傳統灌溉與基于莖流測量的精準灌溉的對比研究

傳統灌溉與基于莖流測量的精準灌溉的對比研究

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

Thibaut Scholasch

摘要
近年來(lái)，加利福尼亞州的人口持續增長(cháng)，而且，人均用水需求量持續增大。這些因素都增加了農業(yè)用水的壓力。本項研究選取了加州3個(gè)地區的6個(gè)葡萄園，分析了傳統灌溉與基于莖流測量的精準灌溉在節水節能、果實(shí)產(chǎn)量、果實(shí)質(zhì)量和經(jīng)濟收益等方面的差異。研究發(fā)現，基于莖流測量的精準灌溉可明顯節約葡萄園的用水總量，并且可提高果實(shí)的產(chǎn)量及品質(zhì)，最終提升了葡萄園的經(jīng)濟效益。
 
研究目的
本項研究的目的有三個(gè)：
第一，傳統灌溉技術(shù)是否會(huì )導致過(guò)度用水？
第二，基于莖流測量的精準灌溉能否實(shí)現有效節水？
第三，虧缺灌溉在實(shí)現節水的同時(shí)，能否提升果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)？
 
實(shí)驗地概況

圖1研究區內葡萄園所在位置

 
所有實(shí)驗地的葡萄都是在1999至2008年間種植的，每英畝平均種植1,700株。
 
實(shí)驗方法
利用航拍圖片確定兩個(gè)實(shí)驗區：傳統灌溉區和基于莖流測量的精準灌溉區。
 

圖 傳統灌溉區（Traditional）和基于莖流測量的精準灌溉區（Fruition）

傳統灌溉策略：根據葡萄園歷史管理實(shí)踐和灌溉日志進(jìn)行灌溉。
精準灌溉策略：根據植物莖流傳感器的測量數據指導灌溉，根據每天計算的植物缺水指數控制灌溉。
 
1 環(huán)境氣象監測
 
包括氣溫、空氣相對濕度，太陽(yáng)總輻射和風(fēng)速。根據Pennman-Monteith方程計算潛在蒸發(fā)散ET_ref。
 
2 葡萄莖流量監測
選擇長(cháng)勢良好的葡萄藤，安裝EXO-Skin^TM外皮包裹式莖流傳感器。為了排除外源熱量影響，被測量的葡萄藤用鋁箔包裹隔離（圖2，3）。傳感器每15分鐘記錄一次葡萄莖流速率。
 

圖3 EXO-Skin^TM外皮包裹式莖流傳感器

使用SapIP莖流監測系統（Dynamax,USA）采集數據。

圖4 兩個(gè)裝有EXO-Skin^TM外皮包裹式莖流傳感器的葡萄藤

 
 
水分虧缺指數WDI
水分虧缺指數被定義為實(shí)際蒸騰量和潛在最大蒸騰量的比值，用WDI表示。

WDI = 1表明葡萄用水量最大程度得到了滿(mǎn)足。WDI越小于1，說(shuō)明葡萄受到的水分脅迫越大。T（t）是葡萄每天實(shí)際的蒸騰量，T_max（t）是當土壤水分供應充足時(shí)葡萄每日潛在最大的蒸騰量。

E_Tref（t）是潛在蒸發(fā)散，Kc_B（t）是和葡萄葉面積指數相關(guān)的系數。
 
果實(shí)數據
在成熟期測量葡萄的產(chǎn)量，并對果汁成分進(jìn)行采樣分析。
 
主要結果
 
灌溉用水對比

圖5 各葡萄園的灌溉次數對比

整個(gè)生長(cháng)季內，實(shí)施精準灌溉（Fruition）的小區灌溉次數不到5次，而實(shí)施傳統灌溉（Traditional）的小區灌溉次數最多為30次。
 

圖7 各葡萄園的總灌溉量（毫米）

 
如圖所示，實(shí)施精準灌溉（Fruition）的小區平均節水近60％。
 
2、不同灌溉對植物水分利用的影響
 

圖8：水分虧缺指數WDI生長(cháng)季動(dòng)態(tài)

 
 
3、產(chǎn)量

表1  產(chǎn)量比較

 
4、水果成分與質(zhì)量
 

表2：糖分積累

 
 
5、灌溉用水量對比
 

表3：兩種灌溉方式用水量對比

結論

研究結果表明，與傳統的灌溉方式相比，基于莖流測量的精準灌溉方式可將用水總量和能源消耗降低40-100％，且葡萄產(chǎn)量不受影響，品質(zhì)還會(huì )提升。因此可以得出，基于莖流測量的精準灌溉方式既能減少灌溉用水量，又能提高葡萄園的經(jīng)濟效益。
 
參考文獻

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.