一种基于茎流实时测定的棉花灌溉方法和系统与流程

1.本发明涉及棉花灌溉领域，特别涉及一种基于茎流实时测定的棉花精准灌溉方法和系统。


背景技术：

2.在棉花的生长过程中，棉田精准灌溉对提高作物水资源利用率、实现节水高产的目的具有重要意义。新疆位于中国西北内陆干旱地区，拥有丰富的光热资源和土地资源。目前新疆棉花生产规模居全国之首，但该地区气候干燥，年均降水极少且蒸发量极大，尤其在棉花生长季节，有效降水量通常最低，水资源与棉花生产之间的供需矛盾日益凸出。
3.然而，现有的棉田灌溉给水指标主要集中在土壤、大气等方面，如土壤含水量、土水势、大气温湿度变化等。这些指标都存在较大的空间变异性，并且无法及时的反馈棉花本身的水分状况，在监测到水分异常时往往作物已经受灾，有着一定的延后性。因此，探寻更佳的灌水指标成为目前急需推进的工作，也是发展节水灌溉，实现可持续发展的重要举措。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于茎流实时测定的棉花灌溉方法和系统。
5.本发明实施例提供一种基于茎流实时测定的棉花灌溉方法，包括：
6.获取待灌溉棉田植株的第一主茎节位茎直径；
7.采用热比率法插入式茎流仪，获取棉田植株的实时茎流速率；
8.获取棉田植株的密度；
9.根据棉田植株的第一主茎节位茎直径、实时茎流速率、密度，确定棉田植株的耗水量；
10.根据棉田植株的耗水量，在cottonxl模型上模拟分析棉花的生长发育、产量及品质，并根据棉花全生育期长势标准，确定棉花灌溉方案。
11.进一步地，所述采用热比率法插入式茎流仪，实时获取棉田植株的茎流速率，包括：
12.设定60s数据扫描一次，30min记录一次平均值，持续昼夜观测。
13.进一步地，所述热比率法插入式茎流仪包括：1个热脉冲发射器和2个温度传感器；及采用太阳能板对所述热比率法插入式茎流仪进行持续供电，并且所述热比率法插入式茎流仪内置有充电电池。
14.进一步地，所述热比率法插入式茎流仪的安装，包括：
15.在距离棉花子叶节下部2
‑
3cm处的均匀部位北面，用直径1.2mm的钻头对照定位板垂直于茎杆表面钻取3个钻孔，孔距为5mm；
16.分别将所述热比率法插入式茎流仪的3根探针竖直排列插入到3个钻孔中，探针尾部的20
‑
25mm留在茎干外面用深色海绵裹住并用锡纸包裹。
17.进一步地，所述棉田植株的耗水量的表达式，包括：
18.dptr＝sv
×
3.14
×
(d/2)219.datr＝dptr
×
pd/1000
20.其中，dptr表示单株植株耗水量，单位为cm
3 hr
‑1plant
‑1；datr表示单位面积植株耗水量，单位为mm hr
‑1；sv表示棉田植株的实时茎流速率，单位为cm hr
‑1；d为棉田植株的第一主茎节位直径，单位为cm；pd为棉田植株的密度，单位为plant m
‑2。
21.进一步地，本发明实施例提供的一种基于茎流实时测定的棉花灌溉方法，还包括：
22.将棉田植株的第一主茎节位茎直径、实时茎流速率、密度、耗水量存储至云端数据库中。
23.进一步地，本发明实施例提供的一种基于茎流实时测定的棉花灌溉方法，还包括：
24.根据棉田植株的耗水量，在cottonxl模型上模拟分析棉花的生长发育、产量及品质，结合当地生产条件、气候条件、土壤条件，并根据棉花全生育期长势标准，确定棉花灌溉优化方案。
25.进一步地，所述棉花灌溉方案，包括：棉田灌溉周期、灌溉量。
26.本发明实施例提供的一种基于茎流实时测定的棉花灌溉系统，包括：
27.测径仪，用于获取待灌溉棉田植株的第一主茎节位茎直径；
28.热比率法插入式茎流仪，用于获取棉田植株的实时茎流速率；
29.密度获取模块，用于获取棉田植株的密度；
