《Agricultural Water Management》：Advances and prospects of closed-loop precision irrigation for synergistic water-salt-phosphorus regulation in saline-alkali soils
智能监测技术
实现盐碱地农业高效用水与稳定产出的前提，是对种植环境关键参数的实时精准感知。现代精准灌溉系统通过集成先进传感技术、无线通信网络（如ZigBee、LoRa、NB-IoT、5G）和物联网（IoT）框架，构建了涵盖土壤、作物、气候的智能多维监测网络。利用原位传感器、无人机（UAV）遥感与卫星影像相结合，并借助边缘计算与智能网关，实现了环境数据的快速获取、分析与传输，为精准灌溉决策提供实时支撑。
在土壤盐渍化或使用微咸水灌溉的区域，盐分对作物生长、水分吸收及土壤健康的有害影响，使得监测其水平与监测土壤水分同等甚至更为关键。盐分含量的动态变化直接影响淋洗需水量（Leaching Requirement, LR）的计算、灌溉水质水量的决策以及盐碱土改良效果的评估。此外，土壤磷素状况，特别是植物有效磷含量或其潜在生物有效性的指标，是评估改良效果和保障作物养分供应的关键参数。因此，支撑水盐协同管理与养分综合管理的智能监测技术体系是核心关注点。
原位传感是构建田间尺度监测网络的基础。直接布设在土壤、空气和植物上的传感器可提供高时间分辨率的连续数据。在盐渍环境中，监测土壤盐分和土壤水分尤为重要。接触式电导率（EC）传感器通过电极测量土壤溶液的电导率。四电极系统可减轻极化效应，更适用于高盐分土壤。然而，传感器精度受土壤质地、含水量、温度和电极-土壤接触阻抗的显著影响，需要频繁校准。长期安装中的电极腐蚀和盐晶析出等问题会导致性能下降和维护成本高昂。时域反射计（TDR）和频域反射计（FDR）技术通过测量土壤介电常数实部（ε′）来估算体积含水量（VWC）。盐分会显著增加介电常数虚部（ε″），导致在高盐条件下系统性地高估VWC测量值。先进传感器尝试通过同步测量与溶液电导率（σ）相关的信号衰减，利用介电模型和经验关系估算土壤溶液EC或总盐分含量，显示出同步监测水分和盐分的潜力。然而，在高盐土壤中获得准确测量结果严重依赖于复杂的特定点位校准模型，且高成本限制了大规模密集部署。
电磁感应设备（如EM38）测量表观电导率（ECa），其值受孔隙水电导率（ECw）、VWC、粘土含量和温度的影响。其非接触、快速测量和大面积覆盖的特点，使其成为绘制田间尺度土壤盐分空间分布图的主要工具。通过地面校准将测量的ECa转换为标准指标ECe。将这些设备集成到移动平台（如拖拉机或机器人）上，可实现田间的动态高效扫描。
制定有效的淋盐策略，需要了解盐分在作物根区活跃层，特别是深层土壤中的积累情况。这可通过部署多层EC传感器阵列，或使用具有多层测量能力的移动EC探头/EM设备来实现。基于传统的稳态方法开发的土壤盐分淋洗管理模型（SALEACH），在计算LR的同时，结合了根系吸水、土壤变异性、降水和水分胁迫来估算灌溉定额、土壤盐分、排水盐度和作物产量，显示出比WATSUIT和HYDRUS-1D等模型更高的准确性。
此外，为实现盐分优化管理，实时监测灌溉水质（ECw）至关重要。通过在线EC传感器实时监测灌溉水质，对于准确计算盐分输入和LR至关重要，特别是在使用多变的微咸水资源时，能够及时调整灌溉策略，提高效率并减少生态影响。在监测土壤改良剂（如石膏、生物炭、有机肥）效果时，应关注其对关键理化参数的动态影响。此外，土壤渗透性、团聚体稳定性等结构参数也可被监测。原位EC测量结合渗透仪数据或视觉评估，可为这些方面提供有价值的信息。
