优化中国西北地区狐尾粟（Setaria italica L.）的灌溉制度：灌溉定额和频率对产量及作物水分生产力的影响

《Agricultural Water Management》：Optimizing irrigation regimes for foxtail millet (Setaria italica L.) in Northwest China: Effects of irrigation quota and frequency on yield and crop water productivity

枸杞在宁夏干旱半干旱地区的节水灌溉研究显示，采用187.5mm配额配合8次灌溉频率（W2T2）能实现最高产量（8.32-8.37t/ha）与水分生产效率（2.61-2.69kg/m3），且产量稳定性最优。灌溉配额与频率的交互作用显著影响作物生长指标和水分利用效率，W2T2方案在作物形态、生物量积累及资源利用效率间达到最佳平衡。

　　
在干旱与半干旱地区，灌溉制度的优化对提升作物产量和水分生产效率（WPc）至关重要。本研究以宁夏西吉县为试验区域，针对当地常见的覆膜滴灌条件下小米（Setaria italica L.）的种植需求，系统探讨了灌溉配额（W1:150mm，W2:187.5mm，W3:225mm）与灌溉频率（T1:7次，T2:8次，T3:9次）的交互作用对小米生长、产量及水分利用效率的影响。经过2022-2023两个生长季的田间试验，结合植物形态指标、生物量分配、产量构成要素及TOPSIS多目标综合评价，最终确定W2T2（187.5mm配额配合8次灌溉）为最优灌溉方案。

### 一、研究背景与科学问题
中国西北地区年降水量普遍低于300mm，而小米作为耐旱作物的主栽品种，其水分需求与自然降水存在显著缺口。尽管已有研究证实灌溉配额与频率对作物性能的影响（Zhang et al., 2022; Yang et al., 2020），但在宁夏地区特定气候条件（年均温8.7℃、年降水260.7mm）、土壤类型（0-20cm土层容重1.21g/cm3，田间持水量19.07%）及覆膜滴灌技术普及背景下，现有灌溉建议的适用性存在不确定性。本研究聚焦三个核心问题：（1）不同灌溉配额与频率如何协同影响小米生长周期关键阶段的水分利用；（2）产量稳定性与水分生产效率的权衡机制；（3）区域适应性最优灌溉方案的确定。

### 二、研究方法与技术路线
实验采用分式设计，将灌溉配额与频率作为两个独立变量（3×3 factorial design），设置9种处理组合（表3）。试验田位于西吉县红寺堡试验基地（106°05'E，37°29'N），海拔1301m，采用"地膜+滴灌"复合技术。土壤监测显示，0-20cm土层EC值0.562dS/m，pH值8.5，田间持水量19.07%。作物管理遵循当地传统模式，基施控释肥（N-P?O?-K?O=126.15-73.95-26.10kg/ha），播种密度45万株/ha，苗期进行3-4叶期疏苗。

关键测量指标包括：
1. **水分平衡**：计算作物蒸散发（ETc）、土壤水分动态及灌溉效率
2. **生长指标**：株高（0-1m）、茎径（0.01-0.1mm精度）、有效分蘖数（单株）
3. **生物量分配**：根系（0-80cm）、茎秆、叶片及穗粒重（t/ha）
4. **产量构成**：千粒重（g）、收获指数（HI）、秸秆产量（t/ha）
5. **综合评价**：运用TOPSIS法对产量、资源利用效率等4项指标进行多目标优化

### 三、主要研究发现
#### （一）水分利用效率与作物生长的耦合机制
1. **灌溉配额效应**：
- 小于150mm配额（W1）时，株高（133.93cm）和分蘖数（8.25个）显著低于中配额（W2）和低配额（W3）处理（P<0.01）
- W2配额下，收获指数达0.48（2022）和0.46（2023），较W1提升15.87%（P<0.01）
- W3配额虽然促进生物量积累（根系0.79t/ha，茎秆1.32t/ha），但导致千粒重下降至2.76g（较W2减少8.4%）

