基于土壤水分平衡的苏丹杰济拉灌区蚕豆和鹰嘴豆蒸散量及作物系数本地化研究

《Discover Agriculture》：Determining evapotranspiration of Faba bean and Chickpea using the soil water balance method under field conditions in in the Gezira Scheme, Sudan

本研究针对苏丹农业水资源短缺的严峻挑战，为解决杰济拉灌区蚕豆(Vicia faba L.)和鹰嘴豆(Cicer arietinum L.)灌溉管理中缺乏本地化作物系数(Kc)的问题，采用土壤水分平衡法实地测定了作物蒸散量(ETc)，并建立了生育期特异性Kc值。研究发现蚕豆和鹰嘴豆全生育期ETc分别为435 mm和380 mm，其Kc值显著区别于FAO-56推荐值。该成果为半干旱区Vertisols条件下豆科作物精准灌溉提供了重要参数依据，对提升尼罗河流域水资源利用效率具有实践意义。

　　

在21世纪全球水资源危机日益严峻的背景下，苏丹作为典型的经济性缺水国家正面临着双重挑战：一方面尼罗河丰富的水资源因基础设施和管理限制未能充分利用，另一方面内部政治动荡加剧了物理性缺水压力。这种困境使得灌溉用水可用性而非可耕地面积，成为制约农业生产的主要因素，直接威胁着国家的粮食和蛋白质安全。杰济拉灌区作为苏丹最重要的农业生产基地，消耗着全国约三分之一的尼罗河配额用水，其灌溉效率的微小提升都将产生巨大的节水效益。

豆科作物因其高蛋白含量(25-30%)、生物固氮能力和相对较高的水分利用效率，在苏丹冬季种植制度中占据战略地位。2013-2022年间，蚕豆平均种植面积5万公顷，鹰嘴豆1万公顷，平均产量分别为3.8吨/公顷和3.2吨/公顷。然而，当地农民多依赖固定灌溉计划或视觉作物指标而非科学灌溉调度方法，导致过度灌溉与水分胁迫并存的问题。精准确定作物需水量(ET_c)成为优化灌溉管理的关键第一步，而ET_c的准确估算又高度依赖于作物系数(K_c)的本地化校准。

杰济拉灌区独特的土壤水文特性使这一需求尤为迫切。该地区的Vertisols(变性土)具有显著的胀缩行为，干燥时形成深裂缝促进快速初始入渗但增加蒸发损失，湿润时则表现出极低的渗透性。这种特殊的水文状况使得作物需水量的精确确定对可持续管理至关重要。现有研究表明，蚕豆和鹰嘴豆的ET_c和K_c值存在显著变异性，反映了当地农业气候和土壤条件的强烈影响。例如，虽然FAO-56指南建议蚕豆中期K_c为1.05-1.15，但苏丹Hudeiba的研究报告了更高的1.22值。这种差异强调了作物水分利用的场地特异性，表明在其他地方开发的K_c值不能直接应用于杰济拉灌区独特的水文和农业生态条件。

为此，Mahmoud等研究人员在《Discover Agriculture》上发表了题为"Determining evapotranspiration of Faba bean and Chickpea using the soil water balance method under field conditions in the Gezira Scheme, Sudan"的研究论文，旨在量化蚕豆和鹰嘴豆的季节性和平均日作物需水量(ET_c)，并建立杰济拉灌区田间条件下四个物候期(初始期、发育期、中期、后期)的特异性作物系数(K_c)。

研究方法上，团队在2021/2022和2022/2023两个冬季在杰济拉研究站农场开展田间试验，采用土壤水分平衡法测定ET_c，同时利用FAO Penman-Monteith方法通过CROPWAT软件计算参考蒸散量(ET_o)。研究通过重力法测量土壤水分含量，使用流速仪测定灌溉水量，并基于作物覆盖度变化划分生育阶段。每个作物设置单一非重复大样方(60 m2)以代表杰济拉灌区的田间管理实践，重点在于获取本地化校准数据而非处理比较。

气象条件与ET_c关系分析

研究期间瓦德梅达尼气象站的数据显示典型的半干旱冬季条件，无降雨。最低气温13-23°C，最高气温33-40°C，相对湿度18-49%，日照时长约10小时/天。参考蒸散量(ET_o)在季节后期上升，与两种作物的灌浆后期相吻合。回归分析揭示了两种作物不同的水分利用策略：蚕豆的ET_c与ET_o呈正相关(R2=0.214)，但与最高温度呈显著负相关(R2=0.235)，表明大气需求驱动水分利用而热胁迫降低蒸腾效率；鹰嘴豆的ET_c与ET_o相关性较弱(R2=0.119)，确认了其保守的水分利用策略和干旱回避机制。

ET_c时空变化规律

蚕豆和鹰嘴豆的ET_c在初始期(0-20 DAS)较低，分别为1.5-2.3 mm/天和1.2-1.8 mm/天，在发育期和中期增加，在开花和结荚期达到峰值。蚕豆峰值ET_c达6-7 mm/天，鹰嘴豆为5-6 mm/天。灌溉应用(7-10天间隔)与ET_c时间序列叠加显示，灌溉后ET_c的急剧峰值突出了Vertisols上土壤蒸发(E)的主导作用。

水分分配格局

季节性ET_c按生育期划分显示，中期阶段占两种作物季节性水分利用的51%。蚕豆全生育期总ET_c为435 mm，鹰嘴豆为380 mm。蚕豆因冠层更密、生育期更长和根系更深而表现出更高的ET_c。

K_c值本地化校准

区间K_c值(K_c=ET_c/ET_o)计算和平滑后得到季节性曲线。阶段平均K_c值分别为：蚕豆初始期0.31、发育期0.85、中期1.07、后期0.55；鹰嘴豆相应为0.28、0.71、1.04、0.30。与FAO-56默认值相比，初始K_c低25%，可能由于Vertisols的自覆盖表面减少灌溉后土壤蒸发；中期K_c基本一致；但蚕豆后期K_c(0.55)显著高于FAO-56值(0.35)，反映延迟衰老和荚果充实期蒸腾延长。

产量表现

蚕豆产量为1552.5(2021/2022)和1423.9(2022/2023) kg/ha，鹰嘴豆为1980.3和1815.5 kg/ha。由于实验设计采用单一样方，产量差异仅进行描述性报告。

研究结论强调，杰济拉灌区蚕豆和鹰嘴豆的有效灌溉管理需要针对当地条件校准的作物系数。重型Vertisols与半干旱气候的相互作用使标准FAO-56 K_c值不适用，常导致低效用水。本地化K_c值的采用允许更精确的灌溉调度，可在不减产情况下减少蚕豆12.1%和鹰嘴豆2.7%的季节性用水量，对杰济拉灌区可持续尼罗水分配具有重要意义。

讨论部分指出，3月超过40°C的最高温度代表关键风险期，因为高于35°C的温度已知会导致蚕豆花荚脱落和减产。2月观测到的高ET_o值(5.7-6.6 mm/天)与后期籽粒灌浆阶段重合，凸显了终端水分胁迫管理的重要性。基于ET_o的灌溉调度适用于蚕豆，而土壤水分基础调度更适合鹰嘴豆的高温条件。

该研究首次为杰济拉条件下的ET_c和K_c动力学提供了校准基线，支持改善灌溉调度和苏丹半干旱环境下灌溉豆类生产的长期可持续性。未来研究应探索动态双K_c模型以分离可变Vertisols湿润循环下的土壤蒸发和作物蒸腾，并评估缺水灌溉策略和作物轮作以增强气候变率下的水分生产力。