评估变色龙土壤水分传感器在越南湄公河三角洲旱作作物灌溉管理中的应用潜力

《Advances in Agriculture》：Assessment of the Potential Application of the Chameleon Soil Moisture Sensor to Grow the Upland Crop in the Mekong River Delta, Vietnam

本文评估了变色龙土壤水分传感器在越南湄公河三角洲（MRD）盐渍化影响地区旱作作物（以甜菜根为模型）灌溉管理中的应用潜力。研究通过实验室校准、温室控制试验和田间验证，证实该传感器能有效监测不同土壤质地（沙土、黏壤土、粉砂黏土）的水分动态，在盐水灌溉（0.5–1.0 g L?1）条件下节水45.1%–53.8%，并显著提升水分利用效率（WUE达4.71 kg m?3）。结合秸秆覆盖技术，可进一步稳定土壤湿度、减少盐分积累，为小农户提供了一种低成本、易操作的精准灌溉策略，对应对区域水资源短缺与盐碱化挑战具有重要意义。

　　

1. 引言

全球人口快速增长与气候变化影响加剧了发展中国家农业水资源短缺问题。农业作为淡水消耗最大部门，亟需通过提升作物水分生产率实现节水增产。越南湄公河三角洲（MRD）是全国重要农业区，贡献超50%水稻产量，但近年来受盐碱入侵、降雨不均及海平面上升影响，旱季淡水匮乏严重制约作物生产。传统灌溉依赖作物蒸散量（ETc）估算，而现代方法逐步转向实时土壤-植物监测。变色龙土壤水分传感器由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）开发，通过蓝（0至?22 kPa）、绿（?22至?50 kPa）、红（≥?50 kPa）三色指示灯直观反映土壤水势，无需复杂计算即可指导灌溉决策。尽管该传感器已在多场景应用，但其在MRD盐渍化土壤及小农系统中的适用性尚待验证。本研究以甜菜根（Beta vulgaris L.）为模型作物，评估传感器在MRD旱季盐渍条件下的灌溉优化潜力，旨在为提升水分利用效率（WUE）提供实践依据。

2. 材料与方法

2.1. 试验设计

研究分三阶段展开： Trial 1 实验室校准传感器在MRD三种典型土壤质地（沙土、黏壤土、粉砂黏土）中的灵敏度；Trial 2 温室条件下探究不同盐度灌溉水（0、0.5、1.0 g L^?1）结合传感器灌溉对甜菜根生长的影响；Trial 3 田间试验比较传感器灌溉结合秸秆覆盖与传统农户灌溉的效果。

2.2. 试验方法

Trial 1 通过土壤水分特征曲线（pF曲线）与传感器读数对比，验证其在不同质地土壤中的响应一致性。Trial 2 采用完全随机设计（CRD），设传感器灌溉（CI）与农户每日灌溉（FI）两种方式，结合三种盐度水平，测定土壤水分、盐分积累、作物生长指标及WUE。Trial 3 采用随机区组设计（RCBD），比较传感器灌溉无覆盖（CI-Nonmulching）、传感器灌溉加覆盖（CI-Mulching）及农户灌溉加覆盖（FI-Mulching）三处理对田间甜菜根的影响。

2.3. 采样与分析

监测指标包括灌溉量、土壤体积含水量、电导率（ECe）、总溶解盐（TDS）、植株形态指标、叶绿素含量（SPAD）、块根产量及糖度（Brix）。WUE计算公式为块根产量（kg）与灌水量（m³）比值。

2.4. 统计分析

使用Minitab软件进行方差分析（ANOVA），采用Tukey检验（p ≤ 0.05）比较处理间差异。

3. 结果

3.1. 传感器在不同土壤质地中的灵敏度

传感器颜色变化与pF曲线高度吻合：粉砂黏土在蓝色阶段体积含水量为35%–53%，黏壤土为33%–46%，沙土为10%–37%。沙土因水分渗透快，传感器绿色至红色转换存在延迟，但仍能有效反映水分动态。

3.2. 温室盐渍灌溉下的WUE与作物生长

传感器灌溉（CI）较农户灌溉（FI）节水45.1%–53.8%，WUE随盐度升高增至4.71 kg m^?3（1.0 g L^?1处理）。盐度对叶绿素含量与Brix值有显著促进作用，但块根产量无显著差异。TDS在作物后期轻微上升，但未引发盐胁迫。

3.3. 田间传感器灌溉与覆盖效应

CI-Mulching处理灌溉量减少超60%，土壤水分最稳定，盐分积累最低，且块根产量（36.17吨 ha^?1）显著高于CI-Nonmulching（19.35吨 ha^?1），与FI-Mulching无显著差异。覆盖技术通过减少蒸发增强水分保持，与传感器灌溉协同提升WUE。

4. 讨论

4.1. 传感器精度与土壤质地适应性

传感器在细质地土壤中响应精准，但在沙土中因水分异质分布存在延迟，需针对性校准。

4.2. 盐渍条件下的WUE提升

轻度盐度（≤1.0 g L^?1）可能激发甜菜根渗透调节机制，促进WUE，但高盐度（>4 dS m^?1）下需警惕产量风险。

4.3. 盐分积累动态

传感器灌溉减少淋洗量，导致盐分轻度累积，但可通过间歇性深灌缓解。

4.4. 作物生理响应

甜菜根对轻度盐渍表现出适应性提升（如叶绿素与糖度增加），其耐盐阈值约6 dS m^?1，适合MRD中轻度盐碱区种植。

4.5. 覆盖技术的协同效应

秸秆覆盖降低蒸发，稳定根区水盐环境，与传感器灌溉形成技术互补。

5. 结论

变色龙传感器在MRD多种土壤质地及盐渍条件下均表现出可靠的灌溉指导能力，结合覆盖技术可显著节水、稳产、抑盐。该工具为小农户提供了一条低成本、易操作的精准灌溉路径，对区域农业水资源可持续管理具有重要推广价值。未来需开展长期定位试验，验证其在轮作系统及高盐环境中的适应性。