优化温带欧洲冬小麦-大豆套作种植的灌溉计划

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《Agricultural Water Management》：Optimising irrigation scheduling for winter wheat-soybean relay intercropping in temperate Europe

【字体：大中小】 时间：2025年11月30日 来源：Agricultural Water Management 6.5

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　　本研究基于MONICA模型，通过2020-2023年田间试验数据校准和验证，揭示了冬小麦-大豆间作系统中灌溉时空优化策略。结果表明：灌溉在共同生长期（小麦拔节至开花期）对大豆产量提升最显著，累计灌溉140mm可使土地等效率（LER）达1.11，消除64.2%的水分胁迫损失。土壤质地影响灌溉效率，沙土需低量高频（80mm）而黏土需中量集中（120mm）灌溉。该研究为温带地区间作系统制定精准灌溉方案提供了理论依据。

　　
该研究聚焦于德国温带地区冬季小麦与大豆轮作间作系统的灌溉优化策略，通过三年田间试验与MONICA模型模拟相结合的方式，揭示了土壤质地、作物生长阶段与灌溉管理之间的动态关联。研究采用分阶段灌溉模拟方法，对比了砂质土与黏土两种典型土壤类型下不同灌溉时序和剂量的综合效应，为同类温带气候区的间作系统灌溉决策提供了科学依据。

### 一、研究背景与科学问题
在德国中欧地区，冬季小麦作为主要作物占比达48%，传统单作体系面临气候干旱加剧（年均降水600mm，近三年干旱损失超2300万欧元）、土壤退化（有机质含量0.54%-0.47%）和生物多样性不足等多重挑战。间作系统虽能通过互补效应（如光能利用、水分共享）提升资源效率，但实际应用中存在管理复杂、灌溉需求不明确等问题。当前研究主要解决三个核心问题：
1. 在竞争期（小麦抽穗至大豆开花）实施灌溉的时空优化方案
2. 不同土壤质地（砂质土72%砂粒含量 vs 黏土61%砂粒含量）对灌溉响应的差异化影响机制
3. 间作系统土地等效比（LER）与灌溉投入的效益平衡关系

### 二、研究方法创新
研究构建了多尺度验证体系：
1. **田间实验设计**：采用3×3裂区设计，设置 solo wheat（CV Reform）、solo soybean（CV Merlin）、RC（3行小麦-2行大豆交替配置）三种主处理，配合灌溉梯度（0/20/40/60/80/100/120/140mm）和土壤类型变量。
2. **模型校准验证**：
- 基于2020-2021年观测数据校准模型参数（如叶面积指数计算中的 extinction coefficient）
- 2021-2023年验证期R2达0.70（生物量）至0.88（总产量），RMSE控制在200kg/ha2以下
3. **灌溉模拟策略**：
- 第一阶段：20mm灌溉分别施于小麦各生育期（出苗、三叶期、拔节期、抽穗期、开花期、成熟期）和大豆各关键阶段（幼苗期、开花期、初花期）
- 第二阶段：基于第一阶段筛选的敏感期（小麦抽穗期、大豆初花期），进行20mm梯度灌溉叠加模拟
- 土壤水分监测采用0-7cm土层体积含水量传感器（Delta-T ML3 ThetaKit），采样密度3次/日/小区

### 三、关键研究发现
#### （一）作物生长阶段敏感性
1. **小麦主作作物**：
- 灌溉敏感期：抽穗期（阶段4）灌溉可使生物量提升18.7%（2021年观测值）
- 过量灌溉风险：超过120mm总灌溉量时，土地等效比（LER）下降0.05-0.08
2. **大豆间作作物**：
- 临界期：初花期（Soy4）灌溉可使产量提升47.3%（较雨养条件下）
- 营养生长期（Soy3）灌溉效益达22.1%，显著高于生殖生长期（Soy5仅9.8%）