30.耗水量获取模块，用于根据棉田植株的第一主茎节位茎直径、茎流速率、密度，确定棉田植株的耗水量；
31.灌溉方案确定模块，用于根据棉田植株的耗水量，在cottonxl模型上模拟分析棉花的生长发育、产量及品质，并根据棉花全生育期长势标准，确定棉花灌溉方案。
32.进一步地，本发明实施例提供的一种基于茎流实时测定的棉花灌溉系统，还包括：
33.灌溉优化方案确定模块，用于根据棉田植株的耗水量，在cottonxl模型上模拟分析棉花的生长发育、产量及品质，结合当地生产条件、气候条件、土壤条件，并根据棉花全生育期长势标准，确定棉花灌溉优化方案。
34.本发明实施例提供的上述基于茎流实时测定的棉花灌溉方法和系统，与现有技术相比，其有益效果如下：
35.本发明使用热比率法插入式茎流仪对植物耗水量进行监测，该技术用热技术加热液流，并利用上下两个探针测定温度变化，根据温度差值计算茎干液流，这种方法可以基本保持树木的自然状态，测定值能反映实际情况，易于自动化，连续时间分辨率高，对植物的影响很小，不受地域限制。且本发明使用茎流仪监测到的茎流速率作为一种植物水分生理指标，比土壤水分更适用于监视作物的生理过程，指导农田精量灌溉。
附图说明
36.图1为一个实施例中提供的茎流仪安装示意图；
37.图2为一个实施例中提供的茎流仪工作原理图；
38.图3为一个实施例中提供的基于茎流实时测定的棉花精准灌溉系统的应用流程图；
39.图4为一个实施例中提供的基于茎流实时测定的棉花精准灌溉方法的流程图。
具体实施方式
40.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
41.随着植物生理学、传感器和物联网数字化通讯的发展，如今对棉花灌溉指标的选取也应逐步从土壤、大气等温湿度参数转变为其本身对干旱的生理反应特征上，利用新技术直接监测棉花的水分变化进而指导灌溉。如测定叶片含水量、茎秆水势、蒸腾速率及茎流速率等，这种以植物生理信息参数作为灌溉指标，调控棉田水分状况的方式是未来作物灌溉给水发展的新方向。对于提髙棉花产量，实现节水灌溉具有重要意义。具体地：
42.参见图1～4，本发明一个实施例中，提供了一种基于茎流实时测定的棉花精准灌溉方法，该方法具体包括：
43.s1：测量待灌溉棉田植株直径；其中，选取具有代表性的棉花植株测量第一主茎节位茎直径。
44.s2：采用热比率法插入式茎流仪连续监测代表性棉花植株实时的茎流速率变化。
45.s3：获取所述棉田植株的密度。
46.s4：根据所述棉花第一主茎节位茎粗、棉花茎流速率、棉花植株密度计算棉田植株实际的日耗水量。
47.s5：基于茎流仪测定的实时数据，通过数据采集仪采集至云端数据库，即实时采集棉田植株的耗水量。
48.s6：通过无线网络上传实时信息(包括播种时间、种植密度、株行配置、打顶时间、历次灌溉时间和灌溉量、植株实时耗水量、土壤实时含水量)至数据库，结合棉花cottonxl模型模拟分析结果和棉花全生育期长势标准制定灌溉管理方案，进而对棉田进行精准调控灌溉。
49.在步骤s2中，采用热比率法插入式茎流仪监测棉株茎流速率变化，系统设定为60s数据扫描一次，30min记录一次平均值，持续昼夜观测。其中，茎流仪器的安装如下：在距离棉花子叶节下部2
‑
3cm处的均匀部位(北面)，用直径1.2mm的钻头对照定位板(孔距5mm)垂直于茎杆表面钻取3个小孔，分别将3根探针(每套茎流仪探针由1个热脉冲发射器和2个温度传感探针组成)竖直排列插入到上面的钻孔中，探针尾部的20
‑
25mm留在茎干外面并用深色海绵裹住并用锡纸包裹，以防太阳辐射直射到探针上的瞬时热量传导对测量的茎流导热时间产生影响。
