基于物聯(lián)網(wǎng)的果園水分智慧化管理對柑橘葉片光合特性及果實品質的影響

周 炎 路 丹 * 黃太慶 羅江維 黃智剛

（1廣西大學農(nóng)學院，廣西南寧 530004；

2植物科學國家級實驗教學示范中心（廣西大學），廣西南寧 530004；3廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西南寧 530007）

廣西地處熱帶亞熱帶季風氣候區(qū)，降雨豐富，氣候適宜，有利于柑橘生長。柑橘作為廣西主要水果之一，在桂林、富川、融安、武鳴等地均有種植。近10年來，廣西柑橘產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷壯大，武鳴沃柑、融安滑皮金橘、富川臍橙等品牌已享譽全國。柑橘喜大水大肥，水分的科學管理對柑橘的產(chǎn)量、品質以及果園經(jīng)濟效益有直接影響。灌溉常采用傳統(tǒng)的漫灌、溝灌或者依據(jù)經(jīng)驗灌溉，導致灌溉滯后或過量，不僅導致水資源浪費，增加柑橘種植成本，還會影響柑橘的產(chǎn)量和品質。有研究表明，水分可以顯著影響柑橘葉片的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及胞間CO2濃度，但適度的水分虧缺不會對柑橘葉片的光合指標產(chǎn)生影響，同時還可以節(jié)約15%的灌溉用水[1-2]。輕度虧水可以使柑橘產(chǎn)量提高5.0%，水分利用率提高5.5%[3]。

隨著大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能化控制系統(tǒng)逐漸得到應用。池磊[4]以ZigBee無線傳感網(wǎng)為組網(wǎng)技術，設計了智能農(nóng)業(yè)大棚管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集和遠程控制。曾文果[5]基于可編程控制器（PLC）和人機界面（HMI）開發(fā)了水肥一體化的自動灌溉系統(tǒng)。海 濤等[6]開發(fā)了基于LPWAN物聯(lián)網(wǎng)果園精準灌溉，通過采集果園環(huán)境信息，實現(xiàn)實時監(jiān)測與精準灌溉。潘鶴立等[7]基于ZigBee短距離無線傳輸技術以及3G/4G路由器技術設計了一套分布式果園遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠距離數(shù)據(jù)傳輸，覆蓋范圍廣。趙立安等[8]通過物聯(lián)網(wǎng)技術采集火龍果園的環(huán)境信息（土壤溫度、水分、空氣溫濕度、光照強度），然后將采集到的數(shù)據(jù)用決策樹方法進行分類，模型擬合正確率達99%以上。楊偉志等[9]采用人工智能技術，將節(jié)點傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡上傳到服務器，由專家做出決策。諶昔林等[10]開展了獼猴桃、南豐蜜柑和早熟梨的水分灌溉試驗，結果表明，現(xiàn)代節(jié)水灌溉不僅可以提高作物品質和產(chǎn)量，還可以改善作物土壤環(huán)境；自動控制節(jié)水灌溉設備投資4～6年可收回成本，凈效益14 790～23 895元/hm2。基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化設計、應用以及節(jié)水灌溉已有較多的研究，但是基于物聯(lián)網(wǎng)的水分管理對柑橘光合特性和果實品質的影響鮮見報道。因此，本文研究了2種水分管理模式（傳統(tǒng)管理模式和物聯(lián)網(wǎng)管理模式）對柑橘光合特性和果實品質的影響，以期為物聯(lián)網(wǎng)的水分智慧化管理在廣西柑橘上的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年1月至2021年1月在南寧市武鳴區(qū)里建基地進行，該試驗地氣候屬于典型亞熱帶季風氣候，光照、溫度適宜，雨量充沛，適宜柑橘生長。土壤pH值為5.84，含有機質1.6%、全氮0.071%、全磷0.015 2%、全鉀1.26%、水解性氮 56.78 mg/kg、有效磷24.32 mg/kg、速效鉀92.50 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試柑橘品種為沃柑，種植株行距為3.0m×2.5m，即密度為1 275株/hm2。果園土壤每年中耕1次，主要施肥3次，分為萌芽肥、謝花保果肥和攻梢壯果肥。施用的肥料為有機肥、復合肥、尿素、氯化鉀、鈣鎂磷肥、七水硫酸鋅和水溶性硼酸。

