干旱地区涌泉根灌参数优化：提升苹果产量与水分生产率的机制与效益研究

本研究针对干旱区苹果园干旱胁迫严重、灌溉水利用率低的问题，系统评估了涌泉根灌(SRI)不同流量与埋深配置对土壤水分、根系构型和冠层生理的调控效应。结果表明：40 cm埋深结合4 L·h?1流量处理可实现根区水分均匀分布，促进根系向60-80 cm深层土壤延伸，根长密度达2.57 cm·cm?3，增产14.0%，灌溉水生产率(WPI)达156.12 kg·m?3。该研究为黄土高原旱作果园节水增产提供了重要技术参数和理论依据。

　　

在全球气候变化背景下，干旱半干旱地区的苹果产业正面临严峻的水资源短缺挑战。中国黄土高原作为世界优质苹果集中产区，承载着全国65.45%的种植面积和53.04%的产量，但令人担忧的是，该地区约75%的果园正遭受不同程度的干旱胁迫。传统灌溉方式往往难以精准匹配果树需水规律，导致水分利用效率低下，严重制约着苹果产业的可持续发展。

为解决这一难题，西北农林科技大学水利与建筑工程学院的研究团队在《Agricultural Water Management》发表了关于涌泉根灌(Surge-Root Irrigation, SRI)参数优化的创新性研究。该研究通过两年田间试验，系统探究了不同流量与套管埋深组合对苹果园土壤水分分布、根系构建、冠层生理及水分生产率的综合影响，为干旱地区果园精准灌溉提供了重要理论依据和技术参数。

研究人员采用智能灌溉系统集成光伏水泵、数据监测、信息传输和远程控制模块，基于窄带物联网(NB-IoT)技术实时监测土壤环境传感器和气象站数据，确保根区土壤体积含水量维持在田间持水量(θf)的45-80%范围内。试验设置9种处理组合（6种SRI处理和3种地下滴灌Subsurface Drip Irrigation, SDI对照），包括3种流量水平（1、4、11.38 L·h^?1）和3种埋深（20、40、60 cm），每种处理3次重复，监测指标涵盖土壤物理环境、果树生理生态指标、产量品质和水分利用效率等多个维度。

3.1. 不同灌溉参数对土壤水分的影响

长期SRI灌溉显著改善了根区土壤水分的均匀性和含量。数据显示，2022年土壤体积含水量均值为20.98%，较2021年提高39.31%。40 cm埋深配合4 L·h^?1流量处理（F1H2）表现出最优的水分分布特性，在灌溉后48小时内形成以40 cm深度为中心的湿润峰，水分向上和向下运移协调，有效避免了表层蒸发损失和深层渗漏。相比之下，高流量处理（11.38 L·h^?1）虽能快速湿润根区，但易导致水分深层渗漏，而浅层埋深（20 cm）处理则水分保持能力较差。

3.2. 生理生态指标对不同土壤水分条件的响应

根系分布研究表明，SRI处理显著促进了根系向深层土壤延伸。F1H2处理在60-80 cm土层的根长密度(Root Length Density, RLD)达到2.57 cm·cm^?3，占总根长的37.8%，形成了更为合理的三维根系构型。冠层生理监测显示，4 L·h^?1流量处理在果实膨大期（8月）通过适度气孔调节，在维持较高光合速率(Net Photosynthetic Rate, Pn)的同时降低了蒸腾耗水，表现出最佳的水分利用策略。果实体积动态监测表明，SRI处理较SDI显著促进果实膨大，其中F1H1处理在采收期单果体积达359.8 cm3。

3.3. 不同灌溉参数对产量、外观品质和水分生产率的影响

产量分析显示，SRI处理平均产量为20778 kg·hm^?2，较SDI增产14.0%。其中F1H3处理产量最高（23712 kg·hm^?2），但果实品质以F1H2处理最优，横径达75.86 mm，果形指数0.89，一级果率最高。水分生产率分析表明，F1H2处理的灌溉水生产率(WP_I)达156.12 kg·m^?3，显著高于其他处理。通过建立水分生产函数，研究确定苹果全生育期最优耗水量(ET)为454.7 mm（R2 = 0.61），超过此阈值反而导致减产。

3.4. 不同灌溉参数下的经济效益分析

经济评价显示，SRI系统虽初始投资较高（15.3万元），但通过增产提质可实现良好回报。F1H2和F2H3处理的累计净收益分别达232万元和267万元，投资回收期5.3-5.7年，较SDI处理（6.2年）显著缩短。这表明优化参数的SRI系统在干旱地区具有较好的推广价值和经济效益。

研究结论表明，涌泉根灌通过多孔套管间歇性供水方式，实现了根区水分的精准调控和高效利用。40 cm埋深配合4 L·h^?1流量的处理组合能够平衡水分节约与可持续发展需求，通过优化土壤水分分布、根系构型和冠层生理功能，实现增产提质与水分高效利用的协同提升。路径分析进一步揭示，SRI参数主要通过改变土壤水分状况和根系分布间接影响果实品质和产量，其中土壤水分和冠层生理是影响果实品质和产量的关键直接路径。

该研究的创新之处在于首次系统量化了SRI关键技术参数与果园水分利用效率的响应关系，明确了根区水分调控—根系构建—冠层功能—产量品质的协同作用机制。研究成果不仅为黄土高原苹果园节水灌溉提供了最佳参数组合，也为类似干旱地区经果林水分管理提供了重要参考。未来研究可进一步探索SRI与智能决策系统的深度融合，提升其在气候变化背景下的适应性和推广价值。