2. **灌溉频率效应**：
- T2频率（8次）下，株高较T1（7次）增加2.52%（148.6cm vs 144.3cm）
- T3频率（9次）虽提升水分利用效率（2.23kg/m3），但导致土壤蒸发损失增加23%
- 交互作用显示，W2T2组合下水分利用效率（2.61kg/m3）达到峰值，较W1T3提升18.2%

#### （二）产量形成的关键生物学过程
1. **干物质积累规律**：
- 茎叶干物质在W2配额下达到最大值（2022年茎叶干物质量分别为1.26t/ha和1.88t/ha）
- 分蘖期（5-6月）和灌浆期（7-8月）的水分供应对干物质积累贡献率分别达47%和33%

2. **产量构成要素分析**：
- 秸秆产量与配额正相关（W3较W1增加27.68%）
- 千粒重呈现"低配额高频率"优化特征（W1T2达3.67g）
- 收获指数与配额正相关（W2较W1提升24.57%）

3. **产量稳定性评价**：
- AMMI模型显示W2T2组合在2022-2023年间的稳定性指数（ASV）分别为0.459和0.446
- TOPSIS综合评分中，W2T2在两年间均居首位（2022年0.836，2023年0.786）

#### （三）水分生产效率的优化路径
1. **水分利用效率曲线特征**：
- WPc随配额增加呈倒U型（W2达峰值2.61kg/m3）
- 频率增加导致WPc下降（T3较T2降低9.05%）

2. **水-粮平衡机制**：
- 1000粒重与WPc呈显著负相关（r=-0.72，P<0.01）
- 秸秆产量每增加1t/ha，对应WPc提升0.13kg/m3（2022数据）

### 四、技术经济可行性分析
1. **灌溉成本核算**：
- W2T2方案年灌溉成本为612元/ha（含水费、人工费）
- 较传统漫灌（成本890元/ha）降低31.5%，而增产8.7%

2. **环境效益评估**：
- 减少土壤蒸发量23%（较T3）
- 氮素利用率提升至42.7%（传统灌溉为37.2%）
- 土壤容重改善0.15g/cm3（W1→W2）

### 五、区域适配性验证
1. **气候响应分析**：
- 2022年（降水160.5mm）最优方案为W3T2
- 2023年（降水150.02mm）最优方案转为W2T2
- 气候变率系数（CV）显示W2T2的稳定性指数（ASV）变异度仅为8.3%

2. **土壤适应性改良**：
- 通过滴灌+地膜技术，将0-20cm土层EC值从0.562dS/m降至0.45dS/m
- 田间持水量提升至22.3%（W2配额下）

### 六、推广建议与局限性
1. **技术适配方案**：
- 建议灌溉配额控制在180-200mm区间
- 灌溉频率以7-8次/季为佳，具体根据降水监测动态调整

2. **研究局限性**：
- 未考虑不同品种间差异（试验仅用张寨谷-13号）
- 环境成本核算未纳入碳汇价值
- 未开展长期定位试验（≥5年）

3. **未来研究方向**：
- 建立基于遥感的灌溉决策支持系统
- 开展跨区域（宁夏、甘肃、内蒙）对比试验
- 探索水肥耦合增效机制

### 七、结论与启示
该研究证实，在西北干旱区覆膜滴灌条件下，W2T2方案通过优化水分时空分布，实现了三个关键突破：
1. **产量突破**：连续两年稳定在8.3-8.4t/ha，较W1提升35.6%
2. **效率突破**：WPc达2.65kg/m3，较传统漫灌提升42.3%
3. **稳定性突破**：两年间产量变异系数（CV）仅9.2%

建议在以下方面推广：
- 建立基于生长季降水预报的灌溉调控模型
- 开发配套的智能灌溉设备（如压力补偿式滴头）
- 推广"以水调肥"策略，将氮肥利用率提升至45%以上

该研究为干旱区作物生产提供了"精准灌溉-高效利用-稳定产出"的技术范式，为全球10亿人口粮食安全贡献了中国方案。后续研究应重点突破跨区域适应性验证和技术经济性平衡优化。