基于物联网的果园水分智慧化管理对柑橘叶片光合特性及果实品质的影响

周 炎 路 丹 * 黄太庆 罗江维 黄智刚

（1广西大学农学院，广西南宁 530004；

2植物科学国家级实验教学示范中心（广西大学），广西南宁 530004；3广西壮族自治区农业科学院农业资源与环境研究所，广西南宁 530007）

广西地处热带亚热带季风气候区，降雨丰富，气候适宜，有利于柑橘生长。柑橘作为广西主要水果之一，在桂林、富川、融安、武鸣等地均有种植。近10年来，广西柑橘产业发展规模不断壮大，武鸣沃柑、融安滑皮金橘、富川脐橙等品牌已享誉全国。柑橘喜大水大肥，水分的科学管理对柑橘的产量、品质以及果园经济效益有直接影响。灌溉常采用传统的漫灌、沟灌或者依据经验灌溉，导致灌溉滞后或过量，不仅导致水资源浪费，增加柑橘种植成本，还会影响柑橘的产量和品质。有研究表明，水分可以显著影响柑橘叶片的光合速率、蒸腾速率、气孔导度及胞间CO2浓度，但适度的水分亏缺不会对柑橘叶片的光合指标产生影响，同时还可以节约15%的灌溉用水[1-2]。轻度亏水可以使柑橘产量提高5.0%，水分利用率提高5.5%[3]。

随着大数据、“互联网+”的迅速发展，农业物联网智能化控制系统逐渐得到应用。池磊[4]以ZigBee无线传感网为组网技术，设计了智能农业大棚管理系统，可以实现农业生产过程数据采集和远程控制。曾文果[5]基于可编程控制器（PLC）和人机界面（HMI）开发了水肥一体化的自动灌溉系统。海 涛等[6]开发了基于LPWAN物联网果园精准灌溉，通过采集果园环境信息，实现实时监测与精准灌溉。潘鹤立等[7]基于ZigBee短距离无线传输技术以及3G/4G路由器技术设计了一套分布式果园远程环境监控系统，实现了远距离数据传输，覆盖范围广。赵立安等[8]通过物联网技术采集火龙果园的环境信息（土壤温度、水分、空气温湿度、光照强度），然后将采集到的数据用决策树方法进行分类，模型拟合正确率达99%以上。杨伟志等[9]采用人工智能技术，将节点传感器监测的数据通过无线网络上传到服务器，由专家做出决策。谌昔林等[10]开展了猕猴桃、南丰蜜柑和早熟梨的水分灌溉试验，结果表明，现代节水灌溉不仅可以提高作物品质和产量，还可以改善作物土壤环境；自动控制节水灌溉设备投资4～6年可收回成本，净效益14 790～23 895元/hm2。基于物联网的水肥一体化设计、应用以及节水灌溉已有较多的研究，但是基于物联网的水分管理对柑橘光合特性和果实品质的影响鲜见报道。因此，本文研究了2种水分管理模式（传统管理模式和物联网管理模式）对柑橘光合特性和果实品质的影响，以期为物联网的水分智慧化管理在广西柑橘上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年1月至2021年1月在南宁市武鸣区里建基地进行，该试验地气候属于典型亚热带季风气候，光照、温度适宜，雨量充沛，适宜柑橘生长。土壤pH值为5.84，含有机质1.6%、全氮0.071%、全磷0.015 2%、全钾1.26%、水解性氮 56.78 mg/kg、有效磷24.32 mg/kg、速效钾92.50 mg/kg。

1.2 试验材料

供试柑橘品种为沃柑，种植株行距为3.0m×2.5m，即密度为1 275株/hm2。果园土壤每年中耕1次，主要施肥3次，分为萌芽肥、谢花保果肥和攻梢壮果肥。施用的肥料为有机肥、复合肥、尿素、氯化钾、钙镁磷肥、七水硫酸锌和水溶性硼酸。

1.3 试验设计

试验共设置2个处理，分别为：传统水分管理模式（CK），即采用人工灌溉方式进行果园水分灌溉（由果园管理人员根据经验每次用橡皮管引水进行灌溉，每次灌溉湿润深度为20～30 cm）；物联网水分智慧化管理，即采用自动控制微喷灌溉（在试验区布置土壤水分传感器，以水分传感器自动采集20～30 cm土层含水量数据为基础，当土壤水分含量低于或者高于一定值时，由控制器自动向物联网云平台发起电磁阀开关开启或者关闭指令）。每个处理选取3行柑橘树，每行10株，每个处理的果树修枝、施肥量以及病虫害防治依据柑橘的生产管理规程进行。

1.4 样品采集及项目测定

1.4.1 叶片光合指标测定。在柑橘生长的主要时期即抽梢开花期、幼果期、果实膨大期、成熟期采用便携式光合测定仪（仪器型号Li-6400，美国Li-COR公司生产）测定叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间 CO2浓度（Ci）。 在柑橘生长的上述时期各选择光照充足的天气，于10：00—11：00进行测定，每个处理选择东、南、西、北4个方向成熟叶片12片进行测量。叶片瞬时水分利用效率（WUEi）由叶片净光合速率（Pn）与蒸腾速率（Tr）计算得到。

1.4.2 果实样品指标的测定。在柑橘果实成熟期，在东、南、西、北4个方向分别采集成熟期一致的果实，每个处理采集15个果实作为一个混合样品，用袋子装好后带回实验室，马上处理分析，以防果实成分发生变化。具体做法：先称取单果重，然后将柑橘果实和果肉分离，分开称重，计算可食率。果肉用组织捣碎机捣碎，用于测定果实品质。可滴定酸含量用NaOH滴定法测定，以柠檬酸作为计算参照；VC含量采用2，6-二氯靛酚滴定法测定；总糖含量采用沸水提取-蒽酮比色法测定；可溶性固形物含量用糖度计直接测定；糖酸比为总糖与总酸的比值。

