编辑推荐：
为解决半干旱农业生态系统水资源管理问题，研究人员基于涡度相关和微气象数据，利用 FAO 彭曼 - 蒙特斯（Penman-Monteith）模型估算春小麦、冬小麦和大麦的实际作物系数（Kc act）。发现其在不同生长阶段差异显著，该成果为灌溉管理提供了重要参考。
在全球气候变化的大背景下，半干旱地区的水资源短缺问题日益严峻，农业生产面临着巨大挑战。准确量化作物系数（Kc）对于优化灌溉策略、提高水资源利用效率至关重要。然而，美国蒙大拿州等半干旱农业区，针对春小麦、冬小麦和大麦等谷类作物基于生长阶段的实际作物系数（Kc act）数据却极为匮乏，现有研究大多依赖标准模型，缺乏本地化实测数据支撑，难以精准反映区域气候和管理条件下的作物需水特征。
为填补这一研究空白，美国蒙大拿州立大学等机构的研究人员开展了相关研究。他们利用涡度相关（eddy covariance）技术和微气象观测数据，结合 FAO 推荐的彭曼 - 蒙特斯（Penman-Monteith）模型，对蒙大拿州半干旱农业区四种典型农业子区域（西北方枢灌溉区、亨特利洪水灌溉区、朱迪斯盆地旱作区和金三角旱作区）的三种谷类作物进行了系统研究，旨在建立本地化的作物系数资源，为灌溉管理提供科学依据。研究成果发表在《Agricultural Water Management》。
研究主要采用以下关键技术方法：
- 涡度相关技术：通过 CSAT-3 超声风速仪和 LI-7200/EC155 红外气体分析仪，高频测量农田生态系统与大气间的能量和物质通量（如潜热通量 LE、感热通量 H），获取实际蒸散量（ETact）。
- 微气象观测：同步监测空气温度（T）、相对湿度（RH）、光合光子通量密度（PPFD）、净辐射（Rn）、土壤热通量（G）等气象变量，为彭曼 - 蒙特斯模型计算参考蒸散量（ETo）提供数据支持。
- 分段线性回归（PWLR）：对逐日 Kc act数据进行建模，识别作物生长阶段（发育、中期、后期、末期）的转换点，拟合各阶段的 Kc act曲线。
研究结果
3.1 西北地区（枢轴灌溉春小麦）
- 发育阶段：Kc act从 0.16（MC1）和 0.49（MC2）线性增长，反映作物覆盖度和蒸腾能力的提升。
- 中期阶段：Kc act达到峰值，MC1 为 0.68，MC2 为 0.69，显示充分灌溉条件下作物蒸散趋于稳定。
- 后期阶段：Kc act下降至 0.30-0.32，与作物成熟后蒸腾减弱一致。
3.2 亨特利项目区（洪水灌溉大麦）
- 发育阶段：Kc act为 0.48（MH1）和 0.56（MH2），受土壤水分（SWC>40%）和低水汽压亏缺（VPD）驱动。
- 后期和末期阶段：无明显中期阶段，Kc act直接从发育阶段的峰值下降至 0.23-0.30，末期因土壤湿润仍有较高蒸发贡献。
3.3 朱迪斯盆地区（旱作小麦）
- 冬小麦（MJ1–1）：发育阶段 Kc act高达 0.77，中期受干旱影响降至 0.28，反映旱作系统对水分的敏感性。
- 春小麦（MJ1–2）：发育阶段 Kc act为 0.88，但中期因水分胁迫骤降至 0.43，显示干旱对作物生长的抑制。
3.4 金三角地区（旱作小麦）
- 冬小麦（MSR）：中期 Kc act为 0.43，受 VPD 升高和 SWC 下降影响，后期降至 0.24。
- 春小麦（MVW）：发育阶段 Kc act为 0.49，后期和末期分别降至 0.35 和 0.08，土壤干旱导致蒸散显著减少。
研究结论与讨论
本研究首次系统量化了蒙大拿州半干旱区三种谷类作物的 Kc act动态，发现其受土壤水分（SWC）、水汽压亏缺（VPD）和土壤热通量（G）等因素显著影响，即使在灌溉系统中，大气和土壤水分限制仍对 Kc act产生残留影响。例如，洪水灌溉的大麦末期 Kc act与 SWC 呈正相关（r=0.72），而旱作小麦的 Kc act则随 VPD 升高而下降。
研究结果表明，传统基于彭曼 - 蒙特斯模型的 Kc估算需结合本地化微气象数据和作物管理实践。分段线性回归模型能有效识别生长阶段转换点，其估算的 Kc act值（发育阶段 0.16–0.88，中期 0.28–0.69）可直接用于灌溉调度，帮助农民优化用水策略。此外，研究还发现蒙大拿州作物的 Kc act普遍低于其他地区报道值，这与当地干旱气候和短秆作物品种密切相关。
该研究填补了北美北部平原地区谷类作物 Kc数据的空白，为半干旱农业区水资源可持续管理提供了关键参数。其方法学（涡度相关与分段回归结合）也为其他地区建立本地化作物系数模型提供了参考，有助于提升全球变化下农业系统的适应性和 resilience（恢复力）。
