中国干旱区滴灌微咸水比例优化：耦合盐分-根系综合胁迫指数（SRSI(t)）与Logistic模型的田间试验和作物生长模拟

《Agricultural Water Management》：Optimization of brackish water proportions for drip irrigation in arid regions of China: Field experiments and a crop growth model accounting for integrated salinity and root stress

　　

研究人员评估了采用不同微咸水比例的滴灌；提出了用于玉米根区胁迫的盐分-根系胁迫指数（salinity-root stress index，SRSI(t)）；将SRSI(t)与Logistic模型耦合，以模拟玉米生长和产量；结果表明，60–70%范围平衡了产量、根系胁迫和淡水节约。

研究背景与问题：淡水资源短缺与土壤盐渍化共同限制干旱和半干旱地区灌溉农业可持续发展。农业是淡水消耗的主要部门，全球变暖、降水不稳定和灌溉需求增加进一步加剧农业供需失衡。FAO发布的全球盐affected土壤状况显示，全球约1.381×10⁹ ha土地受盐影响，占全球土地面积10.7%，另有约1×10⁹ ha土地因气候变化和不合理水土管理面临盐渍化风险。微咸水作为边际水资源被越来越多地使用，微咸水与淡水联合灌溉被认为是减轻微咸水灌溉盐分风险的重要策略。已有研究表明，连续两次微咸水灌溉后进行一次淡水灌溉，玉米产量较仅淡水灌溉仅降低4%。近年微咸水脱盐、灌溉水质监测、流量计量和自动控制技术提高了不同水质独立输送、按比例供给和按计划切换的可行性。顺序灌溉即同一灌溉事件中先灌微咸水、后灌淡水，可利用淡水稀释、运移和再分布根区盐分，但其效果取决于微咸水比例。较高比例虽增加微咸水利用并减少淡水输入，却增加盐输入并削弱后续淡水稀释淋洗作用，从而影响根区盐分暴露、根系生长和作物产量。因此，适宜微咸水比例不能仅由灌溉水盐度确定，还应考虑盐分累积、根系分布、作物发育阶段和生长动态的耦合关系。滴灌下土壤盐分和根系分布高度不均，实际胁迫取决于盐累积区与活跃根区的空间对应；传统阈值-斜率关系常用平均根区盐度，难以准确反映这种异质性。HYDRUS、AquaCrop等过程模型虽能模拟水盐或作物生长，但参数和输入数据需求较多；Logistic模型结构简单，可描述玉米株高、茎直径、叶面积和生物量的S型增长，但传统Logistic模型主要由播种后天数驱动，难以表示不同微咸水比例下根区盐分暴露和根系响应造成的生长差异。为此，研究人员耦合根区加权盐度、有效盐分胁迫和根系响应，构建盐分-根系综合胁迫指数（SRSI(t)，salinity-root integrated stress index），并用相对于仅淡水处理（F100%）的季节平均额外胁迫修正各生长指标最大生长潜力，以连续模拟不同微咸水比例下玉米生长和产量。研究目标为：校准和验证改进Logistic作物生长模型；量化根区加权盐度、有效盐分胁迫、根系生长和玉米生长对不同微咸水比例的响应；在联合考虑产量维持、盐分-根系综合胁迫和淡水替代的基础上，确定保守上操作限并提出实际管理范围。

关键技术方法：2023和2024年在河套灌区联兴节水试验站（41.16°N，108.29°E）开展两年田间试验。设置F100%、B25%F75%、B50%F50%、B75%F25%、B100%五个微咸水比例处理，微咸水先灌、随后立即灌淡水，各处理总灌溉量相同，三次重复，15个小区完全随机排列。种植玉米，采用覆膜滴灌。测定土壤饱和浸提液电导率（EC_e，electrical conductivity of saturated paste extract）、根长密度（RLD，root length density）、株高（PH，plant height）、茎直径（SD，stem diameter）、叶面积指数（LAI，leaf area index）、地上干生物量（AB，aboveground dry biomass）和产量。构建根区加权盐度S_r(t)、有效盐分胁迫S_e(t)、根损失指数L_R(t)并形成SRSI(t)，耦合Logistic模型；以2023年数据校准、2024年数据验证，并设置13个微咸水比例情景模拟。模型评价采用均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）和平均相对误差（MRE）。

