一種日光溫室基質(zhì)袋培作物灌水量的模擬計(jì)算方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于日光溫室基質(zhì)袋培作物生長(zhǎng)灌水量的模擬計(jì)算方法，根據(jù)袋培作物植株每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量和日光溫室內(nèi)光溫耦合量之間的關(guān)系，建立日光溫室基質(zhì)袋培作物生長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)每天實(shí)際測(cè)量的灌溉量RDI比較進(jìn)行模型驗(yàn)證，二者之間的擬合度可達(dá)到82.34%，模型的模擬精確度高，應(yīng)用效果好，具有很好的可行性。所述模擬計(jì)算方法可供日光溫室內(nèi)種植的番茄等基質(zhì)袋培作物進(jìn)行灌水量管理，根據(jù)作物生長(zhǎng)狀況及日光溫室內(nèi)的環(huán)境條件調(diào)整灌水量，使灌溉量更能夠滿(mǎn)足作物的生長(zhǎng)需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種日光溫室基質(zhì)袋培作物灌水量的模擬計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及日光溫室袋培作物灌水量的模擬計(jì) 算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫室現(xiàn)代作物生產(chǎn)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)就是建立作物模型，模型可以描述作物生 長(zhǎng)變化與環(huán)境條件之間的關(guān)系，例如光照強(qiáng)度、溫度、濕度等。設(shè)施園藝作物模型是溫室生 產(chǎn)智能化操作與管理軟件的核心部分，對(duì)設(shè)施中作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的調(diào)控和發(fā)揮設(shè)施農(nóng)業(yè) 優(yōu)質(zhì)高效的生產(chǎn)功能具有重要作用。
[0003] 目前國(guó)外已經(jīng)建立了大型智能連棟溫室條件下的環(huán)境控制模型和許多園藝作物 的生長(zhǎng)模型及其灌水模型。由于智能溫室實(shí)現(xiàn)了溫室的光、溫、水、氣、肥等環(huán)境條件的精準(zhǔn) 控制，使作物處于最佳或適宜的生長(zhǎng)環(huán)境條件下，因此作物的生長(zhǎng)模型和灌水模型取得很 好的應(yīng)用效果。而我國(guó)主要的設(shè)施類(lèi)型是日光溫室，由于日光溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)陋、配套設(shè)備不完 善，環(huán)境調(diào)控能力差，光、溫等環(huán)境因子變化巨大，導(dǎo)致國(guó)外溫室作物生長(zhǎng)和灌水模型難以 在國(guó)內(nèi)應(yīng)用。
[0004] 以農(nóng)林廢棄物為主要原料的基質(zhì)栽培是當(dāng)前適宜國(guó)情的主要無(wú)土栽培方式?；|(zhì) 袋培由于基質(zhì)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(jié) 合作物生長(zhǎng)情況實(shí)現(xiàn)肥水的定時(shí)、定量和定位供給，現(xiàn)有技術(shù)中采用作物生長(zhǎng)模型的方式 計(jì)算作物生長(zhǎng)量，不能如實(shí)反應(yīng)作物的實(shí)際生長(zhǎng)對(duì)灌溉的需求，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)合日光溫 室環(huán)境的實(shí)時(shí)光照和溫度之間的光溫耦合量關(guān)系進(jìn)行灌溉，不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化灌溉，不能較 好的滿(mǎn)足日光溫室作物例如作物的生長(zhǎng)需求。
[0005] 為解決上述問(wèn)題，以作物為例，本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)稱(chēng)重的方法確定作物植株每日的 增長(zhǎng)量，來(lái)代替通過(guò)作物生長(zhǎng)模型計(jì)算作物生長(zhǎng)量。同時(shí)，結(jié)合日光溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)光照和 溫度之間的光溫耦合量關(guān)系，最終建立日光溫室基質(zhì)袋培作物生長(zhǎng)灌水量計(jì)算的模擬模 型，能夠較好的滿(mǎn)足日光溫室作物生長(zhǎng)的需求，反應(yīng)作物實(shí)際的生長(zhǎng)需要。而且，該模型的 建立將為實(shí)現(xiàn)日光溫室作物基質(zhì)袋培灌水的精準(zhǔn)化與自動(dòng)化管理奠定基礎(chǔ)，為日光溫室作 物栽培模式的現(xiàn)代化提供技術(shù)支撐，促進(jìn)我國(guó)日光溫室作物栽培模式更新?lián)Q代并向現(xiàn)代化 方向發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明涉及一種適用于日光溫室基質(zhì)袋培作物灌水量的模擬計(jì)算方法。發(fā)明目的 是根據(jù)袋培作物植株每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量和日光溫室內(nèi)光溫耦合量等環(huán)境條件之間關(guān)系的研 究，建立日光溫室基質(zhì)袋培作物生長(zhǎng)每日水分精確灌溉的模擬模型。此模型與實(shí)際灌水量 的擬合度高，應(yīng)用效果好，可供番茄等多種日光溫室基質(zhì)袋培作物的水分管理使用。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1:作物植株實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量模型計(jì)算值與實(shí)際生長(zhǎng)量計(jì)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(shí)際灌溉量的1:1線性回歸圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 本發(fā)明基于日光溫室袋培作物實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量的生長(zhǎng)模型和每日24小時(shí)內(nèi)每小時(shí)的 光溫耦合量之和，計(jì)算作物每日模擬灌溉量MDI。包括以下步驟：