对于与盐碱地肥力相关的土壤磷动态监测，离子选择电极（ISE）和薄膜扩散梯度（DGT）传感器等原位技术具有潜力。ISE可提供半定量、近实时的活性磷离子（如H2PO4-）活度测量，但在高离子强度、pH多变和碳酸盐含量的盐碱土中面临显著的精度挑战，需要频繁校准和特定的电极配方。DGT是一种被动采样技术，可在部署期间测量活性磷形态（被认为是生物有效的）的通量，比ISE更能减少短期波动的影响，从而了解植物有效磷。虽然可在盐碱田间部署，但DGT数据的解读需要仔细考虑土壤性质和部署时间，且缺乏实时输出。因此，目前仍然缺乏能够实时监测土壤生物有效磷状况的成本效益高、可靠且耐盐的原位传感器，这对于实现以优化磷利用为目标、协同水盐管理的闭环管理至关重要。
气象参数监测是计算参考作物蒸散量（ET0）的基础。根据FAO Penman-Monteith方程，可靠的太阳辐射（Rs）、气温（Ta）、空气湿度（RH）和风速（u2）数据不可或缺。在盐渍环境中，气候监测需要关键调整。盐胁迫显著抑制作物生长和蒸腾作用。在相同土壤水分条件下，受盐害作物的实际蒸散量（ETc）低于健康作物。直接应用标准作物系数（Kc）值将导致高估灌溉需水量。因此，应基于作物盐胁迫的实时生理指标，动态下调Kc值。监测ET0中的蒸发分量，对于理解干旱地区高蒸发率如何加速地表盐分富集、指导灌溉调整（如增加灌溉频率以保持地表湿润、抑制盐分上升）至关重要。
早期、无损、实时监测作物生理胁迫指标对于精确触发灌溉和淋洗至关重要，因为可见的盐胁迫症状存在潜伏期。茎秆液流速率通过热消散、热脉冲或热平衡法测量，能直接、迅速地反映盐胁迫下的蒸腾负荷和胁迫水平。茎/叶水势（Ψ），特别是黎明前叶水势（Ψpd），灵敏地反映植物水分状况。盐分降低土壤水势，迫使植物维持较低的Ψ。原位传感器（如ZIM探头）可实现连续、无损监测，并对水盐复合胁迫做出明显响应。冠层温度（Tc）使用红外传感器或热成像仪测量，在盐分（和水分）胁迫下由于气孔导度降低和蒸腾冷却作用减弱而显著升高。冠层温度与气温的差值（ΔT）或作物水分胁迫指数（CWSI）可量化胁迫程度。
总之，所有原位传感器在盐渍环境中都面临一些挑战，包括校准复杂性、环境干扰（如温度和质地变化）、长期稳定性问题（如电极腐蚀和盐晶堵塞）、高维护成本以及盐分分布空间变异带来的代表性问题。在关键区域，通过空间层的卫星遥感、空中层的无人机监测和地面层各种传感器的实时数据采集等多层次监测方法，可以全面了解农田状况。然而，该技术方案也面临高成本和系统复杂性的限制。
遥感与航空监测技术
遥感技术，包括无人机（UAV）和卫星平台，提供大范围、周期性或准实时的空间信息，有效弥补了原位点测量的局限性，特别擅长捕捉盐分显著的空间异质性和作物胁迫的空间分布模式。无人机平台灵活且分辨率高。高光谱或多光谱成像仪获取厘米级到米级分辨率的精细光谱信息，用于构建胁迫敏感指数：与叶绿素相关的指数（如NDVI、GNDVI下降指示叶绿素降解）；水分胁迫指数（如NDWI、CWSI升高反映渗透胁迫加剧）；可能与作物磷营养或土壤磷有效性指标相关的指数；以及盐分特异性指数，用于检测离子毒性引起的叶片变化，辅助胁迫原因诊断和等级评估。热红外成像仪生成高分辨率Tc图，可视化水盐胁迫“热点”。有研究采用专用无人机载电磁（EM）系统进行高效的大范围盐分调查，快速绘制田间ECa分布图。利用激光雷达（LiDAR）获取高精度地形和冠层结构信息（如株高），有助于理解盐分分布、微地形与灌溉均匀性的关系。基于无人机多光谱图像，通过多元逐步回归和岭回归构建叶片磷含量（LPC）反演模型，并结合随机森林和支持向量机等机器学习算法，实现了葡萄转色期和成熟期磷营养的准确预测和精准灌溉。
