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、果實產量、果實質量和經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(jié)約葡萄園的用水總量，并且可提高果實的產量及品質，最終提升了葡萄園的經濟效益。
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有效節(jié)水？
第三，虧缺灌溉在實現節(jié)水的同時，能否提升果實產量和品質？
實驗地概況
圖1研究區(qū)內葡萄園所在位置
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(jiān)測
包括氣溫、空氣相對濕度，太陽總輻射和風速。根據Pennman-Monteith方程計算潛在蒸發(fā)散ETref。
2 葡萄莖流量監(jiān)測
選擇長勢良好的葡萄藤，安裝EXO-SkinTM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-SkinTM外皮包裹式莖流傳感器
使用SapIP莖流監(jiān)測系統(tǒng)（Dynamax,USA）采集數據。
圖4 兩個裝有EXO-SkinTM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，Tmax（t）是當土壤水分供應充足時葡萄每日潛在最大的蒸騰量。
ETref（t）是潛在蒸發(fā)散，KcB（t）是和葡萄葉面積指數相關的系數。
果實數據
在成熟期測量葡萄的產量，并對果汁成分進行采樣分析。
主要結果
灌溉用水對比
圖5 各葡萄園的灌溉次數對比
整個生長季內，實施精準灌溉（Fruition）的小區(qū)灌溉次數不到5次，而實施傳統(tǒng)灌溉（Traditional）的小區(qū)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WDI生長季動態(tài)
3、產量
表1 產量比較
4、水果成分與質量
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(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％，且葡萄產量不受影響，品質還會提升。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.