模擬計 算方法。
【背景技術】
[0002] 溫室現代作物生產的一個重要發展趨勢就是建立作物模型，模型可以描述作物生 長變化與環境條件之間的關系，例如光照強度、溫度、濕度等。設施園藝作物模型是溫室生 產智能化操作與管理軟件的核心部分，對設施中作物生長環境參數的調控和發揮設施農業 優質高效的生產功能具有重要作用。
[0003] 目前國外已經建立了大型智能連棟溫室條件下的環境控制模型和許多園藝作物 的生長模型及其灌水模型。由于智能溫室實現了溫室的光、溫、水、氣、肥等環境條件的精準 控制，使作物處于最佳或適宜的生長環境條件下，因此作物的生長模型和灌水模型取得很 好的應用效果。而我國主要的設施類型是日光溫室，由于日光溫室結構簡陋、配套設備不完 善，環境調控能力差，光、溫等環境因子變化巨大，導致國外溫室作物生長和灌水模型難以 在國內應用。
[0004] 以農林廢棄物為主要原料的基質栽培是當前適宜國情的主要無土栽培方式。基質 袋培由于基質容量小，必須采取少量多次的肥水管理措施，因此，日光溫室袋培作物需要結 合作物生長情況實現肥水的定時、定量和定位供給，現有技術中采用作物生長模型的方式 計算作物生長量，不能如實反應作物的實際生長對灌溉的需求，同時無法實現結合日光溫 室環境的實時光照和溫度之間的光溫耦合量關系進行灌溉，不能實現精準化灌溉，不能較 好的滿足日光溫室作物例如作物的生長需求。
[0005] 為解決上述問題，以作物為例，本發明通過實時稱重的方法確定作物植株每日的 增長量，來代替通過作物生長模型計算作物生長量。同時，結合日光溫室環境的實時光照和 溫度之間的光溫耦合量關系，最終建立日光溫室基質袋培作物生長灌水量計算的模擬模 型，能夠較好的滿足日光溫室作物生長的需求，反應作物實際的生長需要。而且，該模型的 建立將為實現日光溫室作物基質袋培灌水的精準化與自動化管理奠定基礎，為日光溫室作 物栽培模式的現代化提供技術支撐，促進我國日光溫室作物栽培模式更新換代并向現代化 方向發展。
【發明內容】
[0006] 本發明涉及一種適用于日光溫室基質袋培作物灌水量的模擬計算方法。發明目的 是根據袋培作物植株每日實時生長量和日光溫室內光溫耦合量等環境條件之間關系的研 究，建立日光溫室基質袋培作物生長每日水分精確灌溉的模擬模型。此模型與實際灌水量 的擬合度高，應用效果好，可供番茄等多種日光溫室基質袋培作物的水分管理使用。
【附圖說明】
[0007] 圖1:作物植株實時生長量模型計算值與實際生長量計算值的1:1線性回歸圖；
[0008] 圖2:作物植株每日模擬灌水量與實際灌溉量的1:1線性回歸圖。
【具體實施方式】
[0009] 本發明基于日光溫室袋培作物實時生長量的生長模型和每日24小時內每小時的 光溫耦合量之和，計算作物每日模擬灌溉量MDI。包括以下步驟：
[0010] 一、基于實時生長量的作物生長模型的計算及驗證 [0011] 1、植株每日實時生長量AMTG的模擬測量
[0012] 將種植作物植株的栽培袋置于托盤中一起放到精度為0.01kg的電子稱上每隔十 分鐘進行實時稱重，通過無線傳感器自動記錄生長量。經記錄觀察，每天凌晨植株重量不再 發生較大變化了，因此定植后第9天開始每天凌晨的重量測量值用于計算植株每日實時生 長量AMTG。由于定植前澆透水，前9天處于緩苗期，因此無需灌水，即使是在第9天凌晨稱重 前也無需灌溉。定植后從第10天開始進行灌溉，灌溉方式是從上午八點到下午五點每隔半 小時灌溉一次。由于日光溫室內每日的光照和溫度變化較大，導致每日的蒸發蒸騰變化不 一，因此在托盤的一角上設置一個孔洞，使多余的水流出，這樣每日每次灌水時保證有少量 水分流出，以確保基質灌水充足，同時保證基質吸水量大致相同，便于準確稱量植株的生長 量，以減少水分蒸發對植株生長量的影響。用第二天凌晨零點的植株實時生長量測量值減 去前一天凌晨零點的植株實時生長量測量值，即近似于植株第i天的實時生長量AMTG(i)， 用以下公式計算：