卫星遥感提供区域尺度的监测能力。多光谱或高光谱卫星，如Sentinel-2、Landsat 8/9、WorldView和Hyperion，虽然空间分辨率（米级到十米级）和重访周期（数天到数周）低于无人机，但其广覆盖和低成本的特点适合区域盐渍化监测、盐斑制图和长期趋势分析。与无人机遥感类似，这些卫星也能计算各种光谱胁迫指数。探索利用光谱方法空间制图盐碱地土壤磷状况或作物缺磷指标具有巨大潜力。然而，由于盐分、水分、土壤有机质、质地和固有矿物学之间复杂的相互作用影响着光谱响应和磷化学，建立稳健的预测模型仍然具有挑战性。其核心优势在于强大的空间覆盖能力、非侵入性和高效率，使遥感成为盐分和胁迫空间制图的主要工具。需要注意的是，光学遥感主要探测地表信息（通常0-20厘米），但可作为管理更深层活跃根区（0-60厘米）的关键代用指标。在盐碱土中，强烈的水力连续性和蒸发驱动的盐分垂直迁移，使得地表光谱特征与深层剖面水盐分布存在显著相关性。因此，地表数据可通过耦合模型有效反演根区状况。然而，该方法的应用也面临诸多挑战，包括大气干扰、时效性限制、光谱指数易受混杂因素影响以及需要严格的地面验证。精确高精度反演深层土壤盐分仍然困难。遥感与原位数据的深度融合对于提高精度至关重要。
植物生理与可穿戴传感
除了宏观生理响应，先进技术还瞄准盐胁迫核心机制的原位监测：离子毒性及相关的细胞水平生理生化变化，提供更特异的诊断见解，并能与严重缺磷等其他缺素症区分开来。
叶绿素荧光（ChlF）监测是一项相对成熟的技术，通过测量PSII最大光化学效率（Fv/Fm）等参数评估光合机构功能。盐胁迫损害光合器官，导致Fv/Fm快速下降，可作为早期、灵敏的胁迫指示器。有研究利用ChlF成像数据和深度学习，通过特征融合，实现了大豆幼苗盐胁迫等级的高精度分类。利用ChlF数据和偏最小二乘回归建模，建立了叶片磷浓度与JIP-test参数间的强相关性，用于评估棉花关键生育期的磷状况，展示了磷监测和优化管理的潜力。
更具创新性的是可穿戴或可植入生物传感器，利用柔性生物相容材料制作电化学或光学传感贴片或探针，附着于或轻轻插入植物组织，实现原位、连续、实时监测。核心监测目标包括关键毒性离子浓度、细胞pH、渗透调节物质和氧化胁迫标记物。未来的进展可能扩展到监测由根系分泌物和溶磷微生物活动调节的根际pH动态。其意义在于提供离子毒性的直接证据，能够精确区分渗透胁迫和离子毒性，从而准确评估胁迫程度和机制。
监测集成策略
基于对各种监测技术的性能评估，理想的监测系统建议采用分层异构架构。在根区尺度，以高频原位传感器为核心，实现水盐动态的实时捕捉。在田间尺度，利用无人机多光谱遥感进行周期性盐斑制图。在区域尺度，纳入卫星遥感进行大范围盐渍化监测。关于关键的磷监测，考虑到当前实时传感技术尚不成熟，应采用将被动采样技术与植被光谱特征相结合的间接评估方法。尽管这种集成策略可以兼顾时空分辨率和成本效益，但仍受限于传感器长期高盐环境下的稳定性、多源数据融合的不确定性以及直接磷监测的技术瓶颈等问题。未来，随着微纳传感器与地球化学模型的融合，有望在保持监测精度的同时显著降低系统成本。
