传统灌溉与基于茎流测量的精准灌溉的对比研究

传统灌溉与基于茎流测量的精准灌溉的对比研究

A Comparative Study of Traditional VS. Plant-Sensors Based Irrigation Across Multiple Sites:

Thibaut Scholasch

摘要
近年来，加利福尼亚州的人口持续增长，而且，人均用水需求量持续增大。这些因素都增加了农业用水的压力。本项研究选取了加州3个地区的6个葡萄园，分析了传统灌溉与基于茎流测量的精准灌溉在节水节能、果实产量、果实质量和经济收益等方面的差异。研究发现，基于茎流测量的精准灌溉可明显节约葡萄园的用水总量，并且可提高果实的产量及品质，最终提升了葡萄园的经济效益。
 
研究目的
本项研究的目的有三个：
第一，传统灌溉技术是否会导致过度用水？
第二，基于茎流测量的精准灌溉能否实现有效节水？
第三，亏缺灌溉在实现节水的同时，能否提升果实产量和品质？
 
实验地概况

图1研究区内葡萄园所在位置

 
所有实验地的葡萄都是在1999至2008年间种植的，每英亩平均种植1,700株。
 
实验方法
利用航拍图片确定两个实验区：传统灌溉区和基于茎流测量的精准灌溉区。
 

图 传统灌溉区（Traditional）和基于茎流测量的精准灌溉区（Fruition）

传统灌溉策略：根据葡萄园历史管理实践和灌溉日志进行灌溉。
精准灌溉策略：根据植物茎流传感器的测量数据指导灌溉，根据每天计算的植物缺水指数控制灌溉。
 
1 环境气象监测
 
包括气温、空气相对湿度，太阳总辐射和风速。根据Pennman-Monteith方程计算潜在蒸发散ET_ref。
 
2 葡萄茎流量监测
选择长势良好的葡萄藤，安装EXO-Skin^TM外皮包裹式茎流传感器。为了排除外源热量影响，被测量的葡萄藤用铝箔包裹隔离（图2，3）。传感器每15分钟记录一次葡萄茎流速率。
 

图3 EXO-Skin^TM外皮包裹式茎流传感器

使用SapIP茎流监测系统（Dynamax,USA）采集数据。

图4 两个装有EXO-Skin^TM外皮包裹式茎流传感器的葡萄藤

 
 
水分亏缺指数WDI
水分亏缺指数被定义为实际蒸腾量和潜在最大蒸腾量的比值，用WDI表示。

WDI = 1表明葡萄用水量最大程度得到了满足。WDI越小于1，说明葡萄受到的水分胁迫越大。T（t）是葡萄每天实际的蒸腾量，T_max（t）是当土壤水分供应充足时葡萄每日潜在最大的蒸腾量。

E_Tref（t）是潜在蒸发散，Kc_B（t）是和葡萄叶面积指数相关的系数。
 
果实数据
在成熟期测量葡萄的产量，并对果汁成分进行采样分析。
 
主要结果
 
灌溉用水对比

图5 各葡萄园的灌溉次数对比

整个生长季内，实施精准灌溉（Fruition）的小区灌溉次数不到5次，而实施传统灌溉（Traditional）的小区灌溉次数最多为30次。
 

图7 各葡萄园的总灌溉量（毫米）

 
如图所示，实施精准灌溉（Fruition）的小区平均节水近60％。
 
2、不同灌溉对植物水分利用的影响
 

图8：水分亏缺指数WDI生长季动态

 
 
3、产量

表1  产量比较

 
4、水果成分与质量
 

表2：糖分积累

 
 
5、灌溉用水量对比
 

表3：两种灌溉方式用水量对比

结论

研究结果表明，与传统的灌溉方式相比，基于茎流测量的精准灌溉方式可将用水总量和能源消耗降低40-100％，且葡萄产量不受影响，品质还会提升。因此可以得出，基于茎流测量的精准灌溉方式既能减少灌溉用水量，又能提高葡萄园的经济效益。
 
参考文献

1 (4) Allen, R. G., & Pereira, L. S. (2009). Estimating crop coefficients from fraction of ground cover and height. Irrigation Science, 28(1), 17–34. 

2 Picón-­‐Toro, J., González-­‐Dugo, V., Uriarte, D., Mancha, L. a., & Testi, L. (2012). Effects of canopy size and water stress over the crop coefficient of a “Tempranillo” vineyard in south-­‐western Spain. Irrigation Science, 30(5), 419–432.