Оценка испарения и коэффициентов культуры для посевов лука с использованием взвешивающих лизиметров и моделей машинного обучения в полузасушливом регионе

Почему лук и потребление воды важны

Лук — незаменимый продукт в кухне и одна из основных культур в Иране, но он требует много воды в регионе, где каждая капля на счету. Фермеры и менеджеры водных ресурсов должны точно знать, сколько воды теряют луковые поля в атмосферу, чтобы поливать рационально, избегать потерь и при этом получать хорошие урожаи. В этом исследовании сочетаются тщательные полевые измерения и современные компьютерные модели для лучшего понимания водопотребления лука в полузасушливой части Ирана.

Измерение потерь воды на луковых полях

Растения теряют воду двумя основными путями: с поверхности почвы и через листья. В сумме эти потери называют испарительно-транспирационными. Чтобы отслеживать их с высокой точностью, исследователи использовали большие взвешивающие контейнеры, погруженные в землю, каждый из которых содержал растения лука и почву. Записывая изменения веса с течением времени и учитывая осадки, орошение и дренаж, они могли точно определить, сколько воды покидало систему каждый день. За два вегетационных сезона культура поглотила около 447 мм воды в первый год и 432 мм во второй, при этом более прохладная погода во втором году привела к несколько меньшему потреблению.

Разделение растительной транспирации и испарения почвы

Вода уходит не только через корни лука; она также испаряется прямо с оголенной почвы между рядами. Чтобы разделить эти составляющие, команда поместила небольшие цилиндры почвы, называемые микро-лизиметрами, внутрь основных взвешивающих установок. Эти небольшие образцы взвешивали ежедневно, чтобы показать, сколько воды теряет только поверхность почвы. Вычитая это из общей потери воды, можно было оценить долю, проходящую через растения лука. Было установлено, что около трети общей потери воды приходилась на испарение с почвы, а остальную часть — на транспирацию растений. Они также отслеживали, как эти доли менялись в течение сезона: испарение почвы было выше, когда растения были невысоки и покров листьев был ограничен.

Простые показатели, направляющие орошение

Фермеры и консультанты часто опираются на коэффициенты культуры — простые множители, связывающие местные погодные условия с тем, сколько воды конкретная культура будет расходовать. В этом исследовании команда рассчитала как одиночные, так и двойные коэффициенты культуры для лука в условиях полузасушливого Ирана. Одиночный коэффициент связывает общее водопотребление лука с эталонной травяной поверхностью, тогда как двойная форма разделяет эффект между листьями растений и оголенной почвой. Для комбинированной меры средние значения составили 0,41 в начале сезона, 0,68 в период максимального роста и 0,51 к концу. Часть, связанная с листьями, оставалась ниже значений, приведенных в некоторых других странах, что отражает относительно скромную листовую площадь и высоту местного сорта лука и прохладные зимы, замедлявшие его рост.

Обучение компьютеров прогнозировать водопотребление

Поскольку большие взвешивающие устройства дороги и редки, исследователи также проверили, могут ли компьютерные модели оценивать водопотребление лука, используя обычные погодные и агрономические измерения. Они обучили пять типов моделей машинного обучения на данных за два года, включая температуру воздуха, влажность, скорость ветра, освещенность, листовую площадь и высоту растений. Модели научились имитировать измеренные потери воды и были протестированы на невидимых ранее днях. Лучшие результаты показали два древовидных метода — случайный лес и дерево решений — за ними следовали нейронные сети и метод опорных векторов для регрессии. Проще линейный метод LASSO показал меньшую точность, что указывает на то, что водопотребление лука реагирует сложным, нелинейным образом на погоду и рост растений.

Что определяет водопотребление лука

Изучая внутренности наилучшей модели, команда выявила, какие входные данные имели наибольшее значение. На первых местах оказались показатели размера растений, такие как листовая площадь и высота, а также суммарная радиация от солнца и скорость ветра. В то же время влажность воздуха играла менее значимую роль в этих полузасушливых условиях. Это означает, что для надежного прогноза потребности в воде полезно знать не только погоду, но и то, сколько зеленой листовой поверхности имеет культура в конкретный момент.

Что это значит для фермеров

Для производителей и планировщиков в сухих регионах эта работа предлагает два ключевых инструмента. Во‑первых, она предоставляет локально проверенные значения, связывающие стандартные погодные данные с водопотреблением лука, что помогает разрабатывать более эффективные графики полива. Во‑вторых, она показывает, что хорошо обученные модели машинного обучения могут заменить дорогостоящие полевые приборы при условии наличия базовых погодных и данных о росте культуры. В совокупности эти достижения могут способствовать более эффективному использованию ограниченных водных ресурсов при сохранении производства лука в полузасушливых ландшафтах.

Цитирование: Shirazi, S.H.M., Razzaghi, F. & Sepaskhah, A.R. Estimation of onion crop evapotranspiration and crop coefficients using weighing lysimeters and machine learning models in semi-arid region. Sci Rep 16, 16166 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43887-w

Ключевые слова: орошение лука, испарение, полузасушливое сельское хозяйство, коэффициенты культуры, модели машинного обучения