湿润地区基于覆盖作物的免耕棉花和高粱系统的土壤-植物-水分关系及其水足迹

棉花与高粱种植中免耕结合覆盖作物可降低水足迹

　　
### 研究解读：密西西比河下游盆地棉花与高粱生产的水足迹优化策略

#### 摘要
本研究通过对比传统耕作（CT）与免耕（NT）结合覆盖作物（CC）与无覆盖作物（NC）的协同效应，量化了棉花（Gossypium hirsutum）和高粱（Sorghum bicolor）的水足迹（WF）。基于根区水质模型（RZWQM2）模拟和土壤水分动态监测，发现免耕系统可显著减少地表径流（NTCC较CTNC减少24%），并通过覆盖作物残留改善深层土壤水分利用效率。传统耕作因土壤结构破坏导致水分流失加剧，使棉花的单位产量水足迹增加7%，而免耕结合覆盖作物的组合（NTCC）在两种作物中均实现水足迹降低，其中高粱的WF较NTNC减少22%-33%。研究证实，免耕与覆盖作物的协同应用可有效缓解 humid气候下的水资源压力，为可持续农业管理提供理论依据。

#### 关键术语
- **水足迹（WF）**：单位产量或收入所需的总水量（m3/kg或m3/美元）
- **免耕（NT）**：减少土壤扰动，保留作物残体
- **覆盖作物（CC）**：种植冬季作物（如奥地利冬豌豆）以改善土壤结构
- **传统耕作（CT）**：定期翻耕土壤
- **蒸散发（ET）**：植物通过蒸腾和呼吸消耗的水分

#### 研究方法
1. **实验设计**：
- **处理组合**：4种管理方案（CTCC/CTNC/NTCC/NTNC）
- **作物系统**：棉花与高粱单作及轮作
- **监测指标**：土壤体积含水量（VWC）0-120cm深度、径流、深层渗透、蒸散发及叶片水势（Ψleaf）

2. **模型验证**：
- 采用RZWQM2模型模拟土壤水分动态，通过实测VWC数据校准模型参数（如饱和导水率Ks、田间持水量FC、孔隙率）
- 性能评估指标：决定系数（R2）、归一化Nash-Sutcliffe效率（NNSE）、 agreements指数（d）和百分比偏差（PBIAS）

3. **数据采集**：
- **土壤水分**：电容式传感器（精度±0.5%）监测0-120cm分层VWC，每日自动记录
- **气象数据**：气象站记录每日温湿度、降水及太阳辐射
- **作物参数**：产量、收获期水分含量、叶面积指数（LAI）

#### 核心发现
1. **土壤水分动态**：
- **深度差异**：0-40cm表层土壤水分消耗占主导（棉花-ΔS=57% vs NT=34%），40-120cm深层水分损失在免耕系统中减少（NTCC较CTCC减少21%）
- **年际波动**：2021年干旱导致土壤总含水量下降19%，但NTCC通过覆盖作物残体仍维持深层土壤水分（较CTCC多保留8%）

2. **水分利用效率**：
- **棉花**：CTCC的WF（1.66m3/kg）较NTNC（1.59m3/kg）高4%，但NTCC（1.55m3/kg）较CTNC（1.72m3/kg）显著降低（p<0.05）
- **高粱**：NTCC的WF（0.73m3/kg）较NTNC（0.96m3/kg）降低23%，且产量提高9%-20%

3. **模型性能**：
- 2021年模型验证显示R2>0.7（深层达0.81）、NNSE>0.5（0.64-0.89），验证了RZWQM2在预测深层土壤水分（误差<15%）和径流（误差<10%）的可靠性
- 局限性：对暴雨（如2020年单日154mm）的VWC预测存在8%-10%偏差，需结合现场测量修正

#### 机制分析
1. **免耕的节水机理**：
- **结构优化**：免耕减少土壤孔隙破坏，保持团聚体结构（深层土壤孔隙率提升12%-18%）
- **覆盖作物效应**：奥地利冬豌豆残体形成物理覆盖层（厚度14-16cm），减少蒸发损失达15%-22%
- **微生物活性**：残体分解促进有机质积累（2021年表层有机质增加8%），提升土壤持水能力

2. **传统耕作负面影响**：
- **径流激增**：CT系统地表径流较NT高31%-79%，尤其在雨季（2020年单日径流达13.5cm）
- **深层渗透差异**：CTNC深层渗透量（8.9cm）较NTCC（10.5cm）低15%，表明耕作破坏深层导水通道

3. **作物适应性差异**：
- **棉花**：强蒸腾需求（Kc=0.61-0.65）导致表层水分消耗占比达72%
- **高粱**：节水基因表达（ΔΨleaf
#### 环境经济价值
1. **水足迹优化**：
- **单位产量**：NTCC使棉花WF降低6%（较CTNC），高粱降低22%（较NTNC）
- **单位收入**：农业收入1美元需水量减少19%-28%，显著优于单独免耕（NTNC）

2. **经济效益**：
- 2021年NTCC棉田收入1美元仅需0.72m3水（较CTNC降低15%）
- 高粱NTCC处理每公顷增收120美元（因产量提高9%+价格溢价）

#### 实践启示
1. **技术集成**：
- 推广"免耕+覆盖作物"（NTCC）模式，可同步实现：
- 土壤有机质年提升0.2%-0.3%
- 深层土壤水分保持率提高18%-25%
- 农业用水效率提升12%-18%

2. **管理优化**：
- 覆盖作物残体厚度建议≥10cm（防风蚀与保墒）
- 深耕深度需＞30cm（改善深层导水通道）
- 播种期延迟至5-7月（避开雨季径流高峰）

3. **政策建议**：
- 将NTCC纳入补贴体系（美国2023年农改法案已提供$120/ha补贴）
- 建立区域水足迹认证标准（参考ISO 14064）
- 开发适配 humid climate的CC品种（当前奥地利冬豌豆需≥50天越冬）

#### 局限与展望
1. **模型局限性**：
- 未考虑根系动态分布（假设均匀分布）
- 气候极端事件（如2020年暴雨）预测精度需提升
- 缺乏长期数据（＞5年）验证累积效应

2. **研究方向**：
- 开发耦合冠层冠层蒸腾模型的改进版
- 研究不同覆盖作物（菜豆/黑麦草）的协同效应
- 建立基于土壤碳汇的水足迹核算体系

#### 结论
研究证实免耕系统（NT）结合覆盖作物（CC）可产生协同节水效应：NT通过减少表层蒸发（降低22% ET）和改善导水结构（深层渗透增加15%），CC通过覆盖减少雨滴溅蚀（减少地表径流30%）和形成有机质储库（年增量8%）。在LMRB地区，NTCC模式较CTNC减少水足迹28%，且不影响产量稳定性。建议将NTCC作为区域主推模式，并建立动态水分管理数据库（含＞2000个监测点）。