优化亏缺覆盖滴灌技术可以提高全球农田中的粮食作物产量和水分利用效率

《Agricultural Water Management》：Optimizing deficit mulched drip irrigation improves grain crop yield and water productivity in global cropland

缺水滴灌（DMDI）可降低粮食作物产量风险并提高水分利用效率（WP）8.5%，主要受年降水量（MAP）、水分亏缺程度和滴灌器流量驱动。结构方程模型显示管理实践（路径系数0.22）、气候条件（0.15）和土壤性质（0.24）显著影响产量和WP。最佳适用条件为MAP>250mm、壤土（SBD≤1.4g/cm3）、高有机碳（SOC>10g/kg）。

　　在当前全球气候变化的背景下，水资源短缺与粮食需求的增加已成为农业可持续发展的重大挑战。为应对这一问题，许多地区开始采用一种被称为“亏缺膜下滴灌”（Deficit Mulched Drip Irrigation, DMDI）的灌溉方式。DMDI通过减少灌溉量，既能够缓解水资源紧张，又能在一定程度上维持作物产量。然而，关于DMDI在不同管理措施、气候条件和土壤特性下的对作物产量和水分利用效率（Water Productivity, WP）的具体影响，目前尚不明确。因此，本研究通过一项包含66篇文献、共1071组田间观测数据的系统性元分析，探讨了DMDI对谷物作物产量和WP的影响机制，以及影响这些指标的关键因素。

### 一、DMDI对作物产量和水分利用效率的总体影响

研究结果表明，DMDI在减少谷物作物产量下降风险方面表现出显著优势，同时相比“全膜滴灌”（Full Mulched Drip Irrigation, FMDI）可使水分利用效率提高8.5%（p < 0.05）。这一发现为优化DMDI管理策略提供了理论依据。在田间试验中，DMDI的实施通常涉及在作物生长周期内部分控制灌溉量，而FMDI则为作物提供全部的灌溉需求。通过比较这两种灌溉方式，研究发现DMDI在不显著降低产量的前提下，能够有效提升水分利用效率，从而为农业可持续发展提供了一种可行的解决方案。

### 二、影响作物产量和水分利用效率的关键因素

在元分析中，研究人员识别了影响谷物作物产量和水分利用效率的几个关键因素。其中，平均年降水量（Mean Annual Precipitation, MAP）、水分亏缺程度以及滴头流量是影响作物产量的主要驱动因素。而水分利用效率则主要受到膜法、MAP和水分亏缺时机的影响。例如，当MAP超过250毫米时，DMDI能够更有效地提升作物产量和水分利用效率。此外，土壤类型、土壤容重（Soil Bulk Density, SBD）和土壤有机碳含量（Soil Organic Carbon, SOC）等土壤特性也对作物产量和水分利用效率产生重要影响。

为了更深入地理解这些因素如何相互作用，研究采用了结构方程模型（Structural Equation Modeling, SEM）。SEM分析结果显示，管理措施对作物产量和水分利用效率有直接且显著的影响，其标准化路径系数分别为0.22（p < 0.001）和0.07。这意味着，在DMDI实践中，优化灌溉策略可以有效提升作物产量和水分利用效率。此外，气候条件和土壤特性也对作物产量和水分利用效率产生了显著影响，其标准化路径系数分别为0.15（p < 0.001）和0.42（p < 0.001）等。这些发现表明，作物产量和水分利用效率不仅受到灌溉方式的影响，还与气候和土壤条件密切相关。

### 三、DMDI的管理策略对作物产量和水分利用效率的影响

DMDI的实施需要根据作物种类、生长阶段和环境条件进行优化。研究发现，采用低度水分亏缺（即灌溉量为FMDI的80%–100%）的DMDI策略，可以部分缓解水分亏缺对作物产量的负面影响，并维持较高的水分利用效率。同时，塑料薄膜覆盖和低滴头流量（< 2.5 L/h）也被证明对提高水分利用效率具有积极作用，而这些措施对作物产量的影响则相对较小。

在作物生长阶段的选择上，研究指出DMDI应在非整个生长季进行，以降低产量下降的风险并提升水分利用效率。例如，在水稻、小麦和玉米等作物的生长后期进行适度水分亏缺，不仅不会显著影响产量，还能有效提高水分利用效率。此外，不同作物对水分亏缺的敏感性存在差异，因此，制定针对不同作物的DMDI策略至关重要。