[0013] AMTG(i)=Pff(i+l)-Pff(i)
[0014] 式中，PW(i)及PW(i+l)分別為第i天及第i+1天凌晨零點的植株實時生長量，AMTG (i)為第i天的植株實時生長量。i為取值1 〇，11，12，……的自然數。
[0015] 當PW(i+l)彡PW(i)時，第i天的生長量AMTG(i)為第i+Ι天與第i-Ι天兩天植株實 時生長量的平均值。
[0016] gp ： AMTG( i) = [ AMTG( i+1 )+AMTG( i-1) ]/2
[0017] 若仍有PW(i+2)彡PW(i)，則第i天的生長量AMTG(i)為第i+2天與第i-1天兩天的 生長量除以3的平均值，即：
[0018] AMTG( i) = [ AMTG( i+2)+AMTG( i-1) ]/3
[0019] ……，依此方法以此類推計算
[0020] 2、植株每日實際生長量ARAG的測量
[0021] (1)取樣：
[0022]自定植后10天開始每隔d天，進行破壞性取樣一次，d彡1，一般取5~10之間的自然 數。取長勢一致的植株，用精度o.oig的電子天平稱分別測量植株的莖、葉、花、果、根的鮮 重。
[0023] (2)作物實際生長量的計算：
[0024] 植株的莖、葉、花、果、根的鮮重之和即為總鮮重，每隔d天之間的兩次連續取樣的 總鮮重差值，即為植株間隔d天內總的實際生長量TAG。
[0025] ΔΤΑ6 (di) = S2-S1 = RAG (c+d) -RAG (c)；
[0026] ΔΤΑ6 (d2) = S3-S2 = RAG (c+2d) -RAG (c+d)；
[0027] ΔTAG(d3) = S4-S3 = RAG(c+3d)-RAG(c+2d)；
[0028] ……
[0029] ATAG(dj) = Sj.i-Sj = RAG(c+j*d)-RAG(c+(j-l)*d)。
[0030] 其中，Sj+dPSj分別為第（j+1)次和第j次取樣，RAG為取樣時植株總鮮重;c為從定 植到第一次取樣的間隔天數，取值為10; dj和dj-i分別為第j個d天和第(j-Ι)個d天的取樣，j 為取值1，2,3,……的自然數;用d天中平均每天的實際生長量ARAG(i)模擬作物植株第i天 的生長量，用以下公式計算：
[0031] ARAG(i) = ATAG(dj)/d
[0032] =[RAG(c+j*d)_RAG(c+(j_l)*d)]/d
[0033] i的取值范圍從【c+(j_l)*d】到【c+j*d】，此處i的取值與植株每日實時生長量Λ MTG(i)中出現的i取值范圍相同，即為從10開始的自然數，以便于相同天數生長量的比較驗 證。
[0034] 3、作物植株實時生長量模型的驗證
[0035]在i取相同值時，將作物植株實時生長量模型的計算值AMTG(i)與實際生長量的 計算值ARAG(i)進行比較，驗證實時生長量模型計算方法的擬合度。如圖1所示，擬合的1:1 直線方程為y = 〇 .9858x;R2為作物植株實際生長量即y軸代表的真實值與實時生長量即X軸 代表的模擬值之間的擬合度，可達95.82%證明植株每日實時生長量模型的模擬精確度很 高，具有很好的可行性。
[0036]二、光溫親合量的計算過程
[0037]首先計算每小時的相對溫度(RT)，然后用每小時的相對溫度乘以對應小時內的有 效光合光照強度(EPLI)，即為每小時的光溫耦合量(HLT)。
[0038] 1、相對溫度RT的計算：
[0039]
[0040] 式中：T為每小時的平均溫度，To為生長最適溫度，Tb為生長下限溫度，Tu為生長上 限溫度。溫度計每半小時記錄一次這段時間的平均值從而得到每小時的平均溫度T。本研究 主要進行開花坐果期的試驗。