50.在步骤s2中，采用太阳能板对仪器进行持续供电(茎流仪内置充电电池，夜晚可进行持续供电)。
51.在步骤s4中，棉田植株实际的耗水量计算采用面积法进行计算，具体计算公式如下：
52.dptr＝sv
×
3.14
×
(d/2)253.datr＝dptr
×
pd/1000
54.其中，dptr表示单株植株耗水量，单位为cm
3 hr
‑1plant
‑1；datr表示单位面积植株
耗水量，单位为mm hr
‑1；sv表示棉田植株的实时茎流速率，单位为cm hr
‑1；d为棉田植株的第一主茎节位直径，单位为cm；pd为棉田植株的密度，单位为plant m
‑2。
55.在步骤s5中，采用数采仪对数据进行采集与传输。
56.在步骤s6中，采用棉花cotton xl模型对棉花发育过程进行定量预测、监测、预警与决策支持。
57.总之，本发明深入探讨在膜下滴灌条件下，基于茎流实时测定数据与物联网系统相结合，使得棉田能够在该方法的指导下充分利用水资源，提高作物水分生产率，最终达到节水高产目的，对水资源的合理高效利用和农业生产具有重要的意义。
58.实施例
59.一、研究区概况和选种
60.研究区位于新疆生产建设兵团第一师十二团(阿拉尔市)，试验地毗邻塔里木河，地下水位高，盐碱化严重，土壤质地分布严重不均匀，包含砂壤土和黏壤土。试验预2018年进行。
61.供试品种为新陆中37号，整体种植规模66.7hm2，对照区46.7hm2，应用区20.0hm2。
62.二、试验设计与设备概况
63.对照区按照当地常规种植方式进行管理，应用区进行基于茎流实时测定的棉花精准灌溉系统改造与设备部署，使用澳大利亚ict公司相关配套物联网组件进行监控、采集数据，精准管理棉田。生育期间系统提供试验地气象、土壤、植株数据监测与展示，发布播种期预报、生育期预报与分析、水肥配比方案、打顶预报、化学控制方案。试验地气象资料由新疆气象信息中心提供，模型模拟所需的棉花品种信息、管理措施由田间试验获得。利用实测值和模拟值的均方根误差和拟合度对模型模拟的准确性进行评价。
64.三、试验结果
65.统计2018年籽棉产量，当年应用区籽棉产量为7200kg
·
hm
‑
2，比对照区产量6300kg
·
hm2提高14％，灌水量节省32％，耗电量仅为对照区的51％。纤维品质检测结果显示，该系统应用区的棉花纤维质量明显上升，达到纤维长度≥30mm、断裂比强度≥30cn
·
tex－1(双30)标准。通过基于茎流实时测定的棉花精准灌溉系统可全面掌握棉田环境状况和棉花发育状况，根据产量、质量需求调整灌溉方案，最终获得高于传统经验管理棉田的产量。
66.一个实施例中，提供的一种基于茎流实时测定的棉花灌溉系统，该系统具体包括：
67.茎流仪模块，用于棉株茎流速率的监测。
68.数采模块，用于数据的实时采集和传输。
69.太阳能板模块，用于电量的供给。
70.土壤水分模块，用于棉田土壤水分的监测。
71.气象模块，用于监测棉田气象条件。
72.cotton xl模型模拟模块，用于模拟棉花的生长发育、产量及品质，以实现棉田的定量预测、监测、预警与决策支持。
73.决策支持模块，用于决策棉田灌溉周期与灌溉量等变量因素，该模块系统综合对比、评价预期株型、产量、品质标准，同时结合当地生产条件与气候条件、土壤条件等提出优化方案以供指导灌溉。
74.需要说明的是，关于基于茎流实时测定的棉花灌溉系统的具体限定可以参见上文中对于基于茎流实时测定的棉花灌溉方法的限定，在此不再赘述。
75.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。还有，以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。