基于物联网传感器的水肥精准管理提升马铃薯可持续生产与环境效益研究

本文推荐一项在地中海缺水地区开展的创新研究，通过应用物联网（IoT）传感器技术优化马铃薯水肥管理。结果表明，gaiasense?（GS）系统显著减少氮（N）、磷（P）潜在损失超50%，提高水分生产率37%，降低过度灌溉84%，同时维持高产（>50 t/ha）和品质。该系统为缺水地区农业可持续发展和环境影响减缓提供了技术支撑，契合欧洲绿色协议目标。

　　

引言

东地中海地区包括塞浦路斯正面临严峻的水资源短缺问题，其升温速度是全球平均水平的两倍，淡水资源匮乏严重影响农业生产及生态健康。该地区地表水资源枯竭导致地下水过度开采，多数含水层面临严重威胁，尤其在科基诺霍里亚（Kokkinochoria）——塞浦路斯主要的马铃薯产区，过度抽取地下水用于马铃薯灌溉已引发海水入侵和硝酸盐污染。马铃薯作为全球最重要的非谷物粮食作物，对水分和养分胁迫高度敏感，但其氮肥利用率仅40%–60%，余下部分常因过量灌溉而淋失，造成显著环境风险。尽管欧盟已推行《硝酸盐指令》和《水框架指令》等法规，提高资源利用效率仍是当务之急。近年来，物联网（IoT）传感器技术被推广用于优化马铃薯水肥管理，减少氮、磷淋失，但因土壤和作物特性差异，其在跨区域、跨作物应用仍具挑战性，尤其对小规模农场适用性有限，亟需开发区域和物种特异性的智能农业解决方案。

材料与方法

生长条件

试验在科基诺霍里亚进行，该区域土壤为红壤黏壤土（35%黏土、25%粉砂、40%沙），交换性钙、镁含量分别为4,800 ppm和500 ppm。斯彭塔（Spunta）马铃薯品种于2023年1月25日播种，6月1日收获，种植密度38,000株/公顷。灌溉水电导率（EC）为0.674 dS/m，离子组成典型。设两种处理：农民常规实践（CL）与基于gaiasense?（GS）的传感器系统，采用随机区组设计（4次重复），每小区面积156平方米。

Gaiasense?智能农业系统

gaiasense?系统是一种决策支持平台，通过整合物联网遥感站（gaiatrons）、卫星影像、数字栽培日历和农艺评估，实时监测大气、土壤和作物参数（如气温、湿度、土壤水分和盐分、叶面状况），利用算法动态生成灌溉与施肥建议。系统首先收集历史气候和栽培数据，进行土壤-气候分区，通过实地传感器与卫星数据优化模型校准，最终提供每日、田块特定的管理建议。

灌溉管理

CL处理基于作物蒸散量（ETc）计算灌溉，采用FAO指南中的系数；GS处理则通过传感器实时监测土壤水分（维持在25%–35%），由算法触发灌溉，精准匹配作物需求。

施肥管理

CL遵循区域高产指南，氮（N）、磷（P）、钾（K）用量分别为251 kg/ha、95 kg/ha、353 kg/ha；GS则基于算法计算作物需求，考虑土壤特性、养分移除动态及损失风险，优化施肥量和时机，减少总量但增加锌（Zn）、锰（Mn）、铜（Cu）等微量营养。

测量指标

包括土壤和植株养分分析、块茎产量与品质（如总糖、水分、干物质、硝酸盐含量）、水分生产率（WP = 产量/灌水量）、氮磷农学效率（N_agr, P_agr）和环境有效性（N_env, P_env），以及潜在氮磷损失估算（通过质量平衡方程）。排水量通过水分平衡计算，可持续性指标涵盖经济产出、成本、利润和劳动投入等。

结果与讨论

GS处理灌水量（499.4 mm）较CL（728.7 mm）减少31.5%，排水量显著降低（43.5 mm vs. 272.8 mm），表明CL存在严重水分过剩和管理失误。水分生产率提高37%（GS: 12.66 kg/m3 vs. CL: 9.25 kg/m3），与欧洲及地中海地区报告值（3–15 kg/m3）一致。过量灌溉加剧硝酸盐（NO₃^?）淋失，占氮损失的85%，威胁地下水质量；磷淋失和径流则贡献于水体富营养化。传感器系统通过站点特异性气候监测优化灌溉，减少水肥损失。

肥料施用时机一致，但GS显著降低N、P、K用量（分别减少9.1%、27.9%、53.6%），同时增加微量元素。两处理产量均超50 t/ha（高于国家平均水平35.6 t/ha），块茎品质符合欧洲标准（干物质19.5%，硝酸盐68 mg/kg）。氮磷吸收量无显著差异，但GS潜在氮损失降低60%（51.5 kg N/ha vs. 129.4 kg N/ha），磷损失减少52%（37.4 kg P/ha vs. 78.0 kg P/ha）。GS处理土壤残留氮较高，表明肥力改善和氮携带效应潜力，在黏土和干旱条件下淋失风险低。轮作作物可进一步利用残留氮。

环境有效性方面，GS的产量与损失比（kg块茎/kg养分损失）为CL的两倍以上，凸显其环境优势。经济分析显示，GS降低可变成本和总成本（25%和19%），减少肥料、农药、灌溉和劳动力投入，提高毛利润和灌溉水生产率（24%和22%），无农药残留超标。该系统尤其适用于小规模农场和气候热点地区，协同提升社会经济与环境可持续性。

研究局限包括单一年份和特定区域条件，需多年多作物试验验证普适性。

结论

物联网传感器水肥策略显著提升马铃薯生产的水分和养分效率，减少环境损失，维持高产优质，支持欧盟绿色协议目标，推动气候韧性农业系统发展。未来研究将探索减氮条件下的可持续高产及技术在大规模、多样化环境中的应用。