基于数据驱动的冬小麦土壤水分传感器优化布局与灌溉阈值研究：提升农业水资源管理效率的新策略

本研究针对冬小麦等深根系作物在精准灌溉中土壤水分传感器(SMSs)布局和动态阈值确定的关键难题，通过四年田间试验系统探究了多深度(10-200 cm)土壤水分监测方案，并验证了不同深度阈值对产量和水分生产率(WP)的平衡效应。研究发现浅层土壤水分(≤20 cm)变异性大不宜作为灌溉决策依据，而30-60 cm深度传感器结合特定阈值(最高WP对应RSW 55%/FASW 32%，最高产量对应RSW 60%/FASW 45%)可实现节水18-23%且保持产量稳定。该研究为智能灌溉系统提供了深度依赖的阈值标准，对缺水地区农业水资源高效利用具有重要实践意义。

　　

随着全球淡水短缺问题日益严重，农业高效用水管理成为保障粮食安全的关键挑战。在华北平原等干旱半干旱地区，冬小麦(Triticum aestivum L.)作为主要粮食作物，其生长季降水量(80-150 mm)远低于作物需水量(450 mm)，依赖灌溉维持高产。然而传统灌溉方式存在两大痛点：一是无线土壤水分传感器(SMSs)的布设深度缺乏科学依据，二是灌溉触发阈值未能考虑作物不同生育期的水分需求差异。特别是对于根系深度可达2米的冬小麦，浅层土壤水分易受环境干扰，而深层土壤水分的贡献率可达蒸散量的30%，如何通过精准监测实现灌溉优化成为学界关注焦点。

针对这一难题，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心的研究团队在《Agricultural Water Management》发表了为期六年的系统研究。他们通过2018-2022年四个生长季的田间试验，设置了从零灌溉(I0)到五次灌溉(I5)的六个处理，采用中子仪和国产Insentek品牌无线土壤水分传感器同步监测10-200 cm共20个深度的土壤体积含水量(v/v)，并结合根系分布、生物量积累和产量形成数据进行分析。2022-2024年又通过验证试验对比了传感器指导灌溉(SWS-irri)与传统农户灌溉(CK-local)的效果。

关键技术方法包括：1) 使用中子仪(503DR, CPN International)和电容式无线传感器同步监测土壤水分，传感器精度达±2%；2) 采用根钻法(直径10 cm)分层采样测量根长密度(RLD)；3) 通过土壤水分平衡方程计算蒸散量(ET=SWD+I+P-D-R+C)；4) 定义相对土壤含水量(RSWC=SWC/FC)和有效水分占比(FASW=(SWC-WP)/(FC-WP))两个关键指标；5) 在河北栾城农业生态试验站(37°53′N, 114°40′E)的粉壤土上进行田间验证。

研究结果揭示了一系列重要发现：

3.1 气象条件分析显示六年试验期内包含正常年、干旱年和湿润年三种降水类型，最高最低气温均呈现上升趋势，体现了气候变化背景下的温度升高特征。

3.2 传感器验证表明无线土壤水分传感器与中子仪的测量结果高度一致(RMSD=0.019, R=0.9654)，证明传感器数据可用于精确的灌溉决策。

3.3 根系分布与水分利用关系显示，干旱促进深层根系生长，无灌溉处理(I0)1米以下根长占比达43.3%，土壤水消耗(SWD)对ET的贡献率在I0处理高达56-77%。

3.4 生物量与水分生产率方面，两次灌溉(I2)处理实现了最高水分生产率(WP达1.68-1.96 kg/m3)，而最高产量则需要更多灌溉(如I5处理)，收获指数(HI)在水分胁迫下降低至0.34。

3.5 传感器布设深度研究表明，浅层土壤(≤20 cm)水分变异性大，30-60 cm深度更适合作为灌溉决策层。最高WP对应的阈值在30 cm深度为RSW 55%/FASW 32%，而最高产量需要RSW 60%/FASW 45%。这些阈值随深度增加而提高，到60 cm深处分别达到RSW 65%/FASW 50%(最高WP)和RSW 70%/FASW 60%(最高产量)。

3.6-3.7 阈值验证试验显示，在2022-2023和2023-2024两个湿润季，采用30 cm深度RSW 55%阈值指导灌溉，比当地农户实践减少灌溉量40-60%，水分生产率提高5-17%，同时保持产量稳定。

讨论部分深入分析了研究结果的实践意义。与传统按生育期灌溉相比，传感器指导的阈值灌溉能根据实际土壤水分状况动态调整，避免丰水年的过度灌溉和干旱年的灌溉不足。研究特别强调了最高产量与最高水分生产率对应阈值的不一致性，这为不同水资源 availability 地区的灌溉策略选择提供了科学依据。对于华北平原等地下水严重超采地区，采用WP优化阈值可实现节水与增产的平衡。

该研究的创新在于首次系统量化了冬小麦不同土壤深度的灌溉阈值差异，并证明了30-60 cm作为传感器布设最优深度的可靠性。研究人员指出，在实际应用中需考虑土壤质地差异，建议使用RSW和FASW等标准化指标而非绝对含水量。随着智能手机的普及，农民可直接通过移动终端获取实时土壤水分数据，大大提高了技术的可推广性。

结论部分明确建议：针对深根系作物冬小麦，土壤水分传感器应布设在30-60 cm深度；灌溉阈值设置需区分目标优先级(产量最大化或水分生产率最大化)；在湿润季节采用WP优化阈值可减少灌溉输入18-23%而不影响产量。这些发现为精准农业中的智能灌溉系统提供了实证依据，对全球干旱半干旱地区的农业水资源可持续利用具有重要指导价值。