[0041]
[0042] 2、有效光合光照強度EPLI的計算：
[0043]把光照強度轉化為有效光合光照強度EPLI:
[0044] EPLI=y · lux
[0045] 式中：μ是轉換系數，一般取5.07*1(^。11?是光照強度，采用照度計每隔三分鐘自 動記錄溫室內光照強度數據得到。
[0046] 3、光溫耦合量的計算：
[0047] HLT(a) =RT · EPLI · 3600
[0048] DLT(i)= Σ (HLT(a)/1000000)
[0049] 式中：a=l，2,3……，24，表示一天24個小時;HLT(a)為第i天24小時中每個小時的 光溫耦合量；3600是把小時轉換成60*60秒；DLT(i)為第i天24小時總的光溫耦合量； 1000000為焦耳J轉換為兆焦耳MJ的轉換系數。
[0050]三、每日的模擬灌溉量MDI的計算及驗證 [0051] 1、每日的模擬灌溉量MDI的計算
[0052]根據作物第i天的實時生長量模型，及其光溫耦合量模型，可模擬計算植株的第i 天灌溉量MDI(i):
[0053] MDI(i)=f[AMTG(i)，DLT(i)]
[0054] =k+mX [DLT(i)]+nX [AMTG(i)]+pX [DLT(i)]2+qX [AMTG(i)]2-eX [DLT(i)] X[AMTG(i)]
[0055] 式中：f代表函數，即MDI(i)為[AMTG(i)，DLT(i)]的一個函數;DLT(i)是第i天24 小時光溫耦合量的和；AMTG(i)是模擬的植株第i天實時生長量;k，m，η，p，q，e均為常數，k =-0.5784，m = 0.0062，η = 3· 0097，ρ = -0· 0000008，q = 0.1344，e = 0.0032,均是由實測資 料分析確定的經驗系數。
[0056] 2、作物植株每日模擬灌水量的實際驗證
[0057]將作物植株每日的模擬灌水量MDI (i)與實際灌溉量RDI (i)比較，進行模型驗證， 實際灌溉量RDI (i)即作物植株正常生長時每日實際測量的灌溉量，通過有刻度的容皿在灌 溉前測量記錄。如圖2所示，擬合的1:1直線方程為y = 0.9161x;R2代表y軸代表的真實灌溉 量與X軸代表的模擬灌溉量之間的擬合度，可達到82.34%，可證明灌水模型的模擬精確度 高，具有很好的可行性。
[0058]本領域技術人員將理解，在不背離概括性的描述本發明的精神或范圍的前提下， 可以對如在【具體實施方式】中示出的本發明進行多種變化和/或修改。因此本發明所提供的 實施方式在任何方面對本發明是說明性的而不是限制性的。
【主權項】
1. 一種日光溫室基質袋培作物灌水量的模擬計算方法，包括如下步驟： 模擬計算作物每日實時生長量AMTG; 計算日光溫室每日的光溫耦合量DLT; 計算作物每日的模擬灌溉量MDI; 其特征在于:每日的模擬灌溉量MDI根據作物每日實時生長量AMTG和日光溫室每日的 光溫耦合量DLT計算得到。2. 如權利要求1所述的計算方法，其特征在于:根據作物第i天實時生長量AMTG(i)和 日光溫室第i天24小時內每小時光溫耦合量之和DLT( i)計算作物第i天模擬灌溉量MDI (i) 的公式如下： MDI(i)=f[AMTG(i)，DLT(i)] = k+m*(DLT(i)+n*[AMTG(i)]+p*[DLT(i)]2+q*[AMTG(i)]2-e*[DLT(i)]*[AMTG(i)] 式中：f代表函數，MDI(i)為[AMTG(i)，DLT(i)]的函數;k，m，n，p，q，e均為常數沽=- 0.5784，m=0.0062，η = 3· 0097，p = -0.0000008，q = 0.1344, e = 0.0032,均是由實測資料分 析確定的經驗系數，i為包括10在內的自然數。3. 