基于K-means聚类算法的草莓灌溉策略研究
摘要
为进一步提高日光温室封闭式栽培下草莓灌溉水肥利用率，研究了基质含水率和温度影响下的草莓灌溉策略优化方法。采用土壤水分传感器对草莓果期基质含水率进行实时监测，通过对基质含水率随时间变化的规律分析，并结合日平均温度进行K-means聚类分析，提出一种草莓优化灌溉策略。试验结果表明，灌溉第1阶段基质含水率快速上升，在灌溉结束时达到峰值，每次灌溉基质含水率平均提高21.5个百分点;第2阶段快速下降，在20min内基质含水率平均下降3.5个百分点;第3阶段变化趋于平稳，在30min内基质含水率平均下降1.2个百分点。在每个灌溉周期内，含水率呈线性下降趋势，在整个果期内，其斜率随日平均温度的升高逐渐增加，由0.0114增加至0.0365。研究结果表明，根据基质含水率变化和日平均温度区间进行定量灌溉，理论上果期每株草莓仅需要4.51L水，可节水15.4%，该方法能有效提高水肥利用率，实现节水节肥。
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材料与方法
试验地点为中国农业大学涿州科技园，栽培环境为混合基质，栽培作物为草莓，品种为红颜，于2017年11月7日于日光温室定植，根距为20cm，采用水肥一体化设备进行灌溉，灌溉方式为滴灌，滴
箭放置在植株中心附近，规格为4L/h。试验时间处于果实采摘期。
试验将传感器测量值与干燥法得到基质实际水分含量进行标定。在方形容器中对混合基质进行配比以获得不同体积含水率下的基质样本，根据基质最大持水量与数据采集密度计算加水量间隔，将基质从干燥到饱和配成18组不同体积含水率的样本，搅拌均匀后装入对应圆台塑料容器中。24 h后称量塑料容器连同含水基质的质量。将传感器从容器上方正中心垂直插入基质直至探针完全没入基质，共采集5组数据，取其平均值作为传感器测得水分含量。将基质放入干燥箱，恒温80°C干燥24 h，干燥结束后取出基质冷却至室温称量，读数不变以后记录干燥基质的质量。干燥法测量得到基质体积含水率计算公式如下：
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试验与结果分析
2.1 土壤水分传感器标定曲线
图1 混合基质中传感器测量值与干燥法测量值之间的关系
混合基质下传感器测量值与干燥法测量值之间的关系如图1所示。可以看出，传感器检测下限为8%。传感器测量值基本呈现线性规律。可认为该传感器测量值能表征实际水分含量。
对采集的传感器测量值按照标定方程换算后进行分析。由于每次灌溉时长远小于每次灌溉的间隔时间，所以将基质水分的变化分为2个阶段分别分析:第1阶段为灌溉开始后60min内，以传感器采样周期 10 min为间隔分析;第2阶段为灌溉后第1天至下次灌溉前1d，根据采集到的当天数据取平均值以天为间隔分析。
2.2 灌溉后基质含水率变化
图2 灌溉开始后60min内基质含水率变化曲线
草莓摘果期内共进行了8次灌溉数据分析，每次灌溉后60min内的基质含水率变化曲线如图2所示。综合8次灌溉分析，基质含水率在灌溉后10min左右达到峰值，每次灌溉将基质含水率平均提高21.5个百分点，10～30min基质含水率快速下降，30～60min基质水分变化趋于平稳。每次灌溉10min，滴箭出水量4L/h，每株草莓获得约0.67L水，其基质含水率提高16.8个百分点，试验期间共进行8次灌溉，每株草莓总共获得5.33L水。将灌溉时间与基质水分变化量的关系近似为线性关系，用于计算理论耗水量。
2.3 灌溉结束至下次灌溉前基质含水率变化
图3 灌溉结束至下次灌溉前基质含水率变化曲线
表1 基质含水率变化曲线线性参数分析
综合6个灌溉周期分析，基质含水率呈逐渐减小、线性变化趋势。对每一个灌溉周期内基质水分变化曲线进行线性回归分析，结果如表1所示。6个灌溉周期内基质含水率变化的Ｒ²均大于0.96，线性程度非常好，说明在同一生长时期内，每次灌溉后，基质水分均呈现线性下降趋势，即斜率表示的日变化率相对稳定;随着时间推移，基质含水率日变化率整体逐渐增加，从最初的0.0114增加至0.0365，说明果期草莓需水量呈现逐渐增加的规律。
