基于云平台智能灌溉控制系统的油茶苗水分管理研究.pdf

现代农业科技2023 年第 20 期农业工程学随着科学技术的进步，智慧林业逐渐成为现实。苗圃是实现森林资源和生态效益可持续的基础性前置条件，苗圃灌溉系统的智能化程度直接决定着育苗效率和苗木质量。现代农业中广泛使用智能灌溉系统监测基质含水量，从而指导灌溉1，但智能灌溉在我国现代林业建设中的发展相对滞后。苗圃的传统灌溉方式与现代林业发展要求不相适应，智能化苗圃是林木苗圃的发展趋势，其中，适宜的灌溉阈值和实时可视化控制对智能灌溉系统的运行尤为关键2-4。因此，利用智能灌溉系统可以实现按照苗木生长需要进行供水，可以提高水分利用效率，节约水资源，实现苗木灌溉的低成本智能化。目前，智能灌溉系统主要应用于园艺和大田植物5-6，普遍采用称重法、手动控制浇灌、添加渗透调节第一作者 王为（1997），男，硕士研究生在读。研究方向：森林培育与林木育种。E-mail：*通信作者 E-mail：收稿日期 2023-02-09基于云平台智能灌溉控制系统的油茶苗水分管理研究王 为雷俊杰简佶沛王利宝*（中南林业科技大学，湖南长沙 410004）摘要为实现苗木培育过程中按需供水和提高水分利用效率，进而促进苗木生长、提高苗木质量，本文设计出一套可视可控的智能灌溉控制系统，应用于一年生油茶苗的水分管理，通过测定不同供水条件下油茶苗生长和生理指标的变化规律，验证云平台智能灌溉控制系统在苗木水分管理上的应用价值。结果表明：当灌溉阈值设置为 30%时，有利于油茶苗高、地径的生长，显著促进了光合色素的合成；油茶苗净光合速率达到最大，为 4.04 mol/（m2s）；可溶性渗透调节物质含量显著下降，丙二醛含量达到最低，为 19.18 mol/g；抗氧化酶活性显著降低。对于一年生油茶苗来说，采用智能灌溉控制系统对油茶苗进行精准水分管理时，灌溉阈值应设置为 30%，可使油茶苗水分利用效率达到最佳。关键词云平台；智能灌溉控制系统；油茶；水分管理中图分类号S275文献标识码A文章编号 1007-5739（2023）20-0110-04DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.20.029开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Research on Water Management of Oil Tea Seedlings Based on Cloud PlatformIntelligent Irrigation Control SystemWANG WeiLEI JunjieJIAN JipeiWANG Libao*(Central South University of Forestry&Technology,Changsha Hunan 410004)AbstractIn order to achieve on-demand water supply and improve water use efficiency during seedlingcultivation process,and then to promote seedling growth and improve seedling quality,this paper designed a visual andcontrollable intelligent irrigation control system and applied it to water management of annual oil tea seedlings.Theapplication value of cloud platform intelligent irrigation control system was validated by measuring change regularity ofgrowth and physiological indexes of oil tea seedlings under different water supply conditions.The results showed thatwhen the irrigation threshold was set at 30%,it