基于物联网的番茄种植智能灌溉系统：两年田间试验验证节水增效路径

《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》：Sustainable Water Management in an Evolving Tomato Cultivation Testbed

　　本研究针对传统农业灌溉存在的水资源浪费严重（全球70%淡水用于农业）、效率低下等问题，在欧盟NextGenerationEU资助的AGRITECH项目框架下，通过部署物联网(IoT)设备和Agriware云平台，对意大利帕尔马地区的番茄种植进行了连续两年(2023-2024)的田间试验。研究结果表明，采用自动化灌溉系统的第二年比手动管理的第一年每平方米节水0.13立方米，水分利用效率(WUE)提升22.2%。该成果为精准农业提供了可靠的技术支撑，显著降低了水资源消耗与农民工作负荷。

　　

在全球水资源日益紧张的背景下，农业灌溉作为最大的淡水消耗领域（约占全球用水量的70%），其效率提升已成为可持续发展的重要课题。传统灌溉方式不仅造成大量水资源浪费，还制约着农作物产量和品质的提升。番茄(Solanum lycopersicum L.)作为地中海地区的重要经济作物，对水分胁迫极为敏感，不合理的灌溉管理会直接导致减产。面对这一挑战，智能农业(SA)技术应运而生，通过物联网(IoT)等先进技术实现农业生产的精准化管理。

在意大利帕尔马"斯图阿尔德实验农场"开展的这项创新研究，正是智能农业技术落地应用的典范。研究人员在欧盟NextGenerationEU基金支持的AGRITECH项目框架下，建立了独特的番茄种植实验床，通过连续两年(2023年称为C_Y1，2024年称为C_Y2)的对比试验，深入探索了物联网技术在水资源管理中的实际效果。

Y1和C_Y2作物实验行位置'>

研究团队采用了多项关键技术方法：首先部署了包含Milesight系列传感器(TTN Connector)的物联网监测网络，实时采集土壤湿度、温度等参数；其次开发了Agriware云平台(Information Level: Data Management System)，集成Irriframe灌溉建议平台(Irriframe Connector)的数据；最后在第二年引入自动化灌溉系统(Decision Support and Modeling Level: Water Management Automation)，通过Milesight UC512执行器实现精准控制。这些技术共同构成了完整的智能灌溉解决方案。

IV. 结果

A. 灌溉时长与水量

研究表明，自动化灌溉系统能够精确执行Irriframe平台的建议，平均时间误差仅3.6秒。与人工操作相比，系统在C_Y2中对I₁₀₀处理行的灌溉量误差仅为每米0.06立方米，显著提高了灌溉的准确性和可追溯性。

B. 节水效果

通过对比两年数据发现，自动化灌溉实现显著节水：C_Y2中I₁₀₀处理行每平方米用水0.35立方米，较C_Y1的0.48立方米节约0.13立方米。值得注意的是，即使第二年降雨量更多(178.8毫米对69.3毫米)，自动化系统仍表现出更好的水资源管理效率。蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation)预测，采用传感器驱动算法可实现15%-30%的节水潜力。

Y1中90米实验番茄行的比较'>

C. 水分利用效率(WUE)

研究通过水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)指标评估灌溉效果，该指标定义为产量与总耗水量(灌溉水+降雨)的比值。结果显示，C_Y2中I₆₀处理行的全局WUE达到28.5千克/立方米，较C_Y1最佳处理提高22.2%。特别是基于土壤湿度的A^(sh)处理行，其WUE与I₆₀相当，证明传感器驱动灌溉法在保证产量的同时实现高效用水。

Y2中67米实验番茄行的比较'>

V. 结论与未来工作

本研究表明，物联网驱动的智能灌溉系统能够实现精准的水资源管理，在番茄种植中显著提高水分利用效率并降低生产成本。两年田间试验证实，自动化系统比人工灌溉更精确可靠，且具有显著的经济效益（投资回收期约1.9年）。未来研究将集成茎秆密度计等新型传感器，进一步优化作物生长全过程监控，为可持续农业发展提供更完善的技术解决方案。

这项发表于《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》的研究，由Giulia Oddi、Laura Belli等学者共同完成，不仅验证了物联网技术在农业领域的实用价值，更为应对全球水资源挑战提供了可推广的示范案例。随着技术的不断完善，智能灌溉系统有望在全球范围内推动农业生产向更高效、更可持续的方向发展。