基于辐射累积量的精准灌溉技术

一、辐射量灌溉的核心定义与理论基础

辐射量灌溉，全称 “基于太阳辐射累积量的动态精准灌溉技术”，是指以太阳辐射累积量（或光合有效辐射累积量，PAR）为核心决策依据，结合作物生育期、土壤质地、环境温湿度等因子，通过定量拟合辐射量与作物需水（蒸腾、光合）的关联模型，动态调控灌溉时机与灌水量的现代农业灌溉方式。其核心逻辑在于：太阳辐射是驱动作物光合作用与蒸腾作用的首要能量来源，辐射累积量直接反映作物光合速率、蒸腾耗水量的动态变化，据此调控灌溉可实现 “按需供水”，避免传统经验灌溉的水肥浪费或水分胁迫问题。

从生理机制看，相关研究表明，光合有效辐射（PAR）与沙柳净光合速率（Pn）呈极显著正相关（相关系数 0.705~0.907），胞间 CO₂浓度（Ci）则随辐射增强而降低，证明辐射量直接决定作物光合效率，进而影响需水量 —— 当辐射不足时，作物光合能力下降，需水减少；辐射过强时，蒸腾加剧，需水增加。另一项针对核桃灌溉平衡的研究进一步验证，太阳辐射通过调控温度、湿度间接影响作物蒸腾作用，其构建的核桃蒸腾模型（Vz=1375.824-8.213T+0.322R-6.945Rs）中，辐射量（R）是核心参数之一，拟合决定系数达 0.78，说明辐射量与蒸腾耗水的定量关联可作为灌溉决策的科学依据。

从技术定位看，辐射量灌溉区别于传统 “定时定量” 灌溉，属于 “环境响应型” 精准灌溉，其理论基础融合了作物生理学（光合 – 辐射关系）、农业气象学（辐射 – 蒸散关系）与土壤物理学（辐射 – 水分运移关系），针对黄瓜、番茄、核桃建立的辐射 – 灌水量关联模型，均体现了这一跨学科特性。

二、辐射量灌溉的操作流程与关键技术

辐射量灌溉的操作需围绕 “辐射监测 – 参数设定 – 灌水量计算 – 设施配套” 四大环节展开，不同作物、土壤、生育期的参数差异需动态调整，具体流程如下：

（一）辐射监测：设备选型与环境适配

传感器选择：优先采用光合有效辐射（PAR）传感器，如草莓试验用 PQS1 传感器（每 10s 采集一次，存储 5min 平均值）、番茄试验用 RS-GH-N01-AL-485 传感器（每 2min 记录一次），此类传感器成本仅为土壤水分传感器的 1/3~1/2，且布设灵活（可悬挂于作物冠层上方 20cm 处），无需埋土，维护简便。相较于 “温室娃娃” 等传统设备，PAR 传感器稳定性更高，数据更直接反映作物实际辐射接收量。
辐射校正与环境调控：需结合温室覆盖材料与幕布系统调整辐射监测值。不同覆盖材料的辐射透过率差异显著：单层聚乙烯薄膜透光率 91%、双层聚碳酸酯板 80%~85%、玻璃 89%，若采用外遮阳幕（遮阳率 30%~80%），需将监测到的辐射量折算为作物实际接收量（如遮阳率 50% 时，实际辐射量 = 监测值 ×0.5）。此外，“全开敞屋面温室” 可通过屋面开启度调节自然辐射，需同步调整灌溉触发阈值（如屋面全开时辐射量高，灌溉阈值可降低 10%~15%）。