was beneficial to the height and ground diameter growth of oil teaseedling,and significantly promoted the synthesis of photosynthetic pigments.The net photosynthetic rate reached amaximum of 4.04 mol/(m2s),the content of soluble osmoregulatory substances decreased significantly,the content ofmalondialdehyde reached a minimum of 19.18 mol/g,and the activity of antioxidant enzymes decreased significantly.For annual oil tea seedlings,a threshold of 30%should be set when applying intelligent irrigation control system forprecision water management,in order to optimize the water use efficiency of oil tea seedlings.Keywordscloud platform;intelligent irrigation control system;oil tea;water management110剂等方法对苗木与水分的关系进行计算7-9。但这些方法存在一些问题，如水分利用率低，供水凭经验，随意性大，造成植物处在一个水分不稳定的环境条件下。因此，本研究以油茶苗为试验对象，通过设计一套智能灌溉控制系统，实现基质含水量的可视化精确控制，对苗木精准按需供水，为针对苗木需水特性进行个性化灌溉和用水精准计量提供参考。1材料与方法1.1智能灌溉控制系统的搭建1.1.1硬件组成硬件系统包含了 ESP8266 WiFi 模块、土壤电导率温度水分三合一传感器、5 V 继电器模块、TTL 转RS485 模块、电磁控制阀、DC-DC 升压模块、Micro SD卡模块等（图 1）。传感器平行埋入距离花盆底部5 cm 的基质中10-12，采集土壤湿度、温度、EC 信息，然后通过 TTL 转 RS485 模块将数据发送给 WiFi 模块进行解析，再连接网络并向云平台发送数据，同时接收 App 的控制指令。1.1.2软件程序系统的软件部分主要是对以 ESP8266 为控制核心的数据网关进行软件设计与编程。软件程序采用arduino IDE 编写，编程语言采用 C/C+。程序主要包括系统初始化、数据采集与解析、数据上云、控制指令接收与上传等，总体设计流程如图 2 所示。1.1.3配套 App 开发设计为实时、快捷地查看当前基质含水量，需要开发一款与该硬件系统配套的 App。App 采用点灯科技的 binker 物联网开发平台进行开发设计（图 3）。当硬件系统开始工作时，App 开始实时显示基质含水量、水阀状态、灌溉时间等信息，记录历史数据并显示该数值一天内的变化；当实时的基质含水量低于设定阈值时，App 会自动打开水阀开关并更新当前水阀开关的状态，同时基质含水量警报开启，并同步向客户微信发送报警信息。1.2油茶苗栽培试验设计供试材料为经移栽培养在校园苗圃的一年生华金油茶苗。2022 年 5 月 1 日将油茶苗移栽至长宽深为 70 cm28 cm18 cm 的容器中，盆栽基质为黄心土+泥炭土+珍珠岩，配比为 3 1 1。采用单因素完全随机区组试验设计，共设置 3 个处理，分别控制供水使基质含水量保持在 20%、30%、40%，每个处理栽植4 株苗木，设 3 次重复，共 36 株苗木。利用本研究开16543298107220V带基质容器注：1 为 ESP8266 WiFi 模块；2 为 TTL 转 RS485 模块；3 为 MicroSD 卡模块；4 为 12 V 电源；5 为 5 V 电源；6 为继电器；7 为传感器；8 为喷头；9 为电磁阀；10 为水源。