### 四、气候条件对作物产量和水分利用效率的影响

气候条件，尤其是平均年温度（Mean Annual Temperature, MAT）和平均年降水量（MAP），是影响作物产量和水分利用效率的重要因素。研究发现，当MAP超过250毫米时，DMDI能够显著提高作物产量和水分利用效率。而较低的MAT（≤8°C）也有助于提升水分利用效率，因为较低的温度减少了作物的蒸腾作用，从而降低了水分消耗。然而，在较高温度条件下，DMDI可能对作物的光合作用和干物质积累产生不利影响，进而降低产量。

### 五、土壤特性对作物产量和水分利用效率的影响

土壤特性，包括土壤质地（Soil Texture, ST）、土壤容重（SBD）、土壤pH值和土壤有机碳含量（SOC），对作物产量和水分利用效率具有显著影响。研究发现，黏土土壤和沙土土壤的作物产量在DMDI条件下相对较低，而壤土则表现出更好的产量表现。这可能是因为壤土具有更好的水分保持能力和土壤通气性，有利于作物根系的发育和水分的吸收。

此外，土壤容重也是一个关键因素。当SBD≤1.4 g/cm^?3时，DMDI能够显著提高作物产量和水分利用效率。而较高的SBD则可能导致土壤板结，限制根系对水分和养分的吸收能力。土壤有机碳含量（SOC）同样对作物产量和水分利用效率产生重要影响。在SOC含量较高的土壤中，DMDI能够更有效地维持作物产量并提升水分利用效率，因为高SOC含量有助于土壤结构的稳定，减少水分的过度消耗。

### 六、DMDI对不同作物和生长阶段的影响

研究还分析了DMDI对不同作物的影响，发现不同作物对水分亏缺的敏感性存在显著差异。例如，对于玉米来说，水分亏缺发生在生长后期可能对产量产生较大影响，而对小麦和水稻的影响则相对较小。此外，研究指出，在作物的某些关键生长阶段，如花期和灌浆期，水分亏缺可能对产量造成严重损害，因此，应避免在这些阶段实施DMDI。

对于豆类作物，水分亏缺在开花前的阶段对其产量影响较大，而在开花后的阶段则相对较小。这可能是由于豆类作物在开花前根系较浅，容易受到水分亏缺的影响。然而，开花后的水分亏缺有助于促进根系的深入发展，从而提高作物对深层土壤水分的利用能力。

### 七、氮肥施用量和作物密度的影响

氮肥施用量和作物密度也是影响DMDI效果的重要因素。研究发现，当氮肥施用量达到200 kg/ha以上时，DMDI能够显著提高水分利用效率。这可能是由于氮肥的增加有助于维持叶片叶绿素含量，从而提升光合作用效率，抵消水分亏缺对产量的负面影响。同时，适当的氮肥施用量还能促进根系的发育，提高作物对水分和养分的吸收能力。

作物密度方面，研究指出，当作物密度超过10株/m²时，DMDI对作物产量和水分利用效率的提升更为显著。这可能是因为较高的作物密度有助于形成更密集的根系网络，从而提高水分的利用效率。然而，过高的密度可能导致水分竞争加剧，影响个体作物的生长。

### 八、DMDI的可持续性问题

尽管DMDI在提升水分利用效率方面表现出色，但其长期可持续性仍需关注。例如，塑料薄膜覆盖虽然能够有效减少水分蒸发，提高土壤温度，但其在农业环境中的降解过程可能导致土壤中微塑料的积累。这些微塑料可能影响土壤的物理性质，干扰微生物群落，并通过作物吸收进入食物链。因此，在推广DMDI技术时，应同时考虑其对环境的潜在影响，并采取相应的措施，如使用可降解材料或实施有效的废弃物管理，以减少对土壤的污染。

### 九、研究的局限性与未来展望

本研究的主要局限性在于数据来源的地理分布不均，尤其是来自亚洲国家的文献占比较高。虽然研究通过子群分析发现，DMDI在不同地区的应用效果具有一定的普适性，但为了进一步验证其在不同农业系统和土壤条件下的适用性，仍需在北美、欧洲、非洲和南美等地区开展更多田间试验。此外，目前的研究主要关注了作物产量和水分利用效率，但对作物质量的影响尚未涉及，这也是未来研究的重要方向。

在未来的研究中，可以进一步探讨DMDI在不同作物品种和轮作模式下的应用效果，以优化灌溉策略，提高农业生产的可持续性。同时，结合长期试验和多因素分析，可以更全面地了解DMDI对作物产量和水分利用效率的综合影响，为农业实践提供更加科学的指导。