[0010] 一、基于實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量的作物生長(zhǎng)模型的計(jì)算及驗(yàn)證 [0011] 1、植株每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量AMTG的模擬測(cè)量
[0012] 將種植作物植株的栽培袋置于托盤(pán)中一起放到精度為0.01kg的電子稱(chēng)上每隔十 分鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)稱(chēng)重，通過(guò)無(wú)線傳感器自動(dòng)記錄生長(zhǎng)量。經(jīng)記錄觀察，每天凌晨植株重量不再 發(fā)生較大變化了，因此定植后第9天開(kāi)始每天凌晨的重量測(cè)量值用于計(jì)算植株每日實(shí)時(shí)生 長(zhǎng)量AMTG。由于定植前澆透水，前9天處于緩苗期，因此無(wú)需灌水，即使是在第9天凌晨稱(chēng)重 前也無(wú)需灌溉。定植后從第10天開(kāi)始進(jìn)行灌溉，灌溉方式是從上午八點(diǎn)到下午五點(diǎn)每隔半 小時(shí)灌溉一次。由于日光溫室內(nèi)每日的光照和溫度變化較大，導(dǎo)致每日的蒸發(fā)蒸騰變化不 一，因此在托盤(pán)的一角上設(shè)置一個(gè)孔洞，使多余的水流出，這樣每日每次灌水時(shí)保證有少量 水分流出，以確保基質(zhì)灌水充足，同時(shí)保證基質(zhì)吸水量大致相同，便于準(zhǔn)確稱(chēng)量植株的生長(zhǎng) 量，以減少水分蒸發(fā)對(duì)植株生長(zhǎng)量的影響。用第二天凌晨零點(diǎn)的植株實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量測(cè)量值減 去前一天凌晨零點(diǎn)的植株實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量測(cè)量值，即近似于植株第i天的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量AMTG(i)， 用以下公式計(jì)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(diǎn)的植株實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量，AMTG (i)為第i天的植株實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量。i為取值1 〇，11，12，……的自然數(shù)。
[0015] 當(dāng)PW(i+l)彡P(guān)W(i)時(shí)，第i天的生長(zhǎng)量AMTG(i)為第i+Ι天與第i-Ι天兩天植株實(shí) 時(shí)生長(zhǎng)量的平均值。
[0016] gp ： AMTG( i) = [ AMTG( i+1 )+AMTG( i-1) ]/2
[0017] 若仍有PW(i+2)彡P(guān)W(i)，則第i天的生長(zhǎng)量AMTG(i)為第i+2天與第i-1天兩天的 生長(zhǎng)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(lèi)推計(jì)算
[0020] 2、植株每日實(shí)際生長(zhǎng)量ARAG的測(cè)量
[0021] (1)取樣：
[0022]自定植后10天開(kāi)始每隔d天，進(jìn)行破壞性取樣一次，d彡1，一般取5~10之間的自然 數(shù)。取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，用精度o.oig的電子天平稱(chēng)分別測(cè)量植株的莖、葉、花、果、根的鮮 重。
[0023] (2)作物實(shí)際生長(zhǎng)量的計(jì)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(xù)取樣的 總鮮重差值，即為植株間隔d天內(nèi)總的實(shí)際生長(zhǎng)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(shí)植株總鮮重;c為從定 植到第一次取樣的間隔天數(shù)，取值為10; dj和dj-i分別為第j個(gè)d天和第(j-Ι)個(gè)d天的取樣，j 為取值1，2,3,……的自然數(shù);用d天中平均每天的實(shí)際生長(zhǎng)量ARAG(i)模擬作物植株第i天 的生長(zhǎng)量，用以下公式計(jì)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(shí)時(shí)生長(zhǎng)量Λ MTG(i)中出現(xiàn)的i取值范圍相同，即為從10開(kāi)始的自然數(shù)，以便于相同天數(shù)生長(zhǎng)量的比較驗(yàn) 證。
[0034] 3、作物植株實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量模型的驗(yàn)證