图 1智能灌溉控制系统硬件组成开始初始化系统网络初始化连接 WiFi数据采集与上云App 显示并下发指令结束执行控制解析指令WiFi 模块接收指令NY图 2智能灌溉控制系统软件总体流程图图 3智能灌溉控制系统 App 界面王 为等：基于云平台智能灌溉控制系统的油茶苗水分管理研究111现代农业科技2023 年第 20 期农业工程学表 3不同控制供水下油茶苗光合作用指标比较基质含水量/%203040净光合速率/（molm-2s-1）3.3100.015 c4.0400.020 a3.4900.020 b气孔导度/（mmolm-2s-1）0.019 000.000 02 c0.054 000.000 30 a0.038 000.000 50 b胞间 CO2浓度/（LL-1）116.531.08 c273.340.90 a241.221.01 b蒸腾速率/（mmolm-2s-1）0.370 00.000 5 c1.030 00.004 0 a0.900 00.001 0 b发的智能灌溉控制系统从 6 月 5 日开始连续 2 个月对盆栽苗进行水分精准控制。1.3测定指标及方法1.3.1生长量试验初期（2022 年 6 月 5 日）测定苗木苗高和地径的初生长量，试验结束（2022 年 8 月 31 日）再次测定苗高和地径，并计算试验期间苗木苗高和地径的净增量。1.3.2光合特性于 2022 年 8 月下旬选择晴朗少风天气，对各试验处理选取长势一致的 4 株幼苗，各株分别选择从上至下第 3、4、5 片健康成熟的叶片，于 9：0011：00 使用 Li-6400XT 便携式光合仪测定净光合速率、气孔导度、胞间 CO2浓度和蒸腾速率。1.3.3生理生化指标在 2022 年 8 月下旬测定生理生化指标：采用蒽酮比色法13测定可溶性糖含量；采用考马斯亮蓝 G-250 染色法13测定可溶性蛋白含量；采用硫代巴比妥酸显色法13测定丙二醛（MDA）含量；采用茚三酮法14测定脯氨酸含量；采用氮蓝四唑法14测定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用紫外线吸收法14测定过氧化氢酶（CAT）活性。1.4数据分析利用 Excel 2019 和 SPSS 19.0 软件进行数据处理与分析。2结果与分析2.1控制供水对油茶苗生长的影响由表 1 可知：当基质含水量维持在 30%时，油茶苗高净增量和地径净增量最大，分别为 3.38 cm 和0.34 cm；当基质含水量维持在 20%时，苗高净增量和地径净增量最小，分别为 1.38 cm 和 0.18 cm。当基质含水量从 40%下降到 30%时，苗高净增量和地径净增量无显著变化（P0.05）；而当基质含水量从 40%下降至 20%时，苗高净增量和地径净增量分别显著（P0.05）下降了 56.9%和 43.8%。可见，当基质含水量维持在 30%时，能大幅促进油茶苗高和地径生长；但继续增加供水使基质含水量超过 30%时，对油茶苗生长的促进作用不明显；减少供水使基质含水量低于 30%时，对油茶苗生长有显著的抑制作用。2.2控制供水对油茶苗光合色素的影响从表 2 可以看出：随基质含水量的增加，油茶苗叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素、类胡萝卜素含量均呈上升趋势；当基质含水量从 20%上升到 30%时，其分别显著（P0.05）。由此可见，油茶苗叶绿素 a对基质水分变化的反应较叶绿素 b 敏感，这与前人的研究结果一致15。当基质含水量维持在 30%时，有利于油茶苗光合色素的合成，但继续增加基质含水量不能显著促进油茶苗叶片光合色素的积累。2.3控制供水对油茶苗光合作用的影响由表 3 可知，当基质含水量维持在 30%时，净光合速率、气孔导度、胞间 CO2浓度、蒸腾速率均最大。经方差分析得知，当基质含水量从 20%增加到 30%时，净光合速率、气孔导度、胞间 CO2浓度、蒸腾速率分别显著（P0.05）提高了 22.05%、184.21%、134.57%、178.37%；当基质含水量继续增加到 40%时，与基质含水量 30%相比净光合速率、气孔导度、胞间 CO2浓度、蒸腾速率分别显著（P0.05）下降了 13.61%、29.63%、11.75%、12.62%。由此可见，当基质含水量维持在30%时，有利于一年生油茶苗的光合作用，供水继续增加反而会抑制油茶苗叶片的光合作用。