在半干旱条件下改善热带草原系统的水资源管理和自然资源利用：双Kc方法

本研究在半干旱环境中评估了热带牧草的水文参数及资源利用效率，发现Panicum属和BRS Capia?u在水分利用效率（WUE）和光能利用效率（RUE）方面表现最佳，为优化灌溉管理和可持续农业政策提供依据。

　　
巴西半干旱地区热带牧草水肥资源利用效率及水分动态研究

一、研究背景与意义
在巴西东北部半干旱气候区（K?ppen气候分类BSh型），农业生产的最大制约因素是有限的水资源。本研究聚焦热带牧草系统，通过整合水文参数测定与资源利用效率评估，旨在建立科学的水资源管理框架。研究区域位于佩纳布路卡联邦农业工程大学下属的干旱区农业气象国际参考中心（7°56′20″ S, 38°17′31″ W），该地区年降水量约800毫米，集中于夏季，冬季干燥少雨，这种气候特征导致传统农业面临严峻的水资源压力。

二、研究方法体系
1. 多维度观测网络构建
研究采用立体化观测系统，在2020-2023年间持续监测：
- 土壤湿度梯度（0-70cm深度）
- 植物生长动态（分株高度、生物量累积）
- 产量指标（鲜重、干物质产量）
- 环境参数（太阳辐射、温度波动、降水模式）

2. 复合系统分析框架
整合了三个核心维度：
（1）水分动态模型：建立ETc（作物蒸散发）-T（植物蒸腾）-E（土壤蒸发）的耦合模型
（2）资源效率矩阵：涵盖WUE（水分利用效率）、WPcET（作物水分生产率）、NUE（氮素利用效率）、RUE（辐射利用效率）四大指标体系
（3）作物系数双轨制：创新性提出单作物系数Kc与双作物系数Kcb/Kce的协同分析方法

三、核心研究发现
1. 水分动态特征
- 全生育期ETc均值达4.70mm/d，其中T分量占比62-78%（Panicum属植物达85%）
- 土壤蒸发E呈现显著日周期波动（单日波动幅度达1.8mm）
- 不同作物系统水分分布存在显著差异：BRS Capia?u的深层土壤储水能力较对照组提升37%

2. 资源利用效率突破
（1）水分效率分层现象：
- 沉默期（抽穗至成熟）WUE达峰值（3.9973g/MJ）
- 植株生长加速期（拔节至抽穗）效率下降42%
- 耐旱品种BRS Capia?u的WUE值（8.964kg/m3）较传统品种提高58%

（2）辐射利用效率拐点：
- 当太阳辐射＞15MJ/m2·d时，RUE呈现指数衰减特征
- Panicum属植物在弱光条件下（＜8MJ/m2·d）仍保持92%的基准RUE值

3. 作物系数动态模型
- 单作物系数Kc呈现显著物种特异性：Brachiaria种系Kc=1.12±0.15，Panicum种系Kc=1.25±0.18
- 双作物系数Kcb/Kce的比值与群体密度呈正相关（r=0.73，p<0.01）
- 玉米-甘蔗轮作系统的Kcb值较单作系统降低29%，但WPcET提升17%

四、创新性技术突破
1. 水分分项监测技术
开发基于微波雷达与TDR（时域反射）的复合监测系统，实现：
- 植物蒸腾实时监测（精度±0.5mm/d）
- 土壤蒸发分区分级（0-20cm/20-70cm）
- 多尺度水分传输模型（米级-公顷级）

2. 效率评估矩阵
构建四维评估体系：
（1）水分维度：WUE（植物级）与WPcET（系统级）双指标
（2）营养维度：NUE与PUE（磷素利用）组合指标
（3）能量维度：RUE与LUE（光能利用）比值
（4）系统维度：WUE×NUE×RUE综合指数

3. 灾害预警模型
集成气象数据（ENSO指数、SOI）、土壤参数（EC值、CEC）和植物生理指标：
- 预警阈值设定：当土壤储水＜0.15m3/m3且连续3日辐射强度＜8MJ/m2·d时触发灌溉建议
- 模型验证：在2022年干旱季成功预警23次潜在水分危机

五、管理优化策略
1. 水资源配置方案
- 分阶段灌溉策略：苗期（0-3叶）维持土壤湿度0.25-0.35m3/m3，拔节期（4-6叶）提升至0.40-0.50m3/m3
- 降水替代灌溉制度：在雨季（5-10月）实现灌溉用水量减少42%

2. 种植模式优化
- 垂直组合模式：Panicum（放牧）与BRS Capia?u（青贮）的3:1混播系统，使单位面积生物量提高28%
- 轮作周期创新：甘蔗-玉米-高粱的3年轮作周期，较传统2年轮作节水19%

3. 气候适应性调控
- 基于冠层覆盖度（LAI）的自动灌溉调节：当LAI＞3.5时启动深层土壤水分监测
- 精准施肥系统：根据NUE动态调整氮肥用量（±15%误差范围）

六、区域推广价值
研究建立的参数体系已在三个半干旱州（Pernambuco、Alagoas、Ceará）进行验证：
1. 生产效率提升：示范区内牧草产量提高31%，水分生产率（WPcET）达9.2kg/m3
2. 环境效益：土壤侵蚀量减少58%，地下水超采量下降27%
3. 经济收益：灌溉成本降低39%，每公顷增收240美元

该研究成果为南美热带草原地区的水资源管理提供了标准化操作流程（SOP），其提出的"双作物系数动态调控法"已被纳入巴西农业部2025-2030年农业技术指南，预计在30个干旱农业区推广实施后，可每年节约水资源相当于1.2个亚马逊雨林的水循环量。