（二）参数设定：基于作物、土壤与生育期的动态适配

辐射累积量梯度设计：针对不同作物的需水特性，需设定差异化的辐射累积量阈值（即灌溉起始点）：

草莓：坐果前可耐受 6.0MJ/m² 的辐射累积量，坐果后临界阈值降至 4.5MJ/m²，若超过 5.0MJ/m² 则果实品质会下降；
黄瓜：秋冬茬栽培时，可设置 15、20、25MJ/m² 三个辐射累积量梯度，该梯度在壤土、黏壤土、砂壤土中均适用，仅需根据土壤质地调整灌水量即可；
番茄：需结合参考作物蒸散量（ET0），将辐射累积量与 ET0 进行拟合（拟合公式为 ET0=aPAR+b），例如 2023 年 5 月 5 日的拟合方程为 ET0=0.3462PAR+0.3413（R²=0.9813），此时灌水量按 ET0 的 115% 设定为最优；
核桃：在不同生育期对辐射驱动的蒸腾量需求不同，通过正交实验确定，硬核期需水量最高（5.812mm/d），该时期需将辐射累积量维持在每日 15~20MJ/m²；
基质蓝莓：蓝莓喜弱光环境，光饱和点较低（约 800~1000μmol/(m²・s)），营养生长期辐射累积量阈值可设定为 3.5~4.0MJ/m²，超过 4.5MJ/m² 易导致叶片灼伤；进入结果期后，为满足果实发育对光合产物的需求，阈值可提高至 4.0~4.5MJ/m²，且需结合基质类型调整灌水量 —— 草炭基质田间持水量较高（60%~70%），辐射累积量 4.0MJ/m² 时单次灌水量为 2.0~2.2mm；椰糠基质持水性中等（45%~55%），一样辐射累积量下单次灌水量需控制在 1.8~2.0mm，避免基质过湿引发根系病害，同时需配合 EC 值监测（维持 1.2~1.8mS/cm），辐射较高时增加清水冲洗频次，防止 EC 值异常影响根系吸收。

土壤质地适配：一样辐射累积量下，土壤质地决定单次灌水量。在辐射累积量为 25MJ/m² 时，壤土的单次灌水量为 3.22mm，黏壤土为 3.56mm，砂壤土为 2.77mm；当辐射累积量为 20MJ/m² 时，壤土单次灌水量为 2.59mm，黏壤土为 2.85mm，砂壤土为 2.22mm。这是由于黏壤土田间持水量高（33.4%），需要更多水量才能满足根系吸收需求；而砂壤土透水性强，为避免水分渗漏，需减少单次灌水量。

（三）灌水量计算：模型拟合与实际调控

基础公式：辐射累积量对应的灌水量计算公式为 I=QFC・BD・s・h・(90%-70%)×1000，其中 QFC 为田间持水量（%），BD 为土壤容重（g/cm³），s 为计划湿润面积（m²），h 为计划湿润深度（m，一般 0.24m）。若辐射累积量为 15、20MJ/m²，灌水量分别按 25MJ/m² 对应值的 0.6、0.8 倍折算。
动态修正：番茄试验通过拟合辐射累积量（PAR）与实际灌水量（I）建立决策模型：I=0.0038PAR²-0.0045PAR+6.4252（R²=80.24%），可根据实时 PAR 值直接计算灌水量，避免人工干预。核桃试验则通过正交实验修正模型，如开花期灌水量需比模型计算值高 10%，因开花期对水分敏感，辐射驱动的蒸腾量易被低估；基质蓝莓同样需动态修正灌水量，结果期若遭遇连续阴天（辐射累积量低于 3.5MJ/m²），需将灌水量降低 15%~20%，防止基质积水。

（四）设施配套：灌溉系统与环境调控协同

灌溉方式适配：

潮汐灌：适用于草莓、基质蓝莓等盆栽作物，当辐射累积量达阈值时，向栽培床注入 5~10cm 深灌溉水，滞留 6~10min 后排出，节水 50% 以上，且避免叶面湿润引发病害（草莓试验中潮汐灌病害发生率降低 30%）；
滴灌：番茄、核桃等行栽作物采用压力补偿式滴灌，辐射阈值触发后，滴头流量按计算值调节（如黄瓜砂壤土 25MJ/m² 对应滴头流量 1.6L/h）；
臂式喷灌机：育苗温室中，辐射量与喷灌机行走速度联动（辐射高则速度慢，增加喷洒时间），如穴盘苗灌溉时，25MJ/m² 对应行走速度 18m/min，15MJ/m² 对应 30m/min。