表 2不同控制供水下油茶苗光合色素含量比较基质含水量/%203040光合色素含量/（mgg-1）叶绿素 a1.670.12 b1.910.05 a1.990.08 a叶绿素 b0.540.03 b0.590.01 a0.610.03 a总叶绿素2.210.18 b2.500.05 a2.600.11 a类胡萝卜素0.270.02 b0.310.01 a0.300.01 ab表 1不同控制供水下油茶苗高与地径净增量比较注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P0.05），下同。基质含水量/%203040净增量/cm苗高1.380.27 b3.380.13 a3.200.08 a地径0.180.04 b0.340.07 a0.320.11 a1122.4控制供水对油茶苗保护酶系统的影响由表 4 可知，当基质含水量维持在 20%和 40%时，油茶苗叶片中丙二醛（MDA）含量分别比基质含水量维持在 30%时显著（P0.05）提高了 79.56%和31.44%，过氧化氢酶（CAT）活性分别比基质含水量维持在 30%时显著（P0.05）提高了 85.60%和 62.12%，超氧化物歧化酶（SOD）活性分别比基质含水量维持在 30%时显著（P0.05）提高了 14.58%和 3.81%。由此可见，当基质含水量高于或低于 30%时，均可促使油茶苗叶片 MAD 含量和 SOD、CAT 活性的提高。2.5控制供水对油茶苗可溶性渗透调节物质的影响由表 5 可见：当基质含水量维持在 20%时，游离脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量均最大；相反，当基质含水量维持在 30%时，各可溶性渗透调节物质含量均最小。经方差分析得知，当基质含水量从 20%上升到 30%时，油茶苗可溶性渗透调节物质含量显著降低，游离脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量分别显著（P0.05）降低了 20.83%、2.60%、21.05%；当基质含水量继续增加到 40%时，可溶性蛋白与可溶性糖含量分别显著（P0.05）。3结论与讨论油茶栽培过程中需要频繁进行浇灌。目前生产中的浇灌模式主要为经验浇灌或定时定量灌溉，容易引起灌水过多或过少、灌水与需水时期错位匹配等不合理灌溉现象发生，在不断增加的设施农业自动水分管理需求的推动下，设计智能灌溉系统并优化其灌溉参数是当前研究的热点与难点。系统灌溉阈值的大小直接关系着油茶苗的光合作用、保护酶系统以及可溶性渗透调节物质等多个方面，进而影响油茶苗的生长。研究发现，本文设计的智能灌溉控制系统灌溉阈值设置为 30%时，油茶苗高和地径增幅达到最大，继续提高灌溉阈值对苗高和地径生长的促进作用并不明显。水分供给是影响植物光合作用的重要因素之一16。在一年生油茶容器苗培育过程中，当智能灌溉控制系统灌溉阈值低于或高于 30%时，油茶苗叶片气孔导度、胞间 CO2浓度和蒸腾速率均出现下降，使净光合速率降低。从光合生理方面看，灌溉阈值设置为 20%时，叶绿素和类胡萝卜素含量均低于灌溉阈值为 30%时；继续提高阈值到 40%，并不能显著提高叶绿素和类胡萝卜素的含量。由此推断，灌溉阈值设置为 30%对油茶苗叶片的光合作用最为有利。水分胁迫会加速植物细胞膜脂过氧化作用并产生大量自由基分子，植物主要通过提高抗氧化酶活性维持细胞完整性17-18。与灌溉阈值设置为 30%相比，灌溉阈值设置为 20%和 40%显著增加了油茶苗叶片中 MDA 含量并提高了抗氧化酶活性，表明过低或过高的基质含水量均会对油茶细胞造成伤害，促使其提高抗氧化酶活性以降低水分胁迫引发的损伤。可溶性糖和可溶性蛋白是植物细胞内重要的渗透调节物质，与灌溉阈值设置为 30%相比，20%和 40%的灌溉阈值均会显著提高两者的含量。说明过低和过高的基质含水量均不利于油茶苗叶片细胞维持正常水势而保证细胞吸水。综上所述，30%是油茶按需精准供水的基质含水量的阈值，是利用智能灌溉控制系统进行一年生油茶苗培育的最佳水分控制值。在油茶苗生产实际中，按需精准供水至关重要，有利于油茶苗木健康生长和提高苗圃灌溉效率，并且有利于节约水资源。该系统可以将基质含水量稳定维持在适宜范围，解决了传统油茶培育过程中土壤水分过多或缺乏的问题，实现了更加科学合理的水分管理。