使用 FDR-HY2D 对设施栽培草莓根区进行时空水分数字重构与精准灌溉

为什么对草莓进行更聪明的浇水很重要

草莓是出名的需水作物，但在许多农场里大量灌溉水并未到达根系可利用的部位，而是向下渗漏到根系无法触及的深层，既浪费水资源又把肥料带走。这项研究提出了一种能够实时“看见”水在草莓根区如何移动的方法，并利用该洞见实现更精确的灌溉。结果是一个能以更少的水使植物保持更好水分状况的系统，同时减少浪费并促进更健康的生长。

依靠经验浇水的问题

传统的草莓滴灌常依赖固定日程或简单的湿度阈值。这种做法忽视了草莓根系浅且敏感的特性，以及滴灌带和地膜下水分分布的不均匀性。因此，大量灌溉水可能下渗到 60 cm 以下，根系无法利用。先前研究表明，在某些系统中，超过一半的施水以这种方式流失，降低了用水效率并增加了营养物质向更深土层淋洗的风险。

传感器与物理模型的融合

研究人员通过将现场传感器与详细的土壤水分运动计算模型紧密耦合来解决这一问题。他们在根区多个深度布置频域反射率（FDR）探头，频繁测量土壤水分。这些数据流被持续输入到一个名为 HYDRUS-2D 的二维土壤-水分模型中。与将土壤视作简单“水桶”的做法不同，该模型能表现滴头处水分的横向与纵向扩散、根系的吸收、地表蒸发量以及流出根区的渗漏量。团队将这种传感器与模型结合的方法称为 FDR-HY2D。

与现有灌溉模型的对比测试

为了验证他们的方法是否更贴近真实状况，作者将 FDR-HY2D 与两种广泛使用的作物水分模型——SIMDualKc 和 AquaCrop 进行了比较。他们检查每个模型在不同灌溉策略下重现 25、40 和 60 cm 深处实测土壤水分的能力。依赖一维水量平衡计算的简化模型倾向于夸大深层渗漏，并对灌溉事件过度或不足反应。相比之下，FDR-HY2D 更加贴合灌溉后土壤水分的快速上升以及随生长阶段表现出的更缓慢干燥过程。统计检验显示，FDR-HY2D 在各深度和处理下与观测数据的吻合度更高、误差更低。

追踪水分：从浪费到产出

除了跟踪水分，关键问题是水实际去了哪里。通过重构完整的水量平衡，研究表明，传统的经验式定时灌溉产生了“深层渗漏主导”的模式：只有大约三分之一的水被用于作物蒸散，而大部分水分流失。AquaCrop 在这方面有所改善，但仍有约三分之一的水下渗到根系以下。采用 FDR-HY2D 指导的灌溉，在保持作物用水水平相近的同时减少了总灌水量。超过五分之四的施水被转化为作物蒸散，深层渗漏降到总量的大约一成。裸土蒸发也有所减少，尤其是在后期生长阶段。

更健康的植株，耗水更少

研究者接着考察这种更聪明的水分再分配是否真正惠及草莓植株。采用 FDR-HY2D 为依据的灌溉下，植株叶面积更大、维持了较强的光合速率，并在各生长阶段表现出更有利的气孔行为——这些都是良好水分状况和活跃气体交换的迹象。瞬时水分利用效率（即植株每蒸腾单位水分获得的碳）持续高于另外两种灌溉方案。相关性分析证实，当作物蒸腾增加且深层渗漏受控时，植株更高、冠层更密、光合更强、整体用水效率更好。

对农户和粮食生产的意义

简而言之，这项工作表明灌溉既可以更智能也可以更节水。通过将传感器读数与基于物理的土壤水分运动图景持续结合，FDR-HY2D 框架帮助农户从“多浇水”转向“在关键时间与位置浇水”。对于草莓而言，这意味着将水引导至根系最活跃的上 60 cm，显著减少深层流失，并在减少灌水总量的同时支持旺盛生长和高效光合作用。作者认为，这种传感器与模型结合的方法可以发展为面向多种作物的数字决策支持工具，引导农场节水、保护土壤并保持高产量。

引用: 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

关键词: 精准灌溉, 草莓栽培, 土壤水分传感, 用水效率, 滴灌