在佛罗里达州不饱和的柑橘种植田间条件下，水分与吡虫啉的传输差异

《Vadose Zone Journa》：Differential water and imidacloprid transport under unsaturated Florida citrus field conditions

柑橘黄龙病因亚洲 citrus 蚜虫导致佛罗里达柑橘产量下降超72%，需优化农药（咪草敌）管理以减少地下水污染。研究结合实验与WAVE模型，分析沙质土壤中水与咪草敌在饱和和非饱和条件下的迁移机制，发现机械弥散和分子扩散共同影响药物传输，土壤饱和含水率是主导参数。通过敏感性分析，确定有机碳含量提升可显著增强药物滞留，减少渗漏风险。研究验证WAVE模型在柑橘园水肥管理中的适用性。

　　在过去的二十年里，佛罗里达州的柑橘种植业经历了显著的衰退，其中柑橘黄龙病（Citrus Greening Disease）是主要的病因之一。该疾病由亚洲柑橘木虱（Asian Citrus Psyllid, ACP）传播，导致柑橘树的健康状况恶化，影响了果实产量和品质。为了应对这一挑战，农民广泛使用农药，如imidacloprid（IDP），以控制ACP种群。然而，这种农药的大量使用引发了对浅层地下水污染的担忧，特别是在以沙质土壤为主的柑橘果园中。本研究旨在探讨在饱和和非饱和条件下，水和IDP的迁移过程，以优化柑橘关键根系区（Critical Root Zone, CCRZ）的管理策略，同时评估不同参数对这些过程的影响。

佛罗里达州的中央地区主要种植于Entisols和Ultisols两种土壤类型上。这两种土壤以沙质为主，其中Entisol含砂量高达95%，有机质含量低于0.5%，而Ultisol则含有一定量的粘土。这种高砂含量和低有机质的特性使得这些土壤具有较高的孔隙度，但同时也降低了其对水分和农药溶质的保留能力。因此，如何在保持土壤水分含量的同时，减少农药向地下水的迁移，成为柑橘种植管理中的关键问题。此外，该地区降雨强度较大，通常在30分钟内达到9至16厘米，这种快速的降雨会导致土壤迅速饱和，从而增加农药的淋失风险。

本研究采用了实验数据与模型相结合的方法，以深入理解水和IDP在不同土壤条件下的迁移机制。具体而言，实验部分使用了advective?dispersive模型和WAVE模型进行分析。其中，advective?dispersive模型专门用于模拟饱和土壤中溶质的迁移，而WAVE模型则整合了土壤、作物和包气带的水和溶质流动过程，用于模拟非饱和条件下的土壤水分动态。为了优化模型参数，研究团队结合了蒙特卡洛模拟、全局多层级坐标搜索和Nelder?Mead单纯形法。此外，通过方差分解方法进行了全局敏感性分析，以识别对水和IDP迁移过程影响最大的参数。

在实验中，研究人员发现，在0?30厘米深度范围内，IDP的迁移主要受到机械扩散和分子扩散的共同影响，而在30?60厘米深度范围内，机械扩散在饱和条件下占据主导地位。这一发现表明，IDP在不同深度的迁移机制存在差异，需要在不同的土壤层次上采取不同的管理措施。此外，实验还表明，当降雨持续时间达到4小时以上时，IDP可能突破关键根系区（CCRZ），进入更深层的土壤或地下水。因此，了解降雨和灌溉的持续时间对农药迁移的影响，对于制定有效的管理策略至关重要。

土壤结构的变化，例如由飓风引起的土壤扰动，也对土壤水分动态产生了显著影响。尽管实验期间的土壤含水量始终高于田间持水量，但飓风带来的强降雨导致土壤含水量增加了约25%。这种变化不仅影响了土壤水分的分布，还可能对农药的迁移路径和速度产生影响。研究团队通过将观察数据与模型预测数据进行线性关系分析，对数据进行了修正，以确保模型的准确性。

WAVE模型在模拟土壤水分变化和IDP浓度方面表现出良好的性能，其Nash?Sutcliffe效率（NSE）达到了0.5以上，表明该模型能够有效解释土壤水分时间序列的变化。此外，模型还能够准确匹配IDP在施药期间的化学图谱（chemographs）。通过全局敏感性分析，研究人员发现饱和土壤含水量（θ_s）是控制模型输出变化的主要因素。这一结果强调了θ_s在土壤水分和农药迁移模拟中的关键作用。

研究还探讨了土壤有机碳（OC）含量对IDP迁移的影响。OC含量的增加能够显著提高IDP的分配系数（K_D），从而增加其在表层土壤中的滞留能力。这表明，通过增加土壤中的有机碳含量，可以有效减少IDP向深层土壤或地下水的迁移。然而，这种变化需要较长时间才能实现，因为OC的积累是一个缓慢的过程，通常需要数年时间，具体取决于土壤类型、气候条件和管理实践。

在实际应用中，研究人员发现，通过优化灌溉和施肥策略，可以有效控制土壤水分含量，使其保持在田间持水量附近，从而减少农药的淋失风险。此外，通过使用更高效的灌溉系统，如微喷灌系统，可以进一步减少水资源浪费，同时降低农药向地下水迁移的可能性。然而，这些系统在实际应用中可能会受到一些因素的影响，例如微喷头堵塞或控制器效率低下，从而导致灌溉输入数据的不准确。因此，对这些系统的定期维护和优化是必要的。

研究团队还发现，虽然实验数据能够较好地反映IDP的迁移过程，但在某些情况下，如Ultisol土壤的模拟中，由于资源限制和飓风对研究地点的破坏，无法进行完整的现场模拟。尽管如此，实验结果仍然提供了重要的见解，表明在饱和条件下，IDP的迁移受到土壤物理性质和降雨条件的显著影响。此外，研究还强调了使用更复杂的模型（如WAVE）进行农药和水分迁移模拟的必要性，以提供更精确的预测和更有效的管理决策。

总的来说，本研究通过实验和模型分析，揭示了IDP在佛罗里达州柑橘果园中的迁移机制，并提出了基于土壤水分和农药分布的优化管理策略。研究结果不仅有助于减少农药对地下水的污染，还为提高柑橘种植的可持续性和环境友好性提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索土壤改良措施对农药迁移的影响，以及如何在实际农业生产中更有效地应用这些模型。