微张力计监测不同灌溉模式下柑橘园茎水势的动态响应与传感器性能评估

本研究针对传统压力室(PC)法无法连续监测茎水势(Ψstem)的问题，通过对比微张力计(MT)与PC在两种灌溉模式（地下滴灌SDI与微喷灌SPR）下的性能，发现MT能实时捕捉柑橘水分状况动态，但存在显著时间滞后和信号衰减（传感器-树木复合体呈一阶动力学响应）。研究证实MT是监测柑橘水分状况的有效工具，但需开发补偿协议以校正时间常数，才能直接应用于现有灌溉阈值体系。

　　

在气候变化加剧和水资源日益紧缺的背景下，灌溉农业的高效用水管理变得至关重要，尤其是在干旱和半干旱地区。对于地中海半干旱环境下的柑橘作物而言，产量的成功在很大程度上依赖于充足的灌溉。茎水势（Ψ_stem）被广泛认为是作物水分状况的标准指标，是制定灌溉决策的有价值依据。传统上，Ψ_stem通过Scholander压力室（PC）进行估算，虽然可靠，但该方法具有破坏性、耗时且无法提供实时连续数据，这限制了其在精准灌溉或植物胁迫诊断中的应用。此外，操作人员的影响也是PC测量准确性的一个重要变量。因此，开发能够连续、准确监测植物水分状况的新技术具有重要意义。

近年来，微张力计（MT）作为一种新兴技术出现，它能够通过直接插入植物组织来连续实时监测茎水势（Ψ_mt）。尽管MT已在猕猴桃、棉花、梨、油桃和葡萄等多种作物中成功应用，但其在柑橘类作物，特别是 mandarin（Citrus reticulata Blanco）上的应用效果尚属未知。传统上，西西里地区的柑橘园多采用低频次的树下微喷灌（SPR）系统，但为了应对半干旱气候和频繁的水资源短缺，人们正逐渐转向采用如地下滴灌（SDI）等更高效的灌溉技术。

在此背景下，由Girolamo Vaccaro等人组成的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了他们的研究成果，旨在评估微张力计在监测地中海气候条件下、采用不同灌溉制度的mandarin果园茎水势方面的可靠性和性能。研究比较了两种灌溉模式：一种是通过SDI系统进行的高频灌溉，以维持充分供水条件；另一种是该地区典型的普通灌溉管理，由SPR系统提供。研究跨越了两个生长季节（2022年和2023年），通过对比MT（Ψ_mt）和PC（Ψ_pc）的测量值，并进行了遮荫试验以评估传感器检测植物对外部扰动反应的能力，系统分析了MT的准确性、响应动态及其与气候因子的关系。

为开展本研究，研究人员在意大利西西里岛帕勒莫附近的一个30年树龄的mandarin果园中设立了试验点。果园被分为两个试验区，分别代表SDI和SPR灌溉模式。在每个试验区选择一棵代表性树木进行监测。连续茎水势（Ψ_mt）使用四个商用微张力计（FloraPulse）进行监测，每棵树上安装两个传感器，数据每20分钟记录一次。作为参照的茎水势（Ψ_pc）则使用Scholander压力室法在同一棵树上进行测量，测量频率在生长季内根据灌溉事件安排。同时，利用气象站监测气温、相对湿度、蒸汽压亏缺（VPD）、降水、太阳辐射（SR）和风速等气候数据，并计算参考作物蒸散量（ETo）。在SDI试验区，还使用土壤水分传感器监测根区的土壤体积含水量（SWC）动态。此外，为了评估MT对短期环境扰动的响应能力，研究还在夏季高峰和末期进行了两次人工遮荫试验。数据分析包括Ψ_mt与Ψ_pc的相关性分析、Ψ_mt与VPD的散点组分析（按树木水动力学相位划分），以及ETo与Ψ_mt之间的时间滞后归一化互相关分析，以确定传感器-树木复合体的响应动态。

3.1. 气候条件、灌溉量和土壤水分动态

两个监测季节均经历了高温和较高的蒸发需求，VPD_max经常超过3 kPa，并在2023年7月达到9 kPa的峰值。SDIplot通过高频灌溉成功维持了土壤水分含量（SWC）接近田间持水量（θ_fc）的稳定状态。而SPRplot采用农户每两周左右的灌溉计划，导致了土壤水分和植物水分状况的显著波动。