闭环控制系统
闭环控制系统代表了“感知-决策-执行”框架的实施阶段，直接依赖于已建立的传感技术。与开环控制系统的单向信息流不同，闭环系统将多维监测网络作为其反馈机制。具体而言，实时数据——包括原位传感器获取的土壤参数和遥感衍生的作物胁迫指数——作为控制器的输入状态变量。将这些数据与预设阈值进行比较以产生误差信号。系统随后动态调整灌溉时间、频率和水量，以最小化这些误差，建立稳健的闭环循环。这种基于实时反馈的调节使闭环系统能够有效管理盐碱地土壤环境固有的非线性和多变量特性。
基本原理与反馈机制
闭环系统利用实时监测数据进行灌溉决策。对于盐碱地，反馈信号包括体积含水量、基质势和电导率。系统通过控制器分析当前状态与预定目标值之间的差异，并据此生成优化的灌溉指令。总体目标是精确匹配作物的水盐需求，提高淋盐效率，同时最小化深层渗漏和盐分积累的风险。
智能决策算法
为了应对灌溉系统，特别是盐碱地环境灌溉系统的复杂性和不确定性，以人工智能为核心的智能决策算法在闭环控制中扮演着日益重要的角色。模糊逻辑控制基于“如果-那么”规则系统，模拟人类专家的推理和决策过程，擅长处理不精确和模糊信息，无需精确数学模型。在灌溉中，模糊逻辑控制可考虑土壤水分、电导率、气温和湿度等多种输入，生成优化的灌溉决策。例如，开发基于模糊逻辑控制的模型估算ET0以计算净灌溉需水量，从而实现精准灌溉控制。使用模糊逻辑控制根据气候和土壤水分条件动态调整水泵速度，优化水电消耗。在盐碱地背景下，模糊逻辑控制可纳入关于水盐阈值的模糊规则以及水-盐-磷相互作用的知识。其性能取决于规则库的完整性和专家知识的质量。
人工神经网络支持非线性映射和模式识别，用于建立环境因子与作物响应之间的关系。利用历史和实时数据，人工神经网络可以预测灌溉需求或诊断作物水盐胁迫。为了增强网络参数优化，研究人员开发了结合遗传算法和反向传播的模型。有研究在玉米田提出混合长短期记忆方法，减少了灌溉误差。采用卷积神经网络-长短期记忆框架进行土壤盐分反演建模，在0-10厘米深度取得了最佳性能。通过田间实验对盐碱地春玉米灌溉的SWAP模型进行率定和验证，根据不同灌水量和盐度对玉米生长的影响确定了最优灌溉方案。评估了利用人工神经网络结合地统计学方法评估土壤大量营养素的空间分布，证明了其在精准农业中养分估算的优越性。利用多项式回归和人工神经网络建模有效预测了土壤磷动态，为精准灌溉下的水肥管理和土壤磷动态提供了关键见解。在盐渍环境中，人工神经网络的变体可以预测根区盐分和磷动态，并优化不同灌溉策略下的淋洗需水量。然而，其性能依赖于高质量、有代表性的训练数据。此外，当前大多数研究仍处于模拟阶段，需要加强嵌入式系统的部署，并严格验证其在大规模盐碱地环境中的鲁棒性。
集成多种人工智能技术的混合系统在盐碱地多目标优化方面表现出优越性能。结合模糊逻辑控制的可解释性和人工神经网络的学习能力，并通过遗传算法/粒子群优化进行优化，增强了决策的鲁棒性。有研究结合航空遥感土壤图像和七种不同的机器学习算法评估局部土壤水分状况，随后使用模糊控制器进行灌溉调度，准确确定了灌溉的水平、位置和时间，实现了节水效果。提出结合卷积神经网络图像处理和模糊控制器的系统，从土壤图像中提取特征进行水分预测，显著提高了农田灌溉的空间适应性。将亏缺灌溉水生产模型与多目标优化算法相结合，优化猕猴桃灌溉策略，在保证产量和品质的同时提高了水分生产率。对于盐碱地，混合系统利用模糊-人工神经网络或优化算法，结合传感器数据、遥感和天气预报，实现水-盐-磷的协同调控，并通过动态灌溉-淋洗措施提高磷的生物有效性。