幕布与加热协同：冬季需结合保温幕减少辐射损失，此时辐射累积量阈值可提高 10%~15%（如黄瓜 25MJ/m² 可调整为 28MJ/m²）；夏季采用外遮阳幕（遮阳率 60%），阈值降低 20%（如番茄 115% ET0 调整为 92% ET0），同时配合地面加热系统（核桃试验应用），避免辐射不足导致的根系温度过低，影响水分吸收；基质蓝莓栽培中，冬季可通过内保温幕提升温室温度，辅助维持辐射累积量阈值，夏季外遮阳幕遮阳率可控制在 40%~50%，平衡辐射接收与降温需求。

三、辐射量灌溉的标准体系

辐射量灌溉的标准需从 “作物类型 – 生育阶段 – 土壤质地 – 设备参数” 四个维度构建，具体参考标准如下：

（一）作物类型与辐射累积量阈值标准

不同作物的辐射累积量灌溉阈值、最优灌水量对应参数及品质 / 产量最优指标存在差异：

草莓：坐果前辐射累积量阈值需≤6.0MJ/m²，坐果后为 4.5MJ/m²，坐果后 4.5MJ/m² 对应的单次灌水量为 80mL / 株，此时果实可溶性糖含量达 12.5%、糖酸比为 11.69；
黄瓜：秋冬茬栽培的辐射累积量阈值为 15~25MJ/m²，其中 25MJ/m²（壤土条件下灌水量 3.22mm）与 20MJ/m²（侧重品质提升）为关键节点，对应果实维生素 C 含量 82.3mg/100g、硝酸盐含量 255.1μg/g；
番茄：需结合 ET0 确定阈值，115% ET0 为最优，需满足辐射累积量与 ET0 的拟合决定系数 R²≥0.95，此时单果重 240g、水分利用效率 36.48%；
核桃：开花期辐射累积量阈值 12~15MJ/m²，硬核期为 15~20MJ/m²，硬核期灌水量 5.812mm/d，对应产量 6772.6kg/hm²、出核率 68.4%；
沙柳：自然辐射下的辐射累积量阈值需≥1200μmol/(m²・s)（即光饱和点），灌溉量达田间持水量 70%（N1 处理）时，净光合速率为 16.537μmol/(m²・s)；
基质蓝莓：营养生长期辐射累积量阈值 3.5~4.0MJ/m²，结果期 4.0~4.5MJ/m²，草炭基质 4.0MJ/m² 对应灌水量 2.0~2.2mm，椰糠基质对应 1.8~2.0mm，果实可溶性糖含量≥15%、硬度≥3.5kg/cm² 为品质最优指标。

（二）生育阶段适配标准

草莓：

坐果前：辐射累积量≤6.0MJ/m²，轻度水分胁迫（5.0~6.0MJ/m²）可促进后期复水恢复；
坐果后：严格控制≤4.5MJ/m²，超过 5.0MJ/m² 则可溶性糖下降 20%，可滴定酸升高 15%。

核桃：

开花期：辐射累积量 12~15MJ/m²，灌水量 3.9mm/d，缺水会导致落花率升高 12%；
膨胀期：13~17MJ/m²，灌水量 4.1mm/d，水分不足则果实横径减少 8%；
硬核期：15~20MJ/m²，灌水量 5.812mm/d，此期缺水对产量影响最大（减产 30%）。

番茄：

开花坐果期：100%~115% ET0（对应辐射累积量 18~22MJ/m²），促进坐果；
成熟期：115% ET0（22~25MJ/m²），提高果实糖分积累。

基质蓝莓：

营养生长期：辐射累积量 3.5~4.0MJ/m²，灌水量 1.8~2.0mm（椰糠基质）、2.0~2.2mm（草炭基质），促进新梢萌发；
结果期：4.0~4.5MJ/m²，灌水量比营养生长期增加 10%~15%，确保果实膨大需求，缺水会导致果实偏小、糖度下降。

（三）土壤质地与灌水量匹配标准

不同土壤质地在不同辐射累积量下的灌水量及灌溉水分利用效率如下：

当辐射累积量为 15MJ/m² 时，壤土灌水量 1.95mm、黏壤土 2.14mm、砂壤土 1.67mm；
辐射累积量 20MJ/m² 时，壤土 2.59mm、黏壤土 2.85mm、砂壤土 2.22mm；
辐射累积量 25MJ/m² 时，壤土 3.22mm、黏壤土 3.56mm、砂壤土 2.77mm。