3.2. 微张力计监测的茎水势

连续MT监测清晰揭示了两种灌溉制度下Ψ_mt动态的差异。在SDI制度下，Ψ_mt的日际变化相对稳定，日变化呈现预期的模式，最小值出现在中午时分。在极端高温和高VPD事件期间，即使土壤水分充足，Ψ_mt也记录了最低值，并且清晨茎水势（Ψ_pd）恢复不完全，表明大气胁迫对植物水分状况的持续影响。在SPR制度下，Ψ_mt的日际变化更为显著，随着土壤逐渐干燥，Ψ_pd呈近乎线性下降，显示出mandarin的近非等水行为特性。灌溉后，树木水分状况迅速恢复，大部分恢复发生在灌后24-48小时内。

3.3. 微张力计与压力室的比较

Ψ_mt和Ψ_pc的日变化趋势相似，但存在显著差异。Ψ_pc的读数通常比Ψ_mt更负，尤其是在午后蒸腾需求高峰时。Ψ_mt的最低值出现时间比Ψ_pc延迟约2小时。遮荫试验表明，MT和PC都能检测到植物对SR变化的生理响应，但动态不同：Ψ_pc对光照变化的响应几乎立即发生，而Ψ_mt的响应则缓慢且平滑，表现出明显的时间滞后。估算的时间常数（τ）显示，Ψ_mt的响应（约122-125分钟）远慢于Ψ_pc（约29-32分钟）。线性回归分析显示Ψ_mt与Ψ_pc显著相关（SDI: R2=0.62; SPR: R2=0.63），但回归线斜率偏离1:1等值线，表明Ψ_mt系统性高估了Ψ_stem，且其变化幅度更为平缓。

3.4. Ψ_mt与蒸汽压亏缺的相关性

在SWC稳定的SDI制度下，Ψ_mt与VPD显示出较强的负相关性，特别是在水分再填充阶段（R2=0.70），数据分布呈现出明显的昼夜滞后回环模式。而在SWC波动较大的SPR制度下，Ψ_mt与VPD的相关性较弱，数据点更为分散且重叠，表明Ψ_mt动态主要受土壤水势而非大气需求驱动。

3.5. Ψ_mt对参考蒸散量的敏感性

归一化互相关分析显示，Ψ_mt对ETo的响应存在时间滞后。在SDI制度下，时间滞后相对稳定；而在SPR制度下，时间滞后在灌溉周期内呈现规律性变化，灌后滞后时间缩短，随后又增加。基于相位滞后估算的Ψ_mt时间常数（τ）在SDI下相对稳定，在SPR下则随灌溉周期变化，表明传感器-树木复合体的动态响应受土壤水分状况的影响。

研究表明，微张力计能够高分辨率地连续监测mandarin树的茎水势动态，有效区分不同灌溉制度和土壤水分条件下的植物水分状况，并对极端气候事件和灌溉操作表现出敏感性。这表明MT在实时灌溉调度和胁迫监测方面具有巨大潜力。

然而，研究也揭示了MT在实际应用中的重要局限性。最关键的是，传感器-树木复合体表现出显著的一阶动力学响应特性，导致Ψ_mt测量值存在明显的时间滞后（可达2小时）和信号衰减（平滑效应）。这使得Ψ_mt的原始读数无法直接替代压力室测得的Ψ_stem值来应用现有的基于Ψ_stem的灌溉阈值。研究观察到Ψ_mt系统性高估（即读数负值偏小）Ψ_stem，且其动态变化幅度更为平缓。此外，传感器在长期野外使用中可能出现故障，例如绝缘退化导致数据异常。

综上所述，该研究证实了微张力计作为实时监测柑橘园水分状况工具的可行性，但强调其原始信号不能直接等同于压力室测量值。研究的重要意义在于明确指出，要将Ψ_mt读数成功整合到现有的灌溉调度协议中，必须开发能够补偿其大时间常数的专用算法或协议。同时，研究提示，传感器-树木复合体的动态参数（如时间常数）本身可能包含有价值的树木生理状态信息，值得进一步探索。这项工作为在柑橘等木本作物中更精准地应用连续水分传感技术奠定了重要基础，对推进智慧农业和水资源高效利用具有积极意义。