1.3 試驗設計

試驗共設置2個處理，分別為：傳統(tǒng)水分管理模式（CK），即采用人工灌溉方式進行果園水分灌溉（由果園管理人員根據(jù)經(jīng)驗每次用橡皮管引水進行灌溉，每次灌溉濕潤深度為20～30 cm）；物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理，即采用自動控制微噴灌溉（在試驗區(qū)布置土壤水分傳感器，以水分傳感器自動采集20～30 cm土層含水量數(shù)據(jù)為基礎，當土壤水分含量低于或者高于一定值時，由控制器自動向物聯(lián)網(wǎng)云平臺發(fā)起電磁閥開關開啟或者關閉指令）。每個處理選取3行柑橘樹，每行10株，每個處理的果樹修枝、施肥量以及病蟲害防治依據(jù)柑橘的生產(chǎn)管理規(guī)程進行。

1.4 樣品采集及項目測定

1.4.1 葉片光合指標測定。在柑橘生長的主要時期即抽梢開花期、幼果期、果實膨大期、成熟期采用便攜式光合測定儀（儀器型號Li-6400，美國Li-COR公司生產(chǎn)）測定葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間 CO2濃度（Ci）。 在柑橘生長的上述時期各選擇光照充足的天氣，于10：00—11：00進行測定，每個處理選擇東、南、西、北4個方向成熟葉片12片進行測量。葉片瞬時水分利用效率（WUEi）由葉片凈光合速率（Pn）與蒸騰速率（Tr）計算得到。

1.4.2 果實樣品指標的測定。在柑橘果實成熟期，在東、南、西、北4個方向分別采集成熟期一致的果實，每個處理采集15個果實作為一個混合樣品，用袋子裝好后帶回實驗室，馬上處理分析，以防果實成分發(fā)生變化。具體做法：先稱取單果重，然后將柑橘果實和果肉分離，分開稱重，計算可食率。果肉用組織搗碎機搗碎，用于測定果實品質。可滴定酸含量用NaOH滴定法測定，以檸檬酸作為計算參照；VC含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定；總糖含量采用沸水提取-蒽酮比色法測定；可溶性固形物含量用糖度計直接測定；糖酸比為總糖與總酸的比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

本試驗采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)處理、DPS 7.5軟件進行統(tǒng)計分析、Duncan′s新復極差法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同水分管理模式對柑橘葉片光合特性的影響

2.1.1 不同水分管理模式對柑橘葉片凈光合速率的影響。光合作用是植物產(chǎn)量和品質形成的基礎，植株中90%～95%的干物質積累都來源于葉片的光合產(chǎn)物[11-12]。由表1可見，物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理模式雖然降低了各時期柑橘葉片的凈光合速率，但是與CK差異不顯著。各時期柑橘葉片凈光合速率大小為幼果期＞抽梢開花期＞果實膨大期＞成熟期。

表1 不同處理柑橘葉片凈光合速率 單位：（μmol·m-2·s-1）

2.1.2 不同水分管理模式對柑橘葉片蒸騰速率的影響。蒸騰速率是植物葉片在一定時間內單位葉面積蒸騰的水量，是水分代謝的重要生理指標。植物的蒸騰速率越大，其干物質積累越少[13]。由表2可見，柑橘葉片蒸騰速率在抽梢開花期最大，成熟期最小。物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理模式的柑橘葉片蒸騰速率均低于CK，表明物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理有利于柑橘葉片干物質積累。