研究结果：3.1 不同微咸水比例下土壤盐分动态。通过两年田间土壤EC_e监测发现，增加微咸水比例增强玉米根区盐分累积，盐主要集中于0?40 cm土层。拔节期各处理0?40 cm EC_e低于1.5 dS m^?1，处理差异有限；抽雄后盐分开始累积，EC_e随微咸水比例增加。两年平均，B75%F25%和B100%在抽雄期0?40 cm EC_e较F100%分别增加17.27%和22.11%。灌浆期盐分累积进一步加剧，B50%F50和B75%F25较B100%的EC_e分别降低7.73%和6.93%，表明降低微咸水比例可部分缓解浅层盐分累积。2023年生长季末0?40 cm EC_e较拔节期增加20.06%?46.54%；2024年总体低于2023年，主要因后期降水较多。3.2 玉米根系对不同微咸水比例盐分的响应。通过RLD测定发现，增加微咸水比例降低0?40 cm土层RLD并改变根系垂直分布。较F100%，微咸水处理0?40 cm RLD两年平均降低12.70%?36.14%，0?20和20?40 cm分别降低11.01%?30.80%和14.31%?44.05%。拔节期处理差异较小，抽雄后增大；微咸水处理0?100 cm总RLD仍较F100%低13.80%?39.28%。灌浆期60?100 cm RLD在B50%F50、B75%F25、B100下较F100%分别增加3.31%、4.02%、7.04%，但深根增加不足以抵消浅根损失。3.3 基于根长密度加权的根区盐分胁迫特征。通过RLD加权计算S_r(t)、S_e(t)和SRSI(t)，发现微咸水处理增加根区盐分暴露。较F100%，两年平均S_r(t)在B25%F75、B50%F50、B75%F25、B100下分别增加5.90%、12.63%、12.18%、14.55%；两年平均峰值S_r(t)分别为3.60、4.35、4.51、4.89、5.20 dS m^?1。F100%的SRSI(t)虽低但非零，2023和2024季节平均值分别为0.77和0.61 dS m^?1。较F100%，两年平均SRSI(t)在相应微咸水处理下增加34.11%、64.31%、80.62%、100.22%。3.4 改进Logistic模型的校准与评价。通过2023年校准、2024年验证，模型捕获PH、SD、LAI、AB动态。校准期PH、SD、LAI、AB平均RMSE分别为8.56、0.07、0.20、1252.98，NRMSE分别为4.61%、3.26%、8.99%、13.79%，MRE分别为4.60%、3.32%、25.39%、14.69%；验证期平均RMSE分别为11.36、0.14、0.25、1153.95，NRMSE分别为5.86%、6.04%、10.99%、12.21%，MRE分别为5.29%、5.97%、26.28%、13.32%。增加微咸水比例削弱冠层发育和生物量积累。较F100%，B25%F75%对生长影响较小，成熟期PH、SD、AB分别降低4.36%、7.00%、8.02%；B75%F25和B100%降幅更大，PH降低9.35%和11.53%，SD降低14.80%和18.10%，AB降低16.85%和20.55%；峰值LAI分别降低9.57%、16.25%、19.92%、24.19%。总体LAI和AB比PH和SD下降更明显。3.5 不同微咸水比例下产量与根区综合胁迫的情景分析。通过13个微咸水比例情景模拟，随比例从0%增至100%，两年平均产量由1.26×10⁴降至1.00×10⁴ kg ha^?1，减产20.49%。以当地平均产量为维持阈值，最大允许微咸水比例约为2023年81%、2024年72%；平均SRSI(t)随比例增加持续升高。考虑较低年际产量阈值，比例高于70%时安全边际降低，因此比例不超过70%可行，60?70%可作为实际管理区间，对应较F100%每生长季少约148.5–173.3 mm淡水灌溉。

讨论部分总结：4.1 根区盐分动态方面，盐分风险不仅由盐输入决定，也取决于盐是否保留在活跃根区。本研究中微咸水比例增加使盐主要在0?40 cm主根区累积，后期更强；顺序微咸水后淡水可一定程度缓解盐分累积，但受微咸水比例约束。高比例处理盐分累积更强，与盐输入增加和后续淡水稀释淋洗减弱有关；2024年成熟期EC_e较低与后期降水增强淋洗有关。4.2 根系生长动态方面，滴灌下根暴露程度取决于盐分累积位置与主根分布区的重叠。EC_e与RLD显著负相关，RLD主要在0?40 cm下降，抽雄后处理差异更明显。0?40 cm是覆膜滴灌玉米主要水养吸收区，其RLD下降反映根丰度和主吸收区功能受限；深根在灌浆期略增，但总RLD仍低，补偿有限。平均EC_e或RLD单独不能完全表征实际根区胁迫，因此研究人员耦合有效盐分胁迫与根响应构建SRSI(t)。4.3 玉米生长与产量响应方面，盐胁迫抑制地上生长，表现为叶面积发育受限和生物量积累减少，进而影响产量。本研究中LAI和AB相对降幅大于PH和SD，产量随微咸水比例增加而下降。微咸水灌溉效果取决于淡水替代效益与根区盐分累积风险的平衡。基于产量的临界比例约为2023年81%、2024年72%，取较低值约72%，选70%为保守上限；从淡水使用角度选60%为下边界，因此60?70%可作为优先高淡水替代的实际管理区间。4.4 改进Logistic模型评价方面，DSSAT、AquaCrop等模型需要较完整输入和参数，Logistic模型简单但传统上主要由时间驱动，难以表示微咸水滴灌下根区盐胁迫的处理差异。本研究将根区盐度和根响应纳入玉米生长过程模拟。模型两年平均NRMSE为PH 5.24%、SD 4.65%、LAI 9.99%、AB 13.00%。LAI误差较大可能与其叶扩展和衰老阶段依赖动态有关，AB精度低于PH和SD。模型优势是以有限参数联系作物表型动态与根区盐分胁迫，但尚未显式描述土壤水分运动、地下水补给和盐分再分布，未来需与土壤水盐运移模型耦合，并验证不同土壤质地、地下水位和灌溉制度下的适用性。

研究结论翻译：提出的考虑盐分和根胁迫的Logistic作物生长模型满意地模拟了PH、SD、LAI和AB动态。两年平均RMSE为PH 9.96 cm、SD 0.11 cm、LAI 0.23、AB 1203.47 kg ha^?1，平均NRMSE和MRE分别为8.22%和12.36%。盐分主要累积在0?40 cm主根区，导致RLD较F100%降低12.70%?36.14%。尽管灌浆期深根生长增加，0?100 cm总RLD仍降低13.80%?39.28%，表明深根补偿有限。较F100%，微咸水处理SRSI(t)增加34.11%?100.22%，LAI和AB对综合胁迫比PH和SD更敏感。情景模拟表明，随微咸水比例从0%增至100%，两年平均产量从1.26×10⁴降至1.00×10⁴ kg ha^?1。考虑较低年际产量阈值和根区胁迫逐步增加，微咸水比例不应超过70%，60?70%可作为实际管理区间，对应每生长季较F100%少约148.5–173.3 mm淡水灌溉，同时限制较高比例带来的产量风险。