高级控制策略
随着精准农业对决策前瞻性和系统适应性要求的不断提高，一些超越传统实时反馈机制的更高级控制策略在灌溉领域展现出巨大前景，这在改善盐碱地土壤的长期水盐管理和养分优化方面尤为明显。
模型预测控制
模型预测控制采用动态过程模型进行前馈-反馈优化。每个控制周期包括：土壤水盐运移的有限时域预测；在满足根区水-盐-磷目标约束下最小化用水量的约束优化；以及最优灌溉序列的实施。模型预测控制的优越性在于其处理多变量系统、非线性、约束和长时滞系统的能力。
在实际应用中，使用HYDRUS-2D模型预测，在生长季将控制排水深度设置为50厘米对于中度盐碱地向日葵种植是最优的，同时能最小化次生盐渍化风险。将Aquacrop模型与模型预测控制集成，优化雨养系统中的藜麦灌溉，显著提高了水分利用效率并减少了灌溉需求。应用改进的SWAT-Salt模型分析内蒙古河套灌区水盐运移规律及其时空分布，对水盐负荷变化的准确模拟为盐渍化管理提供了关键见解。模型预测控制在管理盐碱地方面显示出特殊潜力。通过纳入土壤水盐动力学模型，模型预测控制可以主动优化灌溉和淋洗方案，从而在满足作物需水的同时有效控制根区盐分积累，避免无效或有害的灌溉实践。
关键的是，要实现水-盐-磷协同管理，需要增强模型预测控制模型，加入描述磷吸附-解吸、沉淀-溶解、矿化-固定及其与水盐动力学和生物灌溉因子相互作用的子模型。模拟水盐运移对于预测磷溶解度、根系扩散和淋失损失仍然至关重要。开发经过验证的耦合模型对于模型预测控制在盐碱地中的应用进展至关重要。然而，模型预测控制面临的挑战包括计算复杂性、空间异质性下预测模型的准确性，以及在盐碱条件下关于水分效率和磷优化的田间验证有限。
自适应决策支持系统
自适应决策支持系统体现了一个更高层次的智能灌溉管理框架，它综合了实时传感器网络、历史数据库、作物生理生态模型、知识库、数据挖掘/机器学习技术和优化算法。自适应决策支持系统的典型特征在于其“自适应”机制，该机制使系统能够利用持续积累的实时和历史数据，自动调整内部模型参数、决策规则或优化目标，从而提高决策的准确性和适用性，改善灌溉管理效果。
典型的盐碱地灌溉自适应决策支持系统采用多层次结构，包括数据层、模型层、知识层、决策优化层和用户界面。这种架构设计能够生成动态灌溉处方图、预警系统和情景模拟，为灌溉管理决策提供科学依据和支持。
迄今为止，自适应决策支持系统已应用于众多研究中。例如，探索了变量速率灌溉系统如何解决空间变异性和不确定性问题。开发的自适应决策支持系统平台在优化多种作物灌溉方面取得了应用成果。引入了智能优化算法以增强模型的决策能力，构建了结合决策树与蚁群优化、并纳入过程驱动作物模型的集成框架，在优化灌溉施肥方案中实现了减少资源投入和增加产出的双重目标。
自适应决策支持系统通过提供基于实时田间数据和作物响应的定制化灌溉和淋洗建议，以优化水-盐-磷平衡，在管理盐碱地方面前景广阔。然而，其实施面临系统复杂性高、成本高昂以及依赖持续高质量监测数据的挑战。需要进一步研究以增强自适应决策支持系统的有效性和长期可行性。
执行终端技术
