基于无线传感网络的不同施肥条件土壤温度水分实时动态及其对脐橙关键生态特性的影响

Soil temperature and moisture in rootzone is the key ecological factors affecting the navel orange growth process. Wireless sensor network (WSN) based on Internet of Things (IOT) technology provide accurate and effective ways for studying the relationship between temperature, moisture and the ecological characteristics of navel orange. WSN technology has application prospect in the research field of soil ecosystem, but the technology in domestic developed slowly lag behind and need further research and application.This research selected typical purple soil in the head part of the Three Gorges Reservoir (TGR), five fertilizer treatments and navel orange as the study objects, using WSN technology which inclued water, moisture, pH, EC sensors of soil profile and LAI, stemflow，fuit growth, spectrum sensor of orange plants to accurately real-time obtained soil temperature and moisture day, month and year dynamic and characteristic curve, and tracking analyze the key ecological characteristics of navel orange. Study the responses of navel orange growth process on soil profile temperature and moisture real-time change and its influence mechanism. Clarify the suitable soil temperature and moisture threshold value for navel orange growth in purple soil in the head part of the TGR.Discuss the effective mode of improve the utilization ratio of water and fertilizers. Verify accuracy and reliability of WSN technology in the research field of soil ecological system. Provides theoretical basis for the quality and efficient navel orange production in the TGR area and explorer scientific methods for the agricultural soil drought warning and precise regulation of fertilizer and water.

根区土壤温度水分是影响脐橙生长过程的关键生态因子，基于物联网的无线传感网络（WSN）技术为解析温度水分与脐橙生理生态过程的关系提供了精准高效手段。WSN技术在土壤生态学研究领域具有应用前景，但其在国内发展滞后急需深入拓展。本研究选择三峡库首地区典型紫色土，以五种施肥条件下脐橙植株为研究对象，通过布设根区土壤剖面水分、温度、pH值和EC电导率无线传感网络，获取不同施肥下土壤温度水分各时频的实时动态、特征曲线及土壤环境参照值；在田间布设植株LAI、茎流、果实膨大和冠层光谱NDVI传感器对植株关键生态特性实时跟踪和分析。研究脐橙关键生态特性对根区土壤温度水分实时动态的响应机制，阐明库区紫色土脐橙生长的适宜土壤温度水分阈值，验证WSN技术在土壤生态因子研究上的准确性和可靠性，探讨提高水肥利用率的高效施肥方式。为三峡库区脐橙优质高效生产提供理论基础，为农业土壤干旱预警和精准水肥调控提供科学依据。

基于物联网技术的无线传感网络（WSN）为解析根区土壤温度水分变化与脐橙关键生态过程的关系提供了精准高效手段。本项目选择三峡库首地区典型紫色土，以不同施肥条件下脐橙植株为研究对象，通过布设根区土壤剖面水分温度及脐橙植株生态特征等无线传感器网络，获取了不同条件下土壤温度水分各时段的实时动态曲线及土壤环境背景值，并对植株关键生态特性进行了实时跟踪分析。项目构建了一套基于物联网技术软硬件相结合的“土壤环境远程监测系统”，本系统由土壤环境传感器节点、有线无线网络、秭归野外监控站和南京监控数据中心，以及监控管理软件平台构成。基于自动监测获得的大量数据，本研究采用了支持向量机、时间序列分析和传统回归分析等方法进行数据挖掘，结果表明：（1）不同处理0-50cm土壤剖面温度和水分状况存在显著性差异但变化规律一致，温度变化存在季节性波动，水分变化受到各次降雨的影响；（2）日均土壤剖面含水量和日降雨量存在显著的线性相关，采用支持向量机得到的线性回归模型对测试数据的拟合程度优于传统回归模型。（3）时间序列的滞后性分析发现，降雨量与10-50cm土壤层次的含水量之间均没有明显滞后关系，只有当天的降雨量对于土壤含水量有决定性的作用；（4）土壤剖面含水量拟合的最优模型曲线为立方模型；（5）脐橙植株冠层的光合有效辐射受天气影响，并存在日际波动，脐橙叶温日际波动范围要大于气温，叶温与气温呈显著正相关；（6）随着时间的增长脐橙果径大小有线性增大趋势，三次模型拟合方程最能反映脐橙果径大小与时间的关系。该监测系统同时也为三峡生态环境科研监测平台服务，项目共布设了土壤、环境及植物传感器80余个，年存储数据达到80余万条。物联网技术在一定程度上克服传统原位采样分析带来的滞后和误差，提高了数据获取效率和准确性。项目实施验证了新技术在土壤生态因子监测研究方面的精度和可靠性。针对三峡库区特有的生态环境特点，该系统的构建将为库区优质脐橙生产提供科学依据，并为农业土壤干旱预警、水土流失及面源污染控制提供了高效手段。