灌溉水分利用效率方面，黏壤土最高（24.3kg/m³），其次是壤土（23.9kg/m³），砂壤土最低（22.1kg/m³）。需注意，砂壤土需缩短灌溉间隔，例如辐射累积量 25MJ/m² 时灌溉间隔为 2~3 天，而壤土为 3~4 天，以此避免水分因透水性强而快速渗漏。

（四）设备技术标准

传感器精度：PAR 传感器测量范围 0~2500μmol/(m²・s)，精度 ±5%，数据采集频率≤10min / 次，确保捕捉辐射动态变化；基质蓝莓栽培中，PAR 传感器需额外做好防尘防护，避免基质粉尘覆盖影响数据准确性。
控制器响应速度：辐射累积量达阈值后，电磁阀开启延迟≤30s（黄瓜试验验证），避免辐射持续升高导致需水滞后；针对蓝莓结果期对水分的敏感需求，控制器响应延迟可进一步缩短至≤20s。
覆盖材料透光率：温室覆盖材料需满足透光率≥80%，且抗紫外线老化（聚乙烯薄膜使用寿命≥3 年，聚碳酸酯板≥10 年），确保辐射监测值稳定；基质蓝莓温室提议采用玻璃或高透光聚碳酸酯板，透光率维持在 85%~90%，满足其弱光环境下的光合需求。

四、辐射量灌溉的优势分析

辐射量灌溉的优势聚焦在 “精准高效、提质增产、节水节肥、环境适配” 四大维度，具体如下：

（一）精准匹配需水，减少物质投入浪费

农业发展需重点关注物质投入合理性，辐射量灌溉通过辐射 – 需水关联模型，实现 “按需供水”：

节水：草莓试验中节水 33%，黄瓜试验节水 30% 以上，番茄试验节水 25%~30%，基质蓝莓试验节水 28%~32%，有效避免传统灌溉中过量渗漏的问题（传统灌溉渗漏量占灌水量 50%）；
节肥：因灌水量精准，肥料淋溶量减少 40%，如黄瓜试验中硝酸盐淋溶量降低 35%，番茄试验中肥料利用率从 50% 提升至 75%，基质蓝莓试验中氮素利用率从 45% 提升至 68%；
减少设备冗余：PAR 传感器成本仅为多参数环境传感器的 1/4，且无需频繁校准，物质投入效率显著提升。

（二）提升作物品质与产量，增强市场竞争力

品质优化：

草莓：4.5MJ/m² 处理下可溶性糖含量达 12.5%，比 5.5MJ/m² 处理高 22%，糖酸比 11.69（提升 31%）；
黄瓜：20MJ/m² 处理可溶性糖 3.5%、维生素 C82.3mg/100g，分别比 25MJ/m² 处理高 18%、15%，硝酸盐含量降低 20%；
番茄：115% ET0（对应辐射累积量 22MJ/m²）处理可溶性固形物 10.5%，比 70% ET0 处理高 35%，糖酸比 11.2（提升 28%）；
基质蓝莓：4.0~4.5MJ/m² 处理下可溶性糖含量≥15%，比 3.0~3.5MJ/m² 处理高 25%，果实硬度提升 18%，货架期延长 2~3 天。

产量提升：

核桃：优化辐射 – 灌溉参数后，产量从 4867kg/hm² 提升至 7102.6kg/hm²（增幅 46%），出核率从 62.7% 提升至 68.4%；
沙柳：N1 处理（充足灌溉 + 辐射适配）最大净光合速率 21.36μmol/(m²・s)，比 CK（雨养）高 112%，生物量增加 50% 以上；
基质蓝莓：结果期 4.0~4.5MJ/m² 处理下，单株产量达 1.2~1.5kg，比辐射不足处理（3.0~3.5MJ/m²）增产 30%~35%。

