一种优化棉花有限灌溉计划的新方法：基于HYDRUS技术的灌溉模拟与植物水分亏缺指数阈值分析

《Industrial Crops and Products》：A novel method to optimize the limited irrigation schedule for cotton: HYDRUS-triggered irrigation simulation and plant water deficit index threshold analysis

本研究以新疆北疆棉花为对象，通过田间试验和HYDRUS模型模拟，提出了一种结合土壤水分加权计算和光合指标响应的水分胁迫指数（PWDI）优化灌溉方法。确定开花期和结铃期的PWDI阈值分别为0.48和0.52，并优化了灌溉下限，使水分胁迫天数最少，同时保证产量。

　　
新疆北部棉花精准灌溉的优化方法研究及水分胁迫阈值确定

1. 研究背景与问题提出
在新疆北部的干旱半干旱地区，棉花种植面临严峻的水资源约束。2001-2020年间当地灌溉配额已减少40.86%，而耕地面积和灌溉面积分别增长83.54%和41.27%，导致单位面积水资源压力持续加剧。传统灌溉方法存在两个突出问题：一是土壤水分监测滞后，难以实时反映作物水分需求；二是缺乏对不同生长阶段作物水分敏感性的量化分析。这直接导致灌溉效率低下，部分区域因过度灌溉引发土壤盐渍化问题。

2. 研究方法与技术路线
本研究创新性地构建了"水分胁迫指数-土壤水分动态模型"的耦合分析框架，具体包含三个技术模块：
（1）植物水分胁迫指数（PWDI）的田间标定体系：通过热比率法原位测定棉株蒸腾速率，结合土壤水分剖面加权计算法，建立包含5个关键参数的PWDI模型。研究特别优化了土壤基质势修正函数γ(h)，通过非线性拟合确定参数ρ=0.12，使模型与实测PWDI的相关系数达到0.68。

（2）HYDRUS-2D节水灌溉模型：在传统Richards方程基础上，整合了棉花根系分布特征（0-80cm土层根长密度分布）和薄膜覆盖条件下的水热传输特性。模型参数通过S60B70a和S70B60a两个基准试验的对比标定，验证结果显示在20-80cm土层深度上的模拟误差控制在8.3%-12.5%之间。

（3）多阶段水分响应分析：针对棉花关键生育期（开花期和开花坐果期），设计25种灌溉配额组合实验。采用双因素方差分析法，比较不同灌溉下限（50%-70%田间持水量）对棉花光合参数的影响，结合稳态回归分析确定最佳阈值。

3. 关键技术创新与突破
（1）动态水分胁迫阈值体系：通过建立光合参数（净光合速率A、气孔导度gs、蒸腾速率Tr）与PWDI的非线性响应模型，首次明确：
- 开花期：PWDI>0.48时，A下降速率达3.2%/0.1单位增量
- 开花坐果期：PWDI>0.52时，Tr下降斜率骤增58%
该阈值体系较传统固定阈值方法减少胁迫天数约25%，在420-480mm总灌溉量下实现水分利用效率提升18.7%。

（2）多尺度耦合建模技术：将传统土壤水动力学模型（HYDRUS）与作物生理响应模型进行集成：
- 水分传输模块：考虑滴灌带间距（25cm）、膜面覆盖度（90%）及土壤质地（沙壤土为主）的影响
- 作物响应模块：建立气孔关闭（gs<0.3mol/m2/s）与细胞质水势（Ψcs<-1.5MPa）的耦合响应方程
- 系统优化模块：通过蒙特卡洛模拟，确定灌溉触发深度（开花期40cm，开花坐果期60cm）与最低灌溉下限的黄金分割比例（65%-70%FC）

4. 核心研究发现
（1）水分胁迫的时空异质性：在总灌溉量480mm条件下，土壤20-40cm土层水分波动幅度达±0.18m3/m3，而60-80cm土层波动仅±0.05m3/m3。这种差异导致传统均匀灌溉策略在关键期的水分响应滞后达3-5天。

（2）最佳灌溉配额组合：经过多目标优化（约束条件包括总水量≤480mm、胁迫天数≤30天、产量损失率≤5%）得到：
- 总水量420mm：S70B50方案（开花期70%FC，坐果期50%FC）实现胁迫天数最低（18天）
- 总水量450mm：S65B55方案（开花期65%FC，坐果期55%FC）达到最优平衡
- 总水量480mm：S70B55方案（开花期70%FC，坐果期55%FC）保持最大产量弹性

（3）膜下滴灌的节水特性：采用宽窄行配置（66cm/10cm）和单滴头流量2.4L/h的滴灌系统，在维持棉花产量稳定的前提下，较传统漫灌减少用水量42.3%，土壤盐分累积速率降低37.6%。

5. 应用价值与推广前景
（1）精准灌溉决策支持：构建的PWDI阈值动态模型可将灌溉决策误差从传统方法的±15%降至±8%，特别适用于膜下滴灌系统。在模拟的25种灌溉方案中，S70B55方案同时满足：
- 总水量≤480mm
- 胁迫天数≤25天
- 光合速率降幅≤8%
- 土壤盐分年累积量≤3.2g/kg

（2）技术转化路径：开发基于物联网的智能灌溉控制系统，集成以下模块：
- 土壤水分剖面监测（20/50/80cm三层传感器）
- 光合参数实时诊断（便携式叶绿素仪）
- HYDRUS模型云端模拟平台
- PWDI阈值动态调整算法（响应时间<24h）

（3）生态经济效益：在玛纳斯河流域试点应用显示：
- 水分利用效率提升至2.8kg/m3
- 土壤脱盐速率加快至0.12g/kg/年
- 综合成本降低18.5%
- 棉花品质等级提高1-2个等级

6. 研究局限与改进方向
（1）模型适应性局限：在土壤质地差异超过15%的试验区，模拟误差增加至12.8%-17.3%。建议引入地统计学方法进行参数空间变异分析。

（2）根系动态监测不足：现有模型中根系分布参数仅能通过试验标定，未来需开发根系三维构型重建技术，结合无人机多光谱成像实现动态参数更新。

（3）气候突变应对欠缺：在极端干旱（年降水<150mm）条件下，模型预测的胁迫天数误差达22.3%。需补充降水-蒸发耦合模块，建立多情景模拟框架。

（4）盐分-水分耦合效应待深化：现有研究未充分考虑土壤盐分对水分运移的影响，建议引入溶质运移方程，建立盐-水协同调控模型。

7. 结论与建议
本研究建立的水分胁迫阈值动态调控体系，为北方旱区棉花种植提供了科学依据：
（1）确定关键期最佳PWDI阈值：开花期≤0.48，开花坐果期≤0.52
（2）提出分级灌溉策略：按总水量需求分为三个档次（420/450/480mm）
（3）建立技术经济指标：单位产量成本≤1.2元/kg，水分生产率≥2.5kg/m3
（4）推广建议：优先在灌溉基础设施完善（滴灌覆盖率>80%）的棉田应用，配套建设土壤墒情监测站（建议密度≤3km2/站）

后续研究应着重于：
- 开发基于深度学习的PWDI实时估算系统
- 建立不同气候情景下的灌溉适应性模型
- 研制膜下滴灌-水肥一体化智能控制终端
- 开展跨流域节水协同机制研究

该成果已纳入新疆棉花产业技术推广体系，在昌吉农科所示范基地实现规模化应用，为西北旱区农业节水增效提供了可复制的技术范式。