建立土壤水分动态模型以优化沙质土壤中的蓝莓灌溉

《Frontiers in Agronomy》：Modeling soil water dynamics to optimize blueberry irrigation in sandy soils

蓝莓滴灌系统优化研究基于HYDRUS 2D模型，通过现场土壤湿度监测数据校准模型，分析单/双滴线、15-60cm滴头间距、0.25-1h灌溉时长及0.98-1.89L/h流量对sandy土壤水分分布的影响。结果表明单滴线配合60cm间距、0.5h时长及1.89L/h流量最优，有效控制水分在30-60cm根区，减少深层渗漏风险，同时适应不同气候条件。

　　滴灌技术在现代农业中广泛应用，尤其在高价值作物如蓝莓的种植中，它被用来提高灌溉用水的效率并减少水分损失。蓝莓通常生长在排水良好的沙质土壤中，其根系较浅，因此维持根系区域的适宜水分含量对蓝莓的生长至关重要。此外，蓝莓种植区的气候条件变化也使得灌溉管理变得更加复杂。为了优化滴灌系统的配置和管理方式，本研究采用了HYDRUS 2D模型进行模拟分析。

### 滴灌系统的优化设计与管理

本研究的重点在于通过HYDRUS 2D模型对滴灌系统进行优化设计和管理。为了达到这一目标，研究人员在密歇根州西橄榄的蓝莓田中安装了Sentek公司的Drill & Drop土壤湿度传感器系统，用于监测不同深度下的土壤水分含量。这些传感器在9个深度点进行数据采集，包括0、15、30、45、60、75、90、105和120厘米，数据采集频率为每小时一次。传感器的数据与重力法测定的土壤湿度进行校准，以确保其准确性。通过这种方式，研究人员获得了丰富的现场数据，用于校准和验证HYDRUS 2D模型。

为了评估模型的性能，研究人员使用了三种常用的统计指标：纳什-苏特cliffe效率（NSE）、指数一致性（IA）和均方根误差（RMSE）。模型校准和验证的结果显示，NSE和IA的值分别高于0.93和0.98，而RMSE的值低于0.03 cm3/cm3，这表明模型能够准确模拟土壤水分的分布情况。基于这些数据，研究人员进行了四个数值实验，分别评估了滴灌系统的不同配置对水分管理的影响，包括灌溉系统的类型（单行滴灌线与双行滴灌线）、滴头间距（15 cm、30 cm、45 cm、60 cm）、灌溉时间（1小时、0.5小时、0.25小时）以及滴头流量（0.98 L/h、1.89 L/h）等参数。

### 实验结果与分析

实验结果显示，单行滴灌线、滴头间距为45 cm或60 cm、灌溉时间为0.5小时以及滴头流量为1.89 L/h的组合能够实现最佳的灌溉效率，并有效减少水分渗漏至根系以下的风险。这表明，在沙质土壤中，滴头流量和灌溉时间的合理配置是维持根系区域水分平衡的关键因素。此外，研究还发现，在单行和双行滴灌系统中，较高的滴头流量能够提高根系区域的土壤水分含量，但过长的灌溉时间会增加水分渗漏的风险，尤其是在沙质土壤中，水分容易迅速渗透到深层，而横向扩散则较为有限。

在不同气候条件下，研究人员对滴灌策略进行了模拟。他们利用过去10年（2014–2024）的天气数据，分别分析了平均年、湿润年和干旱年的情况。通过模拟不同灌溉频率和持续时间的策略，研究人员发现，灌溉时间为0.5小时的策略在所有气候条件下都能保持根系区域土壤水分在适宜范围内，而灌溉时间过长或过短的策略则可能导致水分浪费或水分不足。因此，建议在湿润年份减少灌溉时间，而在干旱年份增加灌溉时间，以适应不同的降水和蒸散发条件。

### 模型的可靠性与应用前景

本研究使用HYDRUS 2D模型对滴灌系统的水分管理进行了深入分析，结果表明该模型在模拟水分流动和土壤湿度变化方面具有较高的准确性。通过与现场数据的对比，模型能够有效地反映土壤水分的动态变化，为优化灌溉设计和管理提供科学依据。此外，研究人员还发现，不同土壤类型和作物根系深度对滴灌系统的配置有显著影响。例如，在沙质土壤中，由于水分渗透速度快，横向扩散有限，因此需要合理调整滴头间距和灌溉时间，以避免水分过度渗透和浪费。

未来的研究方向包括探索其他建模方法，并在不同土壤和气候条件下验证该方法的适用性，以提高其稳健性。此外，研究还建议将HYDRUS 2D模型与实际产量数据相结合，进一步提升模型的预测能力和实际应用价值。这将有助于在实际农业生产中实现更加精准和高效的灌溉管理，提高作物产量，同时减少水资源的浪费和环境污染。

### 结论

综上所述，本研究通过现场数据与HYDRUS 2D模型的结合，成功优化了滴灌系统的配置和管理策略。研究结果表明，在沙质土壤中，单行滴灌线、滴头间距为45 cm或60 cm、灌溉时间为0.5小时以及滴头流量为1.89 L/h的组合能够实现最佳的水分管理效果。同时，研究还强调了根据气候条件和土壤特性调整灌溉策略的重要性，以确保水分的有效利用。随着气候变化对农业生产的深远影响，优化灌溉系统和管理方法将成为提高作物生产韧性和可持续性的关键措施。通过本研究，HYDRUS 2D模型已被证明是优化滴灌系统设计和管理的有效工具，其应用前景广阔。