（三）适配多样环境，降低管理复杂度

土壤适配性：通过调整灌水量，辐射量灌溉在壤土、黏壤土、砂壤土中均适用，无需更换核心设备，仅需修改参数；
气候适配性：高辐射地区（如西北）采用外遮阳幕降低辐射阈值，低辐射地区（如西南）采用高透光覆盖材料（玻璃）提高辐射接收，均能维持灌溉效果；基质蓝莓在南方高湿地区，可通过增加通风配合辐射调控，避免病害发生；
作物适配性：从灌木（沙柳）、草本（草莓、黄瓜、番茄）、乔木（核桃）到基质栽培浆果（蓝莓）均适用，仅需根据生育期调整辐射阈值，通用性强。

（四）简化操作流程，降低人工依赖

自动化程度高：辐射量灌溉可与温室环境控制系统联动（如 PAR 传感器→控制器→电磁阀→灌溉执行），实现 “无人值守”，人工成本降低 60%（草莓试验中，1 人可管理 0.4hm² 温室，传统灌溉需 3 人）；基质蓝莓温室可进一步联动 EC/PH 监测设备，实现灌溉与水肥调控的全自动协同；
参数易调整：通过拟合模型（如番茄的 PAR-ET0 模型），可快速更新不同作物、季节的参数，无需复杂计算；
故障易排查：PAR 传感器直接监测辐射，若灌溉效果不佳，可优先排查传感器是否故障（如传感器异常时，PAR 数据波动＜5%，易识别），降低维护难度。

五、辐射量灌溉的局限性与应对提议

尽管辐射量灌溉优势显著，但实践中也暴露出 “初期投入高、技术依赖性强、极端环境敏感” 等问题，需针对性应对：

（一）初期设备投入较高，中小农户难以承受

问题：辐射量灌溉需配套 PAR 传感器（约 500 元 / 个）、数据采集器（约 2000 元 / 套）、智能控制器（约 5000 元 / 套），0.1hm² 温室初期投入约 1.5 万元，是传统灌溉的 3~5 倍；若包含基质蓝莓所需的 EC/PH 监测设备，投入会进一步增加约 3000~5000 元。

应对提议：

政策补贴：参考农业发展中 “重点关注物质投入” 的导向，提议地方政府对辐射量灌溉设备给予 30%~50% 补贴，针对基质蓝莓等经济作物可适当提高补贴比例至 50%~60%，降低农户负担；
共享设备：组建 “灌溉服务合作社”，1 个合作社配备 1 套核心设备（传感器 + 控制器 + EC/PH 监测仪），为周边农户提供辐射监测、灌溉指导及水肥调控服务，分摊成本；
分步投入：先安装 PAR 传感器与简易控制器（约 8000 元 / 0.1hm²），实现半自动化，后期逐步升级为全自动化（如添加 EC/PH 联动控制模块）。

（二）技术依赖性强，需专业人员调试

问题：辐射量灌溉需构建 PAR 与 ET0、灌水量的拟合模型（如番茄的 ET0=0.3462PAR+0.3413），模型参数需根据当地气候、土壤调整，农户缺乏相关技术能力，易导致参数设置错误（如砂壤土按壤土参数设置，导致渗漏率升高 40%）；基质蓝莓的 EC 值与辐射量协同调控更复杂，参数设置不当会直接影响果实品质。

应对提议：

技术培训：由农业技术推广部门开展培训，重点讲解 “辐射阈值选择、灌水量计算、模型修正、EC/PH 协同调控”，结合草莓、黄瓜、基质蓝莓的实际案例教学；
本地化模型库：省级农业科研单位建立区域专属模型库（如华北地区番茄模型、华东地区基质蓝莓模型、西北核桃模型），农户直接调用，无需自行拟合；
上门调试：设备供应商提供 “安装 + 调试 + 售后” 一体化服务，首次使用时现场校准参数（如根据土壤检测结果调整灌水量、根据基质类型设定蓝莓 EC 阈值），确保效果。

（三）极端天气敏感，辐射监测易失真

问题：

暴雨、暴雪天气：暴雨会导致 PAR 传感器被遮挡，数据偏低（误差达 20%），暴雪会压坏传感器，导致灌溉中断；
沙尘天气：西北地区沙尘会覆盖传感器探头，辐射监测值降低 30%~50%，导致灌水量不足（沙柳试验中，沙尘天 CK 处理 Pn 下降 40%）；
连续阴天：南方梅雨季节连续阴天会导致辐射累积量不足，基质蓝莓易出现水分过剩、根系缺氧问题。

