Пространственно-временная цифровая реконструкция влажности в корневой зоне и прецизионное орошение с использованием FDR-HY2D для закрытого выращивания клубники

Почему умное орошение важно для клубники

Клубника известна как влаголюбивая культура, но на многих хозяйствах большая часть воды при орошении никогда не достигает ягод. Вместо этого она уходит глубже в почву, вне досягаемости корней, что приводит к потере воды и унесению удобрений. В этом исследовании предложен новый способ «видеть», как вода перемещается вокруг корней клубники в реальном времени, и использовать эти данные для более точного полива. В результате получается система, которая поддерживает лучшее увлажнение растений при меньших затратах воды, снижая потери и способствуя здоровому росту.

Проблема прицельного полива «на глаз»

Традиционное капельное орошение клубники часто опирается на фиксированные графики или простые пороги влажности. Такой подход не учитывает, насколько мелкие и чувствительные корни клубники и как неравномерно вода распространяется под линиями капель и под пленкой. В результате значительная доля воды может уходить ниже 60 см, куда корни не добираются. Ранее показывали, что в некоторых системах более половины подаваемой воды теряется таким образом, снижая эффективность использования воды и повышая риск вымывания питательных веществ в глубокие слои почвы.

Объединение датчиков и физики

Исследователи решили эту проблему путем тесной интеграции полевых датчиков с детализированной компьютерной моделью движения воды в почве. Они использовали зонды частотной рефлектометрии (FDR), установленные на нескольких глубинах в корневой зоне, чтобы часто измерять влажность почвы во времени. Эти потоки данных непрерывно подавались в двумерную модель почвенной воды HYDRUS-2D. Вместо представления почвы как простого «ведра», модель описывает, как вода от капельников распространяется вбок и вниз, как ее поглощают корни, сколько испаряется с поверхности и сколько просачивается мимо корневой зоны. Команда называет этот объединенный подход FDR-HY2D.

Сравнение с существующими моделями орошения

Чтобы проверить, насколько метод отражает реальность, авторы сравнили FDR-HY2D с двумя широко используемыми моделями водного режима культуры — SIMDualKc и AquaCrop. Они оценивали, насколько каждая модель воспроизводит измеренную влажность почвы на глубинах 25, 40 и 60 см при разных стратегиях полива. Проще модели, основанные на одномерном балансе воды, как правило, преувеличивали глубинное просачивание и либо слишком резко, либо недостаточно реагировали на события полива. Напротив, FDR-HY2D хорошо соответствовала наблюдаемому быстрому подъему влажности после полива и более постепенному, зависящему от стадии роста, высыханию. Статистические тесты показали более высокое согласие с измерениями и меньшую ошибку у FDR-HY2D по сравнению с двумя другими моделями на всех глубинах и в разных вариантах обработки.

Куда уходит вода: от потерь к продуктивности

Помимо отслеживания влажности, ключевой вопрос — куда фактически уходит вода. Воссоздав полный водный баланс, исследование показало, что при традиционном, эмпирически заданном графике полива доминирует «глубокое просачивание»: лишь около трети воды идет на поддержание испарения и транспирации растений, тогда как большая часть уходит вниз. AquaCrop несколько улучшила ситуацию, но все же допускала, что около трети воды уходит ниже корней. При поливе по рекомендациям FDR-HY2D общий объем орошения сократился при сохранении сопоставимого использования воды растениями. Более четырех пятых поданной воды превращались в испарение и транспирацию культуры, а глубинное просачивание уменьшилось примерно до одной десятой от общего. Испарение с голой почвы также уменьшилось, особенно на более поздних стадиях роста.

Более здоровые растения при меньшем расходе воды

Далее исследователи проверили, помогла ли такая умная перераспределённость воды самим растениям. При поливе на основе FDR-HY2D у растений развивалась большая листовая поверхность, поддерживалась высокая фотосинтетическая активность и наблюдалось более благоприятное поведение устьиц — признаки хорошего увлажнения и активного газообмена — на всех стадиях роста. Моментальная эффективность использования воды, определяемая как прирост углерода на единицу испаренной растением воды, была стабильно выше по сравнению с двумя другими схемами полива. Корреляционный анализ подтвердил, что более высокий транспирационный расход культуры в сочетании с контролируемым глубинным просачиванием ассоциировался с более высокими растениями, плотной кроной, большей фотосинтетической активностью и лучшей общей эффективностью использования воды.

Что это значит для фермеров и продовольствия

Проще говоря, работа демонстрирует, что орошение может быть одновременно умнее и экономнее. Непрерывно объединяя показания датчиков с физической моделью движения воды в почве, рамочная методика FDR-HY2D помогает фермерам перейти от «поливать больше» к «поливать там и тогда, где это важно». Для клубники это означает направлять воду в верхние 60 см, где корни наиболее активны, резко сокращать потери на глубокий дренаж и поддерживать интенсивный рост и эффективный фотосинтез даже при сниженных объёмах полива. Авторы считают, что этот подход «датчики плюс модель» может стать цифровым инструментом поддержки принятия решений для прецизионного орошения многих культур, прокладывая путь к фермам, которые экономят воду, сохраняют почвы и при этом обеспечивают высокие урожаи.

Цитирование: Tang, R., Luen, L.C., Tang, J. et al. Spatiotemporal moisture digital reconstruction of root zone and precision irrigation using FDR-HY2D for facility-based strawberry. npj Sci Food 10, 84 (2026). https://doi.org/10.1038/s41538-026-00758-y

Ключевые слова: прецизионное орошение, выращивание клубники, датчики влажности почвы, эффективность использования воды, капельное орошение