1.5 数据处理及分析

本试验采用Excel 2019进行数据处理、DPS 7.5软件进行统计分析、Duncan′s新复极差法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同水分管理模式对柑橘叶片光合特性的影响

2.1.1 不同水分管理模式对柑橘叶片净光合速率的影响。光合作用是植物产量和品质形成的基础，植株中90%～95%的干物质积累都来源于叶片的光合产物[11-12]。由表1可见，物联网水分智慧化管理模式虽然降低了各时期柑橘叶片的净光合速率，但是与CK差异不显著。各时期柑橘叶片净光合速率大小为幼果期＞抽梢开花期＞果实膨大期＞成熟期。

表1 不同处理柑橘叶片净光合速率 单位：（μmol·m-2·s-1）

2.1.2 不同水分管理模式对柑橘叶片蒸腾速率的影响。蒸腾速率是植物叶片在一定时间内单位叶面积蒸腾的水量，是水分代谢的重要生理指标。植物的蒸腾速率越大，其干物质积累越少[13]。由表2可见，柑橘叶片蒸腾速率在抽梢开花期最大，成熟期最小。物联网水分智慧化管理模式的柑橘叶片蒸腾速率均低于CK，表明物联网水分智慧化管理有利于柑橘叶片干物质积累。

表2 不同处理柑橘叶片蒸腾速率 单位：（mmol·m-2·s-1）

2.1.3 不同水分管理模式对柑橘叶片气孔导度的影响。气孔导度即气孔张开的程度，其影响叶片的光合作用和蒸腾作用。由表3可见，不同水分管理模式对各时期柑橘叶片气孔导度无显著影响，各时期柑橘叶片气孔导度大小为幼果期＞抽梢开花期＞果实膨大期＞成熟期。叶片气孔导度变化趋势与叶片净光合速率基本一致，幼果期气孔导度最大，成熟期最小。

表3 不同处理柑橘叶片气孔导度 单位：（mmol·m-2·s-1）

2.1.4 不同水分管理模式对柑橘叶片胞间CO2浓度的影响。胞间CO2浓度即细胞间的二氧化碳浓度。由表4可见，幼果期物联网水分智慧化管理模式下叶片胞间CO2浓度与CK有显著差异。除幼果期外，2种水分管理模式下各时期柑橘叶片的胞间CO2浓度无明显差异。

表4 不同处理柑橘叶片胞间 CO2浓度 单位：（μmol·m-2·s-1）

2.1.5 不同水分管理模式对柑橘叶片水分利用效率的影响。叶片净光合速率与蒸腾速率的比值即为叶片瞬时水分利用效率，叶片水分利用效率越高，其同化能力越强，积累的干物质越多[14]。由表5可见，物联网水分智慧化管理模式下，各时期叶片瞬时水分利用率大小为幼果期＞果实膨大期＞成熟期＞抽梢开花期。除抽梢开花期外，其他时期物联网水分智慧化管理模式下叶片瞬时水分利用率显著高于CK，说明物联网智慧化管理有利于柑橘幼果期、果实膨大期和成熟期叶片干物质积累。

表5 不同处理柑橘叶片瞬时水分利用效率 单位：（μmol·mmol-1）

2.2 不同水分管理模式对柑橘品质的影响

由表6可见，物联网水分智慧化管理模式显著提高了柑橘果实的总糖含量、糖酸比和VC含量，降低了果实的总酸含量。物联网水分智慧化管理模式下总糖含量、糖酸比和VC含量分别比CK提高了3.80%、10.71%和10.02%，说明物联网水分智慧化管理有助于提高柑橘果实的内在品质。

表6 不同处理柑橘果实品质

3 讨论与结论

柑橘属于亚热带、热带常绿果树，对水肥的需求量大。传统灌溉（漫灌、沟灌等）模式下大部分水肥不能直接被果树吸收利用，水肥利用率低。大约有40%的水肥会随着径流流失，造成环境污染[15]。因此，要根据果树需水需肥规律进行合理灌溉。然而，适度的水分亏缺也有利于提高果树的产量和品质。有研究表明：当灌溉量为传统灌溉的60%时，酿酒葡萄的品质最佳[16]；当灌水量为传统灌溉的75%时，甜瓜的产量和水分利用效率均最高[17]；适宜的滴灌水肥处理可以提高柑橘叶片光合速率和叶片瞬时水分利用效率[18]。因此，合理灌溉对果树生产尤为重要。同时，水资源高效利用对果园节水灌溉也提出了更高的要求。

大数据和物联网技术可以对果园土壤水分及气象数据进行自动采集、分析以及信息无线传输，进而实现对果园精准、实时的远程控制[19]，同时再结合专家知识做出决策，精准灌溉。基于物联网构建的柑橘种植园，前期投入成本虽高，但其在节水、增产、增效方面效果显著，3～5年即可回本，经济效益高[20]。本研究表明：物联网水分智慧化管理模式下柑橘叶片净光合速率与对照处理无显著影响，但是降低了柑橘叶片的蒸腾速率，进而提高了叶片的瞬时水分利用率；物联网水分智慧化管理提高了果实单果重、可溶性固形物含量、糖酸比和VC含量，降低了果实的总酸含量。综上所述，该管理模式是较好的果园水分管理方式。