根冠协同灌溉策略：缓解葡萄干旱热胁迫并协同提升产量、品质与水分生产效益

《Agricultural and Forest Meteorology》：Alleviating drought and heat stress: a root-canopy coordination irrigation strategy synergistically elevating grapevine yield, quality, and water productivity

本研究针对干旱半干旱地区葡萄生产面临的干旱与热胁迫加剧、传统滴灌虽节水但可能加重冠层高温、而微喷灌虽降温但水分利用效率较低的矛盾，创新性地提出了根冠协同灌溉(RCCI)策略。通过三年田间试验证实，RCCI在不增加灌溉水量的前提下，可显著降低冠层温度(3.9°C–10.7°C)和蒸汽压亏缺(VPD)(2.2 kPa–3.8 kPa)，提高相对湿度(22.8–42.4个百分点)，改善植株水分状况(清晨和正午茎水势(Ψs)提升14.3%–47.7%和14.7%–40.4%)及光合性能(叶片净光合速率(Pn)提升21.0%–27.2%)，最终实现葡萄产量提高21.6%–22.2%、灌溉水生产率(IWP)提升11.1%–15.9%及浆果花青素含量增加19.1%–138.1%的协同增效，为应对气候变化下高价值作物的可持续生产提供了创新解决方案。

　　

在全球气候变化日益加剧的背景下，干旱和高温胁迫已成为制约农业生产、导致作物减产和品质下降的主要因素。尤其是在干旱半干旱地区，如何在不增加甚至减少水资源消耗的前提下，有效缓解作物的干旱和热胁迫，同时提高产量、品质和水分利用效率，是实现农业可持续发展面临的严峻挑战。传统的节水灌溉技术，如滴灌，虽然能够提高水分利用效率，但可能改变田间的能量平衡，增加显热通量，削弱局地的冷却效应，甚至在区域尺度上加剧干旱和热胁迫。另一方面，冠层冷却技术如微喷灌，能有效降低冠层温度、缓解热胁迫，但其水分利用效率往往因冠层拦截、飘移损失和水滴蒸发等因素而受到限制。这就形成了一个两难困境：滴灌节水但可能加剧热胁迫，微喷灌降温但水分利用效率偏低。针对这一矛盾，一项发表在《Agricultural and Forest Meteorology》上的研究提出了一种创新的解决方案——根冠协同灌溉（Root-Canopy Coordination Irrigation, RCCI）策略。

为了验证RCCI策略的有效性，由Yudong Chen、Jinliang Chen、Jian Kang、Taisheng Du、Risheng Ding、Zhanwu Dai、Junhua Kong、Zhijie Li和Shaozhong Kang组成的研究团队，在位于中国西北干旱地区的甘肃省武威国家绿洲农业高效用水野外观测研究站（37°51′N, 102°53′E），对酿酒葡萄（Vitis vinifera L.）进行了为期三年（2022-2024年）的田间试验。该地区属于典型的大陆性温带气候，年降水量远低于潜在蒸发量，是研究干旱胁迫和灌溉策略的理想场所。研究设置了基于RCCI理念的不同灌溉处理，并与传统滴灌（CK）进行对比。RCCI策略的核心是在固定的灌溉水量预算内，优化水分在根区（通过滴灌）和冠层（通过微喷灌）之间的时空分配，旨在协同发挥滴灌的精准供水优势和微喷灌的冠层微气候调节功能。

主要关键技术方法

本研究的关键技术方法包括：1) 根冠协同灌溉（RCCI）系统设计：集成滴灌和微喷灌系统，根据葡萄物候期和生理需求优化两者灌水时机和水量分配。2) 冠层微气候连续监测：使用自动气象站持续监测冠层空气温度、相对湿度（RH）和蒸汽压亏缺（VPD）的动态变化。3) 植物生理指标测定：定期测量清晨和正午茎水势（Ψ_s）、叶片净光合速率（P_n）和气孔导度（G_s）以评估植株水分状况和光合性能。4) 产量与品质分析：在果实成熟期测定单果鲜重、干重，并采用生化方法分析花青素等品质指标。5) 灌溉水生产率（IWP）计算：基于产量和总灌溉水量评估水分利用效率。

季节性冠层气温、相对湿度和VPD动态

试验期间，站点气候存在年际波动，尤其是2023年表现为极端高温和干旱。观测结果显示，每次实施微喷灌后，RCCI处理能迅速产生显著的微气候调节效应：冠层温度峰值降低3.9 °C–10.7 °C，相对湿度峰值增加22.8–42.4个百分点，VPD峰值降低2.2 kPa–3.8 kPa。这些效应在微喷灌后逐渐减弱，微气候指标在2.5–3小时内恢复至对照（CK）水平。在整个生长季尺度上，与CK相比，RCCI处理使冠层平均温度降低了3.1%，平均VPD降低了11.6%，同时使平均相对湿度提高了4.3%。这表明RCCI能够有效且快速地改善葡萄冠层的微环境，缓解高温和低湿胁迫，但其效应具有时效性，需要合理的灌溉频率来维持。

讨论

在全球气候变化的背景下，干热胁迫对作物生长、产量和品质的负面影响日益显著。微喷灌虽被证实能有效缓解热胁迫，但其相对较低的水分利用效率限制了其广泛应用。本研究提出的RCCI策略，创新之处在于通过优化根区供水和冠层降温的协同作用，突破了传统灌溉模式面临的节水与降温难以兼得的困境。研究结果表明，RCCI在不增加灌溉水量的前提下，通过改善微气候和植株生理状态，实现了产量、品质和水分生产率的协同提升。这种策略的成功实施，关键在于根据作物生理需求和环境条件，精准调控水分在土壤-植物-大气连续体（SPAC）中的分配。该研究为干旱半干旱地区应对气候变化、实现农业水资源高效可持续利用提供了重要的理论依据和实践范例。

结论

本研究提出的创新根冠协同灌溉（RCCI）策略，通过优化根区与冠层之间的水分分配，在保证根系水分供应的同时有效改善了冠层微气候条件。在葡萄上的三年田间试验证明，RCCI首先通过快速、显著的降温增湿效应直接改善了冠层微环境，进而增强了植株水分状况（表现为茎水势（Ψ_s）提升）和光合作用能力（表现为净光合速率（P_n）和气孔导度（G_s）增加）。这些生理改善最终转化为浆果重量（鲜重和干重）、花青素含量、作物产量以及灌溉水生产率（IWP）的显著提高。值得注意的是，所有这些改善是在未增加灌溉水量的情况下实现的，从而同步达到了节水、增产和提质的三重目标。RCCI策略为应对干旱地区气候变化、保障高价值作物的可持续生产提供了一条新颖且有效的途径，具有重要的实际应用价值。