黄土高原旱地冬小麦系统水-能-粮纽带关系优化研究

《Agricultural Water Management》：Optimizing the water-energy-food nexus in dryland winter wheat systems on the loess plateau

本研究针对旱地农业面临的粮食安全挑战，通过DSSAT-CERES-Wheat模型评估了秸秆覆盖与补充灌溉对冬小麦产量、水分利用效率、水足迹、碳足迹和能量生产力的综合影响。研究发现秸秆覆盖结合关键期一次灌溉可实现最高产81%的产量，同时显著降低水碳足迹并提升能量生产力，为干旱地区农业资源优化管理提供了科学依据。

　　

在全球人口激增和气候变化双重压力下，如何保障粮食安全同时实现资源可持续利用，已成为干旱地区农业发展的核心难题。黄土高原作为中国重要的小麦产区，其典型的干旱半干旱气候特征使得农业生产长期面临水资源短缺、土壤贫瘠和产量波动大的挑战。传统高投入的农业生产模式不仅加剧了水资源危机，还导致温室气体排放增加，如何通过优化管理措施实现水-能-粮协同增效成为当务之急。

在这项发表于《Agricultural Water Management》的研究中，张迪等研究人员创新性地将过程模型与生命周期评价相结合，系统评估了秸秆覆盖与补充灌溉对冬小麦系统的多维度影响。研究团队首先通过DSSAT-CERES-Wheat模型校准验证了模型在模拟小麦生长和水分平衡方面的可靠性，继而利用1961-2016年的长期气象数据模拟了不同管理情景下的系统响应。研究方法的核心在于整合了作物生长模型（DSSAT）、生命周期评价（LCA）和多准则决策分析（TOPSIS），构建了从田间观测到系统评估的完整研究框架。特别值得注意的是，研究采用了分区设计，将覆盖措施设为主区因素，灌溉时机和量为副区因素，共设置16个处理组合进行模拟分析。

3.1. 模型校准与验证

通过对比模拟值与观测值，研究发现DSSAT-CERES-Wheat模型能够准确模拟冬小麦物候期、生物量和产量。在无覆盖条件下，生物量和产量的归一化均方根误差（nRMSE）分别为9.85%和13.15%，一致性指数（d）达到0.98和0.94。尽管模型对蒸散量的模拟存在轻微低估，但整体评价指标表明模型适用于长期管理情景的评估。

3.2. 灌溉和秸秆覆盖管理对产量和水分消耗的影响

模拟结果显示，秸秆覆盖显著提高冬小麦产量，无灌溉覆盖处理（T0）比无覆盖处理增产38.2%。随着灌溉量增加，产量呈上升趋势，但覆盖条件下单次灌溉处理（T2、T3、T4）即可达到最高产81%的水平。水分消耗分析表明，覆盖处理通过减少土壤蒸发、增加植物蒸腾，优化了水分利用结构。

3.3. 灌溉和秸秆覆盖管理对水足迹的影响

秸秆覆盖显著降低冬小麦水足迹，其中单次灌溉处理（T4）的水足迹仅比无灌溉处理（T0）高8.10%。相比之下，无覆盖条件下多数灌溉处理的水足迹均高于无灌溉处理，表明覆盖措施对水资源利用效率的提升作用。

3.4. 灌溉和秸秆覆盖管理对碳足迹的影响

尽管秸秆覆盖增加了温室气体排放（主要来自秸秆氮素转化导致的间接N₂O排放），但由于产量显著提升，其碳足迹反而低于无覆盖处理。当灌溉量超过75mm时，灌溉用电成为最大的温室气体排放源。

3.5. 灌溉和秸秆覆盖管理对能量消耗的影响

能量消耗分析显示，秸秆覆盖对总能量消耗影响有限（16,793.7-19,447.3 MJ ha^-1），但由于产量提升，能量生产力显著高于无覆盖处理。T6处理（春季两次灌溉）的能量生产力最高，而增加灌溉次数并未带来相应效益提升。

3.6. 基于TOPSIS的决策与优化

通过多指标综合评价发现，覆盖条件下的T4处理（秸秆覆盖+春季一次灌溉）综合评价值最高（0.840267），其在保证较高产量的同时，实现了水-碳足迹和能量生产力的最优平衡。相比之下，高灌溉处理（T6、T7）虽然产量最高，但由于资源效率较低，综合排名反而靠后。

研究结论部分强调，秸秆覆盖结合关键生育期补充灌溉能够实现黄土高原旱地冬小麦生产的多目标优化。这种管理策略不仅提高了产量稳定性，还通过改善水分利用效率降低了环境足迹。讨论部分进一步指出，该研究的创新之处在于将WEFN框架具体应用于田间尺度管理优化，为干旱地区农业可持续发展提供了量化决策工具。然而，研究也承认模型在模拟覆盖层微气候效应等方面存在不确定性，建议未来研究关注小麦品质指标和对气候变化的响应。

这项研究的现实意义在于，它为解决旱地农业"高产-高效-低碳"的多目标协同难题提供了可行路径。通过6 t·ha^-1的秸秆覆盖率和关键期75mm的灌溉定额，农民可以在不增加过多成本的前提下实现增产增效，这对于水资源极度匮乏的西北旱作农业区具有重要的推广价值。该研究框架也为其他作物系统的可持续性评价提供了方法论借鉴。