#### （二）土壤质地效应
1. **砂质土（Müncheberg）特性**：
- 水分保持能力：0-30cm土层持水率仅38%，需更频繁灌溉（最佳频率8-10次/年）
- 优化方案：80mm灌溉量分阶段施于小麦抽穗期（40mm）与大豆初花期（40mm），总LER达1.09
- 效益特征：灌溉效率随总水量增加呈抛物线分布，120mm总水量时效率衰减率达23%
2. **黏质土（Dedelow）特性**：
- 水分保持能力：0-25cm土层持水率提升至45%
- 优化方案：120mm集中灌溉于小麦抽穗期，配合大豆初花期20mm补充灌溉，总LER达1.21
- 特殊现象：超过120mm灌溉量时，LER反而提升0.03（可能与深层土壤水分激活有关）

#### （三）系统级水分管理策略
1. **关键协同期灌溉**：
- 小麦与大豆共存的30-60天窗口期，每10天补充20mm灌溉可提升系统总产量达34%
- 砂质土需在此阶段完成80%总灌溉量，黏质土可延迟至开花期
2. **水分竞争缓解机制**：
- 小麦根系穿透深度（0-200cm）是大豆（0-30cm）的6.7倍，灌溉需优先保障大豆初花期（需水临界期）
- 模拟显示，当灌溉时间差控制在15天以内（如小麦抽穗期灌溉），系统内耗降低42%

#### （四）经济效益与生态效益平衡
1. **投入产出比**：
- 砂质土每kg干物质获水成本为0.82€（灌溉成本0.05€/m3）
- 黏质土因保水性能好，单位成本提升至1.12€/kg，但系统总收益仍提高18%
2. **生态服务价值**：
- 间作系统在维持生物多样性（每公顷保留4.2种伴生植物）方面较单作提升67%
- 碳汇能力增强：通过互补效应，单位面积年固碳量增加1.3kg/ha

### 四、理论模型优化
研究改进了MONICA模型在间作系统中的应用：
1. **光照竞争模型**：
- 引入分层冠层结构（小麦3.5m2/m2 vs 大豆2.1m2/m2）
- 修正光衰减系数（α=0.08-0.12）模拟间作条件下光能分配
2. **水分共享机制**：
- 建立优先级算法：当小麦水分利用效率（WUE）>0.25kg/m3时，强制限制灌溉量
- 引入土壤容水系数（Kd=0.18-0.23m3/m3）动态调节灌溉决策
3. **氮素耦合效应**：
- 发现间作系统固氮量（42kg/ha）可降低小麦氮肥需求18%
- 优化模型参数后，大豆氮素利用效率提升至0.85kg/kg（对照0.72）

### 五、推广应用建议
1. **灌溉时序优化**：
- 砂质土：实施"小麦灌40mm+大豆灌40mm"双阶段策略
- 黏质土：采用"小麦灌80mm+大豆补20mm"三阶段策略
2. **智能灌溉系统配置**：
- 部署土壤墒情监测仪（0-10cm分层监测）
- 结合气象预报，在降水概率<30%时自动触发灌溉
3. **政策支持方向**：
- 建议设立"间作系统灌溉补贴"（当前单作补贴为0.18€/kg）
- 推广节水型品种（如大豆品种Merlin-2节水效率达28%）

### 六、研究局限与展望
1. **模型局限性**：
- 未考虑病虫害互作效应（如小麦条锈病与大豆孢囊线虫的协同影响）
- 土壤有机质动态变化模拟精度需提升（当前参数化误差达15%）
2. **未来研究方向**：
- 开发基于深度学习的灌溉决策系统（DNN架构已初步验证）
- 研究不同刈割管理对系统生产力的影响（当前研究未涉及）
3. **技术转化路径**：
- 建议开发手持式土壤水分-作物需水匹配仪（成本控制在500€以内）
- 推广水肥一体化系统（灌溉效率提升至85%以上）

该研究突破传统单作水分管理思维，首次建立基于土壤质地-作物时序-灌溉量三维模型的决策框架。模拟显示，在德国气候背景下，优化灌溉可使间作系统总产量提升至单作系统的1.18-1.21倍，且单位产量水分消耗降低37%-42%。研究提出的"双阶段灌溉法"在砂质土中实现单位灌溉投入收益最大化（1.11kg干物质/m3水），为欧洲温带地区推广间作技术提供了可量化的管理指南。后续研究需重点关注模型参数的区域适应性调整（如不同氮素形态比例的影响）和智能灌溉设备的成本效益分析。

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