表2 不同處理柑橘葉片蒸騰速率 單位：（mmol·m-2·s-1）

2.1.3 不同水分管理模式對柑橘葉片氣孔導度的影響。氣孔導度即氣孔張開的程度，其影響葉片的光合作用和蒸騰作用。由表3可見，不同水分管理模式對各時期柑橘葉片氣孔導度無顯著影響，各時期柑橘葉片氣孔導度大小為幼果期＞抽梢開花期＞果實膨大期＞成熟期。葉片氣孔導度變化趨勢與葉片凈光合速率基本一致，幼果期氣孔導度最大，成熟期最小。

表3 不同處理柑橘葉片氣孔導度 單位：（mmol·m-2·s-1）

2.1.4 不同水分管理模式對柑橘葉片胞間CO2濃度的影響。胞間CO2濃度即細胞間的二氧化碳濃度。由表4可見，幼果期物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理模式下葉片胞間CO2濃度與CK有顯著差異。除幼果期外，2種水分管理模式下各時期柑橘葉片的胞間CO2濃度無明顯差異。

表4 不同處理柑橘葉片胞間 CO2濃度 單位：（μmol·m-2·s-1）

2.1.5 不同水分管理模式對柑橘葉片水分利用效率的影響。葉片凈光合速率與蒸騰速率的比值即為葉片瞬時水分利用效率，葉片水分利用效率越高，其同化能力越強，積累的干物質越多[14]。由表5可見，物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理模式下，各時期葉片瞬時水分利用率大小為幼果期＞果實膨大期＞成熟期＞抽梢開花期。除抽梢開花期外，其他時期物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理模式下葉片瞬時水分利用率顯著高于CK，說明物聯(lián)網(wǎng)智慧化管理有利于柑橘幼果期、果實膨大期和成熟期葉片干物質積累。

表5 不同處理柑橘葉片瞬時水分利用效率 單位：（μmol·mmol-1）

2.2 不同水分管理模式對柑橘品質的影響

由表6可見，物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理模式顯著提高了柑橘果實的總糖含量、糖酸比和VC含量，降低了果實的總酸含量。物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理模式下總糖含量、糖酸比和VC含量分別比CK提高了3.80%、10.71%和10.02%，說明物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理有助于提高柑橘果實的內在品質。

表6 不同處理柑橘果實品質

3 討論與結論

柑橘屬于亞熱帶、熱帶常綠果樹，對水肥的需求量大。傳統(tǒng)灌溉（漫灌、溝灌等）模式下大部分水肥不能直接被果樹吸收利用，水肥利用率低。大約有40%的水肥會隨著徑流流失，造成環(huán)境污染[15]。因此，要根據(jù)果樹需水需肥規(guī)律進行合理灌溉。然而，適度的水分虧缺也有利于提高果樹的產(chǎn)量和品質。有研究表明：當灌溉量為傳統(tǒng)灌溉的60%時，釀酒葡萄的品質最佳[16]；當灌水量為傳統(tǒng)灌溉的75%時，甜瓜的產(chǎn)量和水分利用效率均最高[17]；適宜的滴灌水肥處理可以提高柑橘葉片光合速率和葉片瞬時水分利用效率[18]。因此，合理灌溉對果樹生產(chǎn)尤為重要。同時，水資源高效利用對果園節(jié)水灌溉也提出了更高的要求。

大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術可以對果園土壤水分及氣象數(shù)據(jù)進行自動采集、分析以及信息無線傳輸，進而實現(xiàn)對果園精準、實時的遠程控制[19]，同時再結合專家知識做出決策，精準灌溉。基于物聯(lián)網(wǎng)構建的柑橘種植園，前期投入成本雖高，但其在節(jié)水、增產(chǎn)、增效方面效果顯著，3～5年即可回本，經(jīng)濟效益高[20]。本研究表明：物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理模式下柑橘葉片凈光合速率與對照處理無顯著影響，但是降低了柑橘葉片的蒸騰速率，進而提高了葉片的瞬時水分利用率；物聯(lián)網(wǎng)水分智慧化管理提高了果實單果重、可溶性固形物含量、糖酸比和VC含量，降低了果實的總酸含量。綜上所述，該管理模式是較好的果園水分管理方式。