盐碱地管理的核心挑战在于实现水盐调控与土壤改良的协同，特别是提升磷的有效性。虽然传统灌溉末端设备能够实现精确输水以进行淋盐，但在高盐环境中面临严重的化学堵塞和生物淤积问题，限制了其在盐碱地上的效能。水溶性微生物/藻类复合生物肥料提供了一种新颖的解决方案。这些生物肥料不仅能改善土壤结构，还含有能够活化固定磷的溶磷细菌。微藻作为潜在的有机磷源或分泌活化磷的物质，能够缓慢释放养分。这一特性使其成为化学肥料的理想替代品。将此类肥料与灌溉系统整合，建立了“以水调盐、以肥改土”的闭环机制。通过使灌溉参数与藻菌肥的理化性质相匹配，可以提高效率，而微藻/细菌衍生的活性物质能提高设备的可靠性和长期稳定性。这种综合方法可持续维持水盐平衡和土壤结构改良，实现盐碱地的可持续修复。
水-肥-生物协同灌溉系统
藻肥的缓释特性必须与灌溉制度动态匹配，这体现在养分供应、抑盐和系统维护等多个方面。在养分供应协同方面，固氮蓝藻通过白天光合作用固氮，而溶磷细菌活化固定磷；这两种养分通过灌溉迁移至根区，减少合成肥料投入，提高磷利用效率。同时，微藻胞外聚合物形成的三维网络结构可增强土壤团聚体稳定性，进而提高土壤持水量，延长灌溉间隔，降低磷淋失风险。
在抑盐方面，藻类代谢产物可激活作物抗氧化酶，降低盐胁迫下的蒸腾作用，减少灌溉需水量。溶磷细菌和藻类代谢产物增强作物耐盐性，间接改善磷吸收。此外，胞外聚合物吸附Na+形成离子屏障，抑制盐分向根区迁移，缓解盐分对磷有效性和吸收的抑制。高频少量的滴灌模式维持胞外聚合物活性层湿度，持续发挥其改良土壤和保护/活化磷的功能。
在系统维护方面，藻类生物膜能有效抑制管道内生物淤泥，其分泌的抗菌物质可降低病原体附着风险。 colonizing pipelines/drippers maintain a beneficial microbial environment; their organic acid secretions partially mitigate chemical clogging. 嗜盐蛋白酶分解盐晶体，降低堵塞风险。微藻还能吸附重金属，缓解再生水灌溉场景中的风险。
末端执行设备的生物适应性改造
滴灌由于其局部供水特性，是输送藻肥的理想方式；然而，藻类胞外聚合物在高盐环境中可能堵塞流道。抗堵塞流道设计通过增强高速流动动力学提高了兼容性；优化的离心泵转速可防止对藻丝或细菌细胞的机械损伤，保持生物活性。喷灌系统需要协调地表淋盐与藻类存活之间的矛盾：动态压力控制系统通过压力脉动减少沉积物附着，调整喷嘴倾角以减少水滴冲击力，避免破坏藻类细胞结构。关键的是，陶瓷地下滴灌将藻类/溶磷细菌肥料直接输送到根区，减少蒸发，并为溶磷细菌活动和磷有效性创造低盐微环境。
系统可靠性提升
盐渍环境对设备的耐腐蚀性提出更高要求。316L不锈钢阀门和纳米涂层PE管可抵抗高盐腐蚀，延长使用寿命。当使用水溶性微生物/藻类生物肥料时，需要仔细评估其粘性胞外聚合物或活性生物成分长期的生物相容性和潜在堵塞风险。虽然这些成分有益于土壤结构和磷有效性，但它们会增加滴头/管道内的生物膜形成或物理污垢。设计具有增强抗生物污染能力的末端执行设备，对于实现生物肥料集成后的长期可靠运行至关重要。
在盐分协同方面，需要建立动态淋洗-生物固盐平衡：滴灌系统通过LR模型计算淋洗水量，并结合藻结皮抑制返盐蒸发，使根区ECe波动范围缩小，稳定根区环境，为磷有效性提供一致基础。喷灌系统则利用微喷均匀性促进地表淋盐，同时接种耐盐微藻/溶磷细菌以修复地表土壤结构。当根区ECe超过阈值时，模型预测控制系统触发高藻肥微喷进行靶向盐斑去除，同时在淋洗过程中引入溶磷细菌/藻类生物活性物质局部活化磷。而在作物盐敏感生育期，系统切换至淡水-藻肥交替模式，避免高盐水分加剧离子