[0035]在i取相同值時(shí)，將作物植株實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量模型的計(jì)算值A(chǔ)MTG(i)與實(shí)際生長(zhǎng)量的 計(jì)算值A(chǔ)RAG(i)進(jìn)行比較，驗(yàn)證實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量模型計(jì)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(shí)際生長(zhǎng)量即y軸代表的真實(shí)值與實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量即X軸 代表的模擬值之間的擬合度，可達(dá)95.82%證明植株每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)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(jì)算過(guò)程
[0037]首先計(jì)算每小時(shí)的相對(duì)溫度(RT)，然后用每小時(shí)的相對(duì)溫度乘以對(duì)應(yīng)小時(shí)內(nèi)的有 效光合光照強(qiáng)度(EPLI)，即為每小時(shí)的光溫耦合量(HLT)。
[0038] 1、相對(duì)溫度RT的計(jì)算：
[0039]
[0040] 式中：T為每小時(shí)的平均溫度，To為生長(zhǎng)最適溫度，Tb為生長(zhǎng)下限溫度，Tu為生長(zhǎng)上 限溫度。溫度計(jì)每半小時(shí)記錄一次這段時(shí)間的平均值從而得到每小時(shí)的平均溫度T。本研究 主要進(jìn)行開(kāi)花坐果期的試驗(yàn)。
[0041]
[0042] 2、有效光合光照強(qiáng)度EPLI的計(jì)算：
[0043]把光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為有效光合光照強(qiáng)度EPLI:
[0044] EPLI=y · lux
[0045] 式中：μ是轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取5.07*1(^。11?是光照強(qiáng)度，采用照度計(jì)每隔三分鐘自 動(dòng)記錄溫室內(nèi)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)得到。
[0046] 3、光溫耦合量的計(jì)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(gè)小時(shí);HLT(a)為第i天24小時(shí)中每個(gè)小時(shí)的 光溫耦合量；3600是把小時(shí)轉(zhuǎn)換成60*60秒；DLT(i)為第i天24小時(shí)總的光溫耦合量； 1000000為焦耳J轉(zhuǎn)換為兆焦耳MJ的轉(zhuǎn)換系數(shù)。
[0050]三、每日的模擬灌溉量MDI的計(jì)算及驗(yàn)證 [0051] 1、每日的模擬灌溉量MDI的計(jì)算
[0052]根據(jù)作物第i天的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量模型，及其光溫耦合量模型，可模擬計(jì)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(shù)，即MDI(i)為[AMTG(i)，DLT(i)]的一個(gè)函數(shù);DLT(i)是第i天24 小時(shí)光溫耦合量的和；AMTG(i)是模擬的植株第i天實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量;k，m，η，p，q，e均為常數(shù)，k =-0.5784，m = 0.0062，η = 3· 0097，ρ = -0· 0000008，q = 0.1344，e = 0.0032,均是由實(shí)測(cè)資 料分析確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
[0056] 2、作物植株每日模擬灌水量的實(shí)際驗(yàn)證
[0057]將作物植株每日的模擬灌水量MDI (i)與實(shí)際灌溉量RDI (i)比較，進(jìn)行模型驗(yàn)證， 實(shí)際灌溉量RDI (i)即作物植株正常生長(zhǎng)時(shí)每日實(shí)際測(cè)量的灌溉量，通過(guò)有刻度的容皿在灌 溉前測(cè)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(shí)灌溉 量與X軸代表的模擬灌溉量之間的擬合度，可達(dá)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(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不背離概括性的描述本發(fā)明的精神或范圍的前提下， 可以對(duì)如在【具體實(shí)施方式】中示出的本發(fā)明進(jìn)行多種變化和/或修改。因此本發(fā)明所提供的 實(shí)施方式在任何方面對(duì)本發(fā)明是說(shuō)明性的而不是限制性的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種日光溫室基質(zhì)袋培作物灌水量的模擬計(jì)算方法，包括如下步驟： 模擬計(jì)算作物每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量AMTG; 計(jì)算日光溫室每日的光溫耦合量DLT; 計(jì)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(jù)作物每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量AMTG和日光溫室每日的 光溫耦合量DLT計(jì)算得到。2. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于:根據(jù)作物第i天實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量AMTG(i)和 日光溫室第i天24小時(shí)內(nèi)每小時(shí)光溫耦合量之和DLT( i)計(jì)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(shù)，MDI(i)為[AMTG(i)，DLT(i)]的函數(shù);k，m，n，p，q，e均為常數(shù)沽=- 0.5784，m=0.0062，η = 3· 0097，p = -0.0000008，q = 0.1344, e = 0.0032,均是由實(shí)測(cè)資料分 析確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，i為包括10在內(nèi)的自然數(shù)。3. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于:所述方法還包括測(cè)量作物每日實(shí)際生長(zhǎng) 量ARAG，用于驗(yàn)證作物每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量AMTG與每日實(shí)際生長(zhǎng)量ARAG之間的擬合度。4. 如權(quán)利要求2所述的計(jì)算方法，其特征在于:所述擬合度可達(dá)95.82 %。5. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于:模擬計(jì)算作物每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量AMTG時(shí) 包括以下情形， 當(dāng)PW(i+l)>PW(i)，作物第i天實(shí)時(shí)生長(zhǎng)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(shí)時(shí)生長(zhǎng)量； 當(dāng)PW(i+l)彡P(guān)W(i)時(shí)，厶]^6(丨）=[厶]\?^(丨+1)+厶]\?^(卜1)]/2，即第1天的實(shí)時(shí)生長(zhǎng) 量AMTG(i)為第i+Ι天與第i-Ι天兩天實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量的平均值； 若仍有 PW(i+2)彡 PW(i)，則第 i 天的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量 AMTG(i) = [AMTG(i+2)+AMTG(i-1)]/3,即第i天的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量AMTG(i)為第i+2天與第i-1天兩天的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量除以3的平 均值，依此方法以此類(lèi)推計(jì)算，i為包括10在內(nèi)的自然數(shù)。6. 如權(quán)利要求3所述的計(jì)算方法，其特征在于：測(cè)量作物每日實(shí)際生長(zhǎng)量ARAG包括如 下步驟： 步驟1:取樣，自定植后10天開(kāi)始每隔d天進(jìn)行破壞性取樣一次，d多1，取值范圍為5~10 天，取長(zhǎng)勢(shì)一致的作物，用精度〇.Olg的電子天平稱(chēng)分別測(cè)量作物的莖、葉、花、果、根的鮮 重，得到取樣時(shí)作物總鮮重RAG。 步驟2:作物實(shí)際生長(zhǎng)量的測(cè)量，作物間隔d天內(nèi)總的實(shí)際生長(zhǎng)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(shù)，取值為1 〇，j為從1開(kāi)始的自然數(shù)； 用d天中平均每日的實(shí)際生長(zhǎng)量ARAG(i)作為番茄作物第i天的生長(zhǎng)量，用以下公式計(jì) 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(kāi)始的自然數(shù)。7. 如據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于:光溫耦合量DLT的計(jì)算過(guò)程包括如下 步驟： (1) 計(jì)算每小時(shí)的相對(duì)溫度RT式中：To為生長(zhǎng)最適溫度，Tb為生長(zhǎng)下限溫度，Tu為生長(zhǎng)上限溫度，開(kāi)花坐果期所述溫 度分別為25°C、10°C及35°C，T為每小時(shí)的平均溫度，溫度計(jì)每半小時(shí)記錄一次該時(shí)段溫度 的平均值得到每小時(shí)的平均溫度T; (2) 計(jì)算有效光合光照強(qiáng)度EPLI 把光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為有效光合光照強(qiáng)度EPLI，EPLI=y · Iux 式中：μ是轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為5.07*l(T3，luX是光照強(qiáng)度，采用照度計(jì)每隔三分鐘自動(dòng)記 錄溫室內(nèi)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)得到； (3) 計(jì)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(gè)小時(shí);HLT(a)為第i天24小時(shí)中每個(gè)小時(shí)的光溫 耦合量;3600是把小時(shí)轉(zhuǎn)換成60*60秒;DLT(i)為第i天24小時(shí)總的光溫耦合量；1000000為 焦耳J轉(zhuǎn)換為兆焦耳MJ的轉(zhuǎn)換系數(shù)。8. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于:所述方法還包括驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)每日實(shí)際測(cè)量的灌溉量RDI的擬合 度。9. 如權(quán)利要求8所述的計(jì)算方法，其特征在于:所述擬合度可達(dá)82.34%。
【文檔編號(hào)】A01G9/24GK105993720SQ201610414523
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】孫周平, 王丹丹, 李堅(jiān), 李天來(lái), 劉玉鳳, 張小蘭
【申請(qǐng)人】沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)