精量灌溉中的植物水分精密诊断技术

　　1　问题的提出

　　我国是世界上13个最贫水的国家之一,水资源短缺是制约我国经济发展和生态重建的最主要因素.我国水资源的绝大部分用于农业灌溉,但在输水、配水以及灌溉技术和设备上存在的问题,致使灌溉水总的利用率在30%-40%之间,而发达国家可达80%以上.因此,我国的节水潜力是非常巨大的,节水灌溉是我国解决缺水问题的必由之路.很可能水资源会成为继石油资源之后人类所面临的又一紧缺资源,这是我们不容回避的事实.由于地球的温室效应造成我国北部地区连年干旱,加之前些年草原过度开垦以及森林的过量采伐,造成环境的严重恶化,旱灾有加剧的趋势;近年来社会的进步和经济的飞速发展,特别是西部开发、“五大林业工程”、2008年奥运会的环境建设工程、城市人口的急剧增长、城市园林绿化等都需要耗费大量水资源,解决水资源短缺的问题也就更加紧迫.因此,水资源的合理利用成为我国国计民生的重大问题之一.它既是当前普遍关注的焦点,又是国家正谋求解决的重大战略之一.为此,国家启动了声势浩大的南水北调工程,从西、中、东三个线路向北方调水,其中,中线从湖北丹江口水库调水,主要目的是要解决北京地区的用水问题.尽管如此,节水问题仍然是我们非常紧急而且必须解决的问题.最近,国家启动了200亿元的重大科技专项用于现代节水农业技术体系及新产品研究与开发.针对这一情况,从精确农业的角度出发,主要考虑农业、林业、城市园林绿化的节水问题,具有非常重要的意义.提出优化植物的吸水过程,是本文研究的主要问题.一个很自然的想法是,植物吸水并不是越多越好(涝灾就是一个实例),而是存在最佳值,也就是说,不论给植物灌多少水,它需要的只是确定的量.这就要求我们详细掌握植物的缺水信息,只要我们知道植物什么时候需要给水,需要给多少水,就可以精确地通过微滴灌技术实现节水的目的.

　　2　国内外植物水分检测诊断技术进展

　　对于植物水分检测诊断技术的研究,大概经历了三个阶段.第一阶段可称为初始阶段,主要是人们根据土壤湿度判断含水率情况.这方面我国劳动人民积累了比较丰富的实践经验,为后续的定量分析奠定了基础.第二阶段,节水灌溉发展与成熟阶段:自20世纪60年代起,我国开始在广大北方地区开展地面灌水技术研究与推广工作.1990年开始采用喷灌技术,并且总结了一套适合我国国情的微喷灌设计参数和方法,建立了一批新的试验示范基地.这一时期出现了自动化的节水灌溉技术,主要检测指标是温度和湿度(包括土壤湿度和环境湿度)这两个指标,它使节水率大幅度提高;常规控制模式有两点控制、三点控制、比例控制、积分控制和微分控制等模式.按照目前进一步挖掘节水率潜力的观点来看,上述自动控制系统还不是真正意义上的自动控制系统,这是因为所控制的对象参数不是植物本身.最近一二年,随着生物技术的发展,生物节水调控技术也迅速发展起来,并已逐渐开始在农业中应用.例如通过根源信号传输水分调节作物有效光合作用,依靠水分的供给实现调控过程,以达到节水、增产、实现高水分生产效率的目的.目前,灌溉技术已进入现代阶段(第三阶段),主要研究作物对水分亏缺的感受、传递与信号转导的过程,建立作物水分信号诊断指标体系,获得利用作物茎杆变形测量诊断作物缺水状况的新技术和新产品.研究作物水分区域分布监测技术和作物蒸腾过程快速监测技术,获得土壤水分动态快速测定与预报技术及新产品.以土壤墒情监测预报、作物水分动态监测信息与作物生长信息相结合为基础,研究运用模糊人工神经网络技术、数据通讯技术和网络技术建立具有监测、传输、诊断、决策功能的作物精量灌溉系统等.