集约化番茄育苗灌溉预警系统的开发与实现：基于基质筛选和水分消耗模型的精准灌溉策略

本研究针对集约化番茄育苗中灌溉管理依赖经验、水资源浪费严重的问题，开展了不同育苗基质和灌溉量对幼苗生长影响的系统研究。研究人员确定了孔隙度为0.56、灌溉量为孔隙度80–90%的优化基质配方，并构建了集成环境参数（温度、湿度、光照强度）与幼苗耗水量的预警模型，实现了在基质相对含水量降至萎蔫点前105–110%时触发灌溉预警。温室验证表明模型预测耗水量与实际耗水量高度吻合。该研究为番茄工厂化育苗的精准、自动化灌溉控制提供了低成本、实用的解决方案，对提升育苗质量和水资源利用效率具有重要意义。论文发表于《Agricultural Water Management》。

　　

在中国这片广袤的土地上，蔬菜生产占据着至关重要的地位，年栽培面积超过2000万公顷，对移栽苗的需求高达600-730亿株。番茄作为主要蔬菜作物之一，其育苗阶段的成败直接关系到后期的产量和品质。然而，在集约化、工厂化的番茄育苗过程中，两个核心问题始终困扰着生产者：一是育苗基质的选择，其物理化学性质，尤其是孔隙度，直接影响水分、空气和养分的供应，是培育壮苗的基础；二是灌溉管理，传统方式高度依赖人工经验，不仅效率低下，还造成了高达70%的水资源浪费，不当的灌溉甚至可能引发苗期病害，增加农药使用风险。

为了解决这些痛点，一项发表在《Agricultural Water Management》上的研究应运而生。该研究旨在通过科学筛选最优育苗基质，并开发一种基于环境参数和幼苗水分消耗的灌溉预警模型，为实现番茄集约化育苗的精准灌溉和标准化生产提供技术支撑。

为了达成研究目标，研究人员采用了一系列关键的技术方法。研究首先设计了育苗基质筛选试验，比较了园土、商品育苗基质以及不同体积比例（1:1, 2:1）的混合基质共4种类型，并测定了其孔隙度和萎蔫系数。每种基质设4个灌溉水平（孔隙度的70%, 80%, 90%, 100%），通过测量幼苗的农艺性状指标（如株高、茎粗、SPAD值、鲜重/干重等），并利用主成分分析（PCA）进行综合评价，以筛选出最适基质和灌溉量。在此基础上，研究建立了温室环境自动监测系统，使用重量、温度、湿度和光照强度传感器，每10分钟记录一次每个72穴育苗盘的数据。核心的灌溉预警模型则是通过监测不同育苗阶段（Ⅰ期：子叶平展至一心一叶，Ⅱ期：一心一叶至二心一叶，Ⅲ期：二心一叶至三心一叶）幼苗的水分消耗（通过重量传感器计算），并将其与同时段监测的环境参数（温度T、相对湿度RH、光照强度变化E）进行回归分析，分别建立了白天和夜间各阶段水分消耗（ET）的预测方程。预警触发点设定为当基质实际相对含水量降至萎蔫系数对应含水量的105–110%时。最后，通过在温室中进行育苗试验，将模型预测的耗水量与实际测量的耗水量进行比较，以验证模型的准确性和实用性。试验在位于河北省石家庄市和赵县的实验站温室中进行，所使用的番茄品种为‘农博仕6号’。

3.1. 筛选最适宜的番茄育苗基质

研究人员通过测量不同基质中幼苗的农艺指标发现，C组（商品育苗基质:园土=1:1）的幼苗生长状况显著优于A组（园土）和B组（商品育苗基质）。具体而言，C3处理（孔隙度0.56，灌溉量80%）在SPAD值、地上部鲜重和地下部鲜重等指标上表现优异，C4处理则在地上部和地下部干重上最高。主成分分析（PCA）的综合评分结果显示，排名前四的处理均来自C组，其中C3处理得分最高。这表明，当基质孔隙度为0.56时，番茄幼苗的各项指标综合评分最高。同时， across 所有基质，灌溉量为80–90%的处理（如A2, B3, C3, D3）均获得了该基质下的最高分。因此，研究确定C3处理（基质配比1:1，孔隙度0.56，灌溉量448 mL·L^-1）为培育优质番茄幼苗的最适条件。

3.2. 确定适宜的育苗培养基质

通过主成分分析进一步确认，C组处理在代表壮苗指数和生物量积累的主成分1（贡献率48.8%）上得分显著为正，并且在反映养分吸收利用能力及地上地下部协调性的主成分2（贡献率16.0%）上也表现良好。这从统计学上证实了C组基质更有利于培育高质量的番茄幼苗。

3.3. 光照强度、温度和湿度对番茄幼苗耗水量的影响

研究发现，随着育苗天数的增加，幼苗耗水量逐渐上升，且在生长后期（12-21天）快速增加。不同生长阶段的日均耗水量存在显著差异。相关性分析表明，白天的耗水量与光照强度变化（E）和温度（T）呈极显著正相关，与相对湿度（RH）呈极显著负相关。研究人员分别对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期幼苗在白天（有光）和夜间（无光）的耗水量与环境参数进行了拟合，得到了具有高决定系数（R² > 0.91）的回归方程。例如，Ⅰ期白天耗水量模型为 ET_IA = ∑(0.1241E_i - 0.0518T_i - 0.0571RH_i + 6.0807)。这些方程为预测不同环境下的幼苗耗水量提供了量化工具。

3.4. 幼苗灌溉预警

基于最适基质的特性（孔隙度n=0.56，体积V=3 L，萎蔫系数PWP=0.6128），研究设定了灌溉预警机制。当通过模型计算的累计水分消耗（ET）达到阈值，即 ET ≥ n × V × (80%~90%) - n × V × PWP × (1+5%~10%) 时，系统发出预警，提示需要灌溉。对于单个72穴育苗盘，此阈值范围为0.21 L 至 0.43 L。

3.5. 幼苗预警模型的验证

为了检验模型的实用性，研究在温室中进行了验证试验。结果显示，模型预测的耗水量与实际耗水量在大多数时段吻合良好。虽然在个别时段（如Ⅰ期夜间预测略高，Ⅱ期中午预测略低，Ⅲ期早晚有些许偏差）存在微小差异，但总体趋势一致，证明了所建模型能够较准确地预测番茄幼苗在不同生长阶段的水分需求。

综上所述，本研究成功地筛选出适用于集约化番茄育苗的优化基质配方（商品育苗基质:园土=1:1，孔隙度0.56）和灌溉量（孔隙度的80–90%）。更重要的是，研究构建了一个基于环境参数（温度、湿度、光照）的幼苗耗水量预测模型，并据此建立了可靠的灌溉预警系统。该模型能够在水分子缺导致幼苗萎蔫之前发出警报，指导精准灌溉。温室验证结果肯定了模型的准确性和实用性。这项研究的成果为开发番茄育苗生长的自动化灌溉控制系统奠定了坚实基础，有助于建立标准化的生产工艺，在提高幼苗质量的同时，显著节约水资源并降低劳动力成本。这种将基质物理特性、幼苗生理需求与环境因子相结合的预警模型，为设施农业的智能化水肥管理提供了一个可借鉴的低成本、高效解决方案，对推动蔬菜育苗产业的可持续发展具有重要意义。