利用土壤水传感器实现温室高效灌溉

Using soil water sensors for efficient irrigation in greenhouses

马克-范-伊尔塞尔和斯蒂芬妮-伯内特

 

乔治亚大学

人工灌溉是一项劳动密集型的重复性工作,因此是首先应该实现自动化的温室任务之一。虽然自动化灌溉很简单,但自动化系统并不一定节水。许多种植者使用定时器来控制灌溉,但定时器并不考虑温度、光照和湿度的自然波动引起的植物用水量的日常变化。此外,植物用水量会随着植物生长而增加。因此,使用定时器很难实现高效灌溉。鉴于北美许多地区的水资源日益紧张,温室行业需要采用更高效的灌溉系统。

土壤水分传感器为根据植物需要实现温室自动灌溉提供了前景广阔的新机遇。我们已广泛使用EC-5 探针,这种探针体积小,可放入 4 英寸的花盆中,我们发现这些探针能准确测量无土基质的体积含水量。我们已将EC-5 探头集成到自动灌溉系统中,该系统可根据植物的实际用水量对植物进行灌溉。

传感器确保植物免受干旱胁迫

使用土壤水分传感器控制灌溉的基本原理很简单:植物用水时会从基质中吸收水分,因此基质的含水量会降低。土壤水分传感器可以检测到这些变化,并在基质含水量低于用户设定的设定值时打开灌溉阀门。这样就可以频繁灌溉少量的水,灌溉频率也会根据基质水分的消耗速度自动调整。这种灌溉方式能自动补充植物所消耗的水分或蒸发损失的水分,确保植物不会受到干旱胁迫。通过灌溉植物实际需要的水量,可以大大减少用水量和沥滤。这样,无需使用昂贵的循环灌溉系统或大型池塘收集径流,就能最大限度地减少污染。

它真的有用吗?

为了测试这种灌溉方法并确定牵牛花良好生长所需的水分,我们在基质含水量为 5% 至 40% 的情况下种植牵牛花。灌溉由基质中的EC-5 探针控制,探针与数据记录器相连。移栽幼苗后的头九天,所有基质都保持充足的水分,以便植株生长。之后,我们的灌溉系统将基质含水量(处理范围为 5% 至 40%)保持 20 天,然后收获植物。

在整个研究过程中,我们的灌溉系统表现非常出色(图 1)。一旦特定容器中的基质含水量干到灌溉设定点,我们的自动灌溉系统就会开始灌溉该托盘。基质的含水量一般保持在略高于设定点的水平。

灌溉基质水位设定点越高,浇水次数越多。虽然灌溉量随着基质水位的增加而增加,但任何处理都没有出现沥滤现象。即使是最大的植株,在实验的最后 20 天也只浇了 650 毫升(约 21 液量盎司)的水。用水量最大的处理的日用水量从植株小的时候的 15 到 20 毫升/株/天(刚刚超过一汤匙!)到实验结束时的 45 毫升/株/天(3 汤匙)不等。

图 1.实验过程中基质的含水量。灌溉由EC-5 探头控制,每当基质含水量低于灌溉设定点时,就会自动向基质中添加少量水。共有八种不同的处理,设定点从 5%到 40%不等。

植物生长量随基质含水量的增加而增加,但 25%、30%、35% 和 40% 处理之间的差异不大(图 2 左,3)。由于植物生长与植物获得的水量高度相关(图 2 右),根据基质含水量控制灌溉可能是控制快速伸长植物生长的可行方法。

A graph showing the effect of the substrate water content (left) and the total irrigation volume (right) on the dry weight of petunias. Controlling irrigation by controlling the substrate water content proved to be an effective way to control plant growth
图 2 基质含水量(左)和总灌溉量(右)对牵牛花干重的影响基质含水量(左)和总灌溉量(右)对牵牛花干重的影响。事实证明,通过控制基质含水量来控制灌溉是控制植物生长的有效方法。

种植者如何使用它?

一些品牌的温室控制系统可以测量EC-5 探头,并可根据测量结果自动灌溉。种植者应向其控制系统的制造商咨询,看其是否能测量这些探头。对于喜欢使用独立控制器的种植者,我们与布劳尔电子实验室(北卡罗来纳州皮茨伯勒)合作开发了一种控制器,当基质含水量低于种植者设定的设定点时,该控制器可对植物进行灌溉。该控制器还允许种植者设定灌溉持续时间和后续灌溉之间的最短间隔时间。

如果种植者尚未准备好将灌溉转为土壤水分探头,则可通过EC-5 探头和 METER 的手持式测量仪或数据记录器获得有关植物需水量的宝贵信息。通过手持式测量仪,种植者可以在一些花盆中放置传感器,并定期测量基质的含水量。数据记录器可以通过无线方式将数据发送到计算机,这样就可以通过图形显示实时监控基质含水量的变化。使用这项技术可以让种植者更好地了解植物需要多少水,有助于做出更好的灌溉决策。

提高植物质量

在不久的将来,种植者似乎可以利用传感器实现自动灌溉,从而高效浇灌植物,提高植物质量。这项技术目前已经问世,使用指南也正在制定之中。但下一步是什么?未来,我们希望能更好地掌握作物在温室中的位置(例如是否靠近冷却垫或风扇)、种植植物的数量以及环境因素对用水量的影响。一个令人兴奋的新进展是,较新的 5TE 探头可以同时测量基质导电率和含水量。这可以让种植者同时控制灌溉和施肥。

 

Marc van Iersel 是佐治亚大学 ([email protected]) 的花卉学教授。欲了解更多信息,请访问 Marc van Iersel 的灌溉自动化网站:www.hortphys. uga.edu/irrigationcontrol.html

Stephanie Burnett 是缅因大学花卉栽培学助理教授;[email protected]

我们衷心感谢 Fred C. Gloeckner 基金会资助我们的研究。

 

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