结合图3分析，随着光照和温度升高，以及果实产量增加，为保证草莓开花结果，每个灌溉周期的最后一天基质含水率也呈增加趋势，最后平均值保持在27%。
2.4 温度对基质含水率的影响
图4 灌溉结束后至下次灌溉前温室内日平均温度与日基质含水率变化量的关系
如图4所示，日平均温度并不能与基质体积含水率日变化量存在较明显的耦合关系，平均变化量为1.97个百分点，方差为1.25，决定系数为0.3871。综上所述，草莓结果期基质含水率下降趋势明显且稳定，而日平均温度波动较大，因此当日温度与基质含水率变化不存在明显的相关关系。
图5 K-means聚类结果
表2 参数分析
采用K-means聚类算法对上述数据进行分析，分别设定形心数为2、3、4个，其结果如图5所示。形心数为3时，层次清晰，界限明确，分类效果最好。第1簇形心坐标为(15.7，0.88)，日平均温度在13～18°C之间，此簇温度最低，基质含水率日变化量最低，说明在温度较低时，作物生长发育较为缓慢，作物需水量较少，同时温度对作物生长发育的限制作用明显;第2簇形心坐标为(20.5，1.76)，日平均温度在18～22.5°C之间，此簇温度适宜，基质含水率日变化量有明显提高，平均值为1.76个百分点，方差为0.3446，较第1簇增加，说明作物需水量随温度升高而有明显提高，温度升高促进作物生长;第3簇形心坐标为(24.4，2.63)，日平均温度在22.5～27°C之间，基质含水率日变化量平均值较其他簇最大，但是分布较为分散，方差最大，为1.4097，说明在温度较高时，基质含水率变化量均值也显著提高，与之前变化规律相同，但是温度不再是影响作物需水的主要因素，光照强度、空气湿度等其他因素对作物需水的影响增加。
2.5 基于温度的区间定量灌溉策略
提出一种基于日平均温度的日光温室封闭式栽培灌溉方法，其策略如下:设定3个温度范围13～18°C、18～22.5°C、22.5～27°C，并依次对应3个基质含水率日变化量0.88、1.76、2.63个百分点。计算当天的日平均温度，根据其所属温度区间选取合适的基质含水率日变化量，于第2天进行灌溉。每7d为一个周期，在周一进行修正，若基质含水率高于前一个周期初始值，则不进行灌溉，若低于前一个周期初始值，则进行补充。依据这一区间定量灌溉策略，理论上果期每株草莓仅需要4.51L水，相比实际耗水，节水约15.4%，节水能力有较大提高，具有可行性。
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基于FDR原理的土壤水分传感器能够在短时间内对水分迁移作出响应，并能够长时间工作在基质环境下，能够应用于温室的实际生产和管理之中。
基质含水率在灌溉第1阶段结束时达到峰值，能够较好地反映灌溉时长;灌溉结束后基质含水率在20min内快速下降，然后趋于平稳;在每个灌溉周期内，基质含水率呈现线性下降趋势，其斜率能够较好反映基质含水率日变化量;在整个果期内，基质含水率下降速度随时间逐渐增加，斜率由0.0114增加至0.0365，反映出温度升高对作物需水量的影响增大。
日均气温与基质含水率日变化量并无明显关系，但是通过K-means聚类算法分类，得到层次界限清晰的分簇。依据各簇的参数特征，得到温度区间与区间内基质含水率日变化量平均值，依据前一天日平均温度所处分类区间，选取对应基质含水率日变化量进行灌溉。该灌溉策略合理增加灌溉频率，理论上果期每株草莓仅需要4.51L水，可节水15.4%。由于灌溉方式为水肥一体化灌溉，施肥量随用水量的减少而减少，该灌溉策略也具有一定节肥效果。
文献来源
李莉,王宏康,吴勇,陈士旺,王海华,SIGRIMIS N A.基于K-means聚类算法的草莓灌溉策略研究[J].农业机械学报,2020,51(01):295-302.
本期编辑：陆丽琼
西北农林科技大学
水利与建筑工程学院