傳統(tǒng)灌溉與基于莖流測量的精準灌溉的對比研究

傳統(tǒng)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，加利福尼亞州的人口持續(xù)增長，而且，人均用水需求量持續(xù)增大。這些因素都增加了農(nóng)業(yè)用水的壓力。本項研究選取了加州3個地區(qū)的6個葡萄園，分析了傳統(tǒng)灌溉與基于莖流測量的精準灌溉在節(jié)水節(jié)能、果實產(chǎn)量、果實質(zhì)量和經(jīng)濟收益等方面的差異。研究發(fā)現(xiàn)，基于莖流測量的精準灌溉可明顯節(jié)約葡萄園的用水總量，并且可提高果實的產(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：
第一，傳統(tǒng)灌溉技術(shù)是否會導致過度用水？
第二，基于莖流測量的精準灌溉能否實現(xiàn)有效節(jié)水？
第三，虧缺灌溉在實現(xiàn)節(jié)水的同時，能否提升果實產(chǎn)量和品質(zhì)？
 
實驗地概況

圖1研究區(qū)內(nèi)葡萄園所在位置

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

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

傳統(tǒng)灌溉策略：根據(jù)葡萄園歷史管理實踐和灌溉日志進行灌溉。
精準灌溉策略：根據(jù)植物莖流傳感器的測量數(shù)據(jù)指導灌溉，根據(jù)每天計算的植物缺水指數(shù)控制灌溉。
 
1 環(huán)境氣象監(jiān)測
 
包括氣溫、空氣相對濕度，太陽總輻射和風速。根據(jù)Pennman-Monteith方程計算潛在蒸發(fā)散ET_ref。
 
2 葡萄莖流量監(jiān)測
選擇長勢良好的葡萄藤，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(jiān)測系統(tǒng)（Dynamax,USA）采集數(shù)據(jù)。

圖4 兩個裝有EXO-Skin^TM外皮包裹式莖流傳感器的葡萄藤

 
 
水分虧缺指數(shù)WDI
水分虧缺指數(shù)被定義為實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足。WDI越小于1，說明葡萄受到的水分脅迫越大。T（t）是葡萄每天實際的蒸騰量，T_max（t）是當土壤水分供應充足時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(shù)相關(guān)的系數(shù)。
 
果實數(shù)據(jù)
在成熟期測量葡萄的產(chǎn)量，并對果汁成分進行采樣分析。
 
主要結(jié)果
 
灌溉用水對比

圖5 各葡萄園的灌溉次數(shù)對比

整個生長季內(nèi)，實施精準灌溉（Fruition）的小區(qū)灌溉次數(shù)不到5次，而實施傳統(tǒng)灌溉（Traditional）的小區(qū)灌溉次數(shù)最多為30次。
 

圖7 各葡萄園的總灌溉量（毫米）

 
如圖所示，實施精準灌溉（Fruition）的小區(qū)平均節(jié)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(shù)WDI生長季動態(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(jié)論

研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)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.