在农业生产自动化水平不断提高的当下，基于智能灌溉系统的苗木培育具有广阔的应用前景。参考文献1 王峰，孙景生，刘祖贵，等.膜下滴灌棉田测墒点布设位置试验研究J.灌溉排水学报，2016，35（2）：29-34.2 汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新J.农业工程学报，1999，15（1）：7-14.3 罗锡文，臧英，周志艳.精细农业中农情信息采集技术的研究进展J.农业工程学报，2006，22（1）：167-173.（下转第 121 页）表 4不同控制供水下油茶苗抗氧化酶系统比较基质含水量/%203040SOD 活性/（Ug-1）533.4411.65 a465.555.26 c483.273.73 bCAT 活性/（Umin-1g-1）75.171.76 a40.501.80 c65.661.61 bMDA 含量/（molg-1）34.443.17 a19.182.05 c25.211.71 b表 5不同控制供水下油茶苗可溶性渗透调节物质比较基质含水量/%203040可溶性糖含量/（mgg-1）32.400.84 a25.580.42 c27.380.13 b可溶性蛋白含量/（mgg-1）6.920.01 a6.740.02 c6.850.02 b游离脯氨酸含量/（gg-1）256.1220.87 a202.7610.03 b205.2025.57 b王 为等：基于云平台智能灌溉控制系统的油茶苗水分管理研究113器及环境控制设备完成联调联试，手机端软件开发完成，远程监测及控制正常。后续还针对测试过程中出现的细节问题提出解决方案，现场验证了远程控制单元的时效性，优化了软硬件控制逻辑。近 1 年的实地试验证明：低温等离子消杀技术可实现猪舍空气高效净化，降解舍内空气中的有害、有毒气体；净化过滤并吸附空气中的尘埃，经过处理的洁净空气快速循环流动，使空气保持良好的质量。物联网环境控制技术可实现猪舍环境管理的远程自动化，提高了养殖过程的精准度，减少了猪舍现场人工管理，提高了资源利用效率及养猪场的安全系数，使养猪场的管理更加科学高效。参考文献1 蔡剑锋，倪一凡，陈强强，等.非洲猪瘟背景下猪舍内微生物气溶胶的危害及其防控技术J.猪业科学，2020，37（11）：88-90.2 黄藏宇.猪场微生物气溶胶扩散特征及舍内空气净化技术研究D.金华：浙江师范大学，2012.3 刘滨疆.现代物理农业模式及其应用J.农业技术与装备，2010（5）：19-21.4 肖红波.我国生猪生产增长与波动研究D.北京：中国农业科学院，2010.5 张冬丽，张朋月，沈玉君，等.畜禽养殖粪水酸化贮存及氮素减损增效研究进展J.农业工程学报，2023，39（8）：12-19.6 吴媛媛，王深圳，魏明，等.换气与等离子体净化器对冬季哺乳母猪舍空气质量的影响J.家畜生态学报，2018，39（8）：60-64.7 高万林，张港红，张国锋，等.核心技术原始创新引领智慧农业健康发展J.智慧农业，2019，1（1）：8-19.8 葛文杰，赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究J.农业机械学报，2014，45（7）：222-230.（上接第 113 页）4 袁光耀.农田灌溉中几个需要探讨的问题J.灌溉排水，1994，13（4）：19-21.5 汪羽宁，樊军，李世清，等.小麦实时控制灌溉的土壤水分含量探头合理埋设深度研究J.灌溉排水学报，2009，28（5）：10-12.6 申孝军，孙景生，张寄阳，等.滴灌棉田土壤水分测点最优布设研究J.干旱地区农业研究，2012，30（3）：90-95.7 陈志钢，马履一，陈凤，等.土壤水分对油茶苗木气体交换及耗水规律的影响J.北京林业大学学报，2014，36（3）：48-56.8 洪丽芸，田大伦，李芳，等.不同灌溉方式对银杏水分生理的影响J.中南林业科技大学学报，2008，28（1）：49-52.9 张晓晓，慕德宇，李红丽，等.NaCl 胁迫对不同无性系白榆生理生化特性的影响J.干旱区资源与环境，2016，30（8）：188-192.10 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