应对提议：

硬件防护：为传感器加装防雨罩、防尘罩，暴雪地区采用抗雪传感器（承重≥50kg/m²），基质蓝莓温室传感器可安装在温室中部无遮挡区域，减少环境干扰；
数据修正：在控制器中预设极端天气修正算法（如暴雨天 PAR 数据 ×1.2，沙尘天 ×1.5，连续阴天基质蓝莓灌水量 ×0.8），减少误差；
冗余监测：配套温度、湿度传感器，当辐射数据异常时，以温度、湿度估算需水（如温度＞35℃时，灌水量增加 10%；连续阴天湿度＞85% 时，基质蓝莓灌水量减少 20%），避免灌溉中断或过量。

（四）作物特异性强，参数通用难度大

问题：不同作物的辐射 – 需水关系差异显著，如草莓坐果后辐射阈值 4.5MJ/m²，黄瓜则为 20MJ/m²，若混淆参数，会导致灌溉过量或不足；同一作物不同品种也有差异（如番茄 “圣尼斯 313” 与 “中蔬 4 号” 的 ET0 系数差 15%）；基质蓝莓不同品种（如 “南高丛” 与 “北高丛”）的光饱和点差异达 150~200μmol/(m²・s)，参数通用难度更大。

应对提议：

品种专属参数表：由种子 / 种苗供应商提供配套的辐射量灌溉参数（如购买 “红颜” 草莓苗时附赠坐果前后辐射阈值，购买 “奥尼尔” 蓝莓苗时提供专属辐射 – 灌水量参数）；
小范围试错：首次应用时，选择 0.01hm² 地块试点，对比不同辐射阈值的效果（如核桃正交实验），确定最优参数后再推广；基质蓝莓可先在 1~2 个栽培槽试点，监测果实品质后调整参数；
动态更新：每年根据作物生长情况（如产量、品质）微调参数（如番茄连续 2 年减产，需将 ET0 系数从 115% 调整为 120%；基质蓝莓果实糖度下降时，需适当提高辐射累积量阈值）。

六、总结与展望

辐射量灌溉作为基于 “辐射 – 需水” 关联的精准灌溉技术，通过 PAR 传感器监测、动态参数设定、设施协同调控，实现了节水、提质、增产的统一，其核心优势在于以辐射量为 “桥梁”，精准连接作物生理需求与灌溉执行，避免传统灌溉的盲目性。从实践来看，辐射量灌溉已在沙柳、草莓、黄瓜、番茄、核桃、基质蓝莓等作物中验证了效果，形成了较完善的操作流程与标准体系。

未来发展需聚焦三大方向：

技术集成：将辐射量灌溉与水肥一体化、EC/PH 实时监测结合，根据辐射驱动的需水，同步调整施肥量与水肥比例（如辐射高时，番茄氮磷钾比例从 1:1:1 调整为 1:0.8:1.2，基质蓝莓氮磷钾比例从 1:0.5:1.5 调整为 1:0.6:1.8），进一步提升投入效率；
智能化升级：利用物联网技术实现多站点辐射数据共享，构建区域级辐射 – 灌溉大数据平台，整合气候、土壤、作物品种数据，为农户提供实时参数推荐与异常预警（如极端天气提前提醒调整灌溉策略）；
成本降低：研发低成本 PAR 传感器（如基于光伏板的简易传感器，成本＜100 元 / 个）与一体化监测设备（整合 PAR、EC、PH 功能），让中小农户也能负担，推动辐射量灌溉从设施农业向露地农业延伸（如核桃露地栽培、露地蓝莓栽培中应用）。

总之，辐射量灌溉是现代农业 “精准化、智能化” 发展的重大方向，虽存在局限性，但通过技术优化、政策支持与品种适配，有望成为未来园艺作物、经济林作物、浆果类作物灌溉的主流方式，为农业水资源高效利用与可持续发展提供支撑。