如權利要求1所述的計算方法，其特征在于:所述方法還包括測量作物每日實際生長 量ARAG，用于驗證作物每日實時生長量AMTG與每日實際生長量ARAG之間的擬合度。4. 如權利要求2所述的計算方法，其特征在于:所述擬合度可達95.82 %。5. 如權利要求1所述的計算方法，其特征在于:模擬計算作物每日實時生長量AMTG時 包括以下情形， 當PW(i+l)>PW(i)，作物第i天實時生長量厶1?^(丨）=?1(丨+1)-?1(丨），其中？1(丨）及1^ (i+Ι)分別為第i天及第i+Ι天的作物實時生長量； 當PW(i+l)彡PW(i)時，厶]^6(丨）=[厶]\?^(丨+1)+厶]\?^(卜1)]/2，即第1天的實時生長 量AMTG(i)為第i+Ι天與第i-Ι天兩天實時生長量的平均值； 若仍有 PW(i+2)彡 PW(i)，則第 i 天的實時生長量 AMTG(i) = [AMTG(i+2)+AMTG(i-1)]/3,即第i天的實時生長量AMTG(i)為第i+2天與第i-1天兩天的實時生長量除以3的平 均值，依此方法以此類推計算，i為包括10在內的自然數。6. 如權利要求3所述的計算方法，其特征在于：測量作物每日實際生長量ARAG包括如 下步驟： 步驟1:取樣，自定植后10天開始每隔d天進行破壞性取樣一次，d多1，取值范圍為5~10 天，取長勢一致的作物，用精度〇.Olg的電子天平稱分別測量作物的莖、葉、花、果、根的鮮 重，得到取樣時作物總鮮重RAG。 步驟2:作物實際生長量的測量，作物間隔d天內總的實際生長量ATAG(Clj)=S^1-S j = 1^((^_*(1)-1^((3+〇-1)*(1)，式中5」+1和5」分別為第〇+1)次和第」次取樣，(3為從定植到第 一次取樣的間隔天數，取值為1 〇，j為從1開始的自然數； 用d天中平均每日的實際生長量ARAG(i)作為番茄作物第i天的生長量，用以下公式計 算： ARAG(i) = ATAG(dj)/d =[RAG(c+j*d)-RAG(c+(j_l)*d)]/d 式中，i的取值范圍為從[c+(j-1)*d ]到[c+j*d ]，i為從10開始的自然數。7. 如據權利要求1所述的計算方法，其特征在于:光溫耦合量DLT的計算過程包括如下 步驟： (1) 計算每小時的相對溫度RT式中：To為生長最適溫度，Tb為生長下限溫度，Tu為生長上限溫度，開花坐果期所述溫 度分別為25°C、10°C及35°C，T為每小時的平均溫度，溫度計每半小時記錄一次該時段溫度 的平均值得到每小時的平均溫度T; (2) 計算有效光合光照強度EPLI 把光照強度轉化為有效光合光照強度EPLI，EPLI=y · Iux 式中：μ是轉換系數，取值為5.07*l(T3，luX是光照強度，采用照度計每隔三分鐘自動記 錄溫室內光照強度數據得到； (3) 計算光溫耦合量DLT HLT(a) =RT · EPLI · 3600 DLT(i)= Σ (HLT(a)/1000000) 式中：a=l，2,3……，24,表示一天24個小時;HLT(a)為第i天24小時中每個小時的光溫 耦合量;3600是把小時轉換成60*60秒;DLT(i)為第i天24小時總的光溫耦合量；1000000為 焦耳J轉換為兆焦耳MJ的轉換系數。8. 如權利要求1所述的計算方法，其特征在于:所述方法還包括驗證作物每日的模擬灌 水量MDI的步驟，比較模擬灌水量MDI與作物正常生長時每日實際測量的灌溉量RDI的擬合 度。9. 如權利要求8所述的計算方法，其特征在于:所述擬合度可達82.34%。
【文檔編號】A01G9/24GK105993720SQ201610414523
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】孫周平, 王丹丹, 李堅, 李天來, 劉玉鳳, 張小蘭
【申請人】沈陽農業大學