基于生理驱动的精准灌溉对地中海不同环境下扁桃仁品质与盈利能力的调控

《Scientia Horticulturae》：Physiology-driven precision irrigation for almond nut quality and profitability under contrasting Mediterranean environments

　　

全球扁桃（almond）种植面积在过去十年间持续扩张，主要受坚果及植物基产品需求上升以及主产区灌溉果园快速发展的推动。近期行业统计显示，全球供应量持续增长，产量在近几个产季达到历史高位（Almond Board of California, 2024）。这一扩张伴随着价格波动的加剧，很大程度上受加利福尼亚、澳大利亚和地中海盆地等地区气候变异与水资源可用性的影响，从而凸显了扁桃生产系统中高效灌溉管理的重要性（USDA-FAS, 2024）。在西班牙，扁桃种植正经历从传统雨养果园向现代灌溉种植园的快速转型。据西班牙农业、渔业与食品部（MAPA, 2024）统计，全国扁桃种植面积在过去十年大幅增加，其中安达卢西亚、卡斯蒂利亚-拉曼恰和阿拉贡增幅显著。这一扩张得益于滴灌系统的采用以及自交亲和、高产新品种的引入。然而，MAPA（2024）同时强调，这种集约化正在日益严格的水资源分配框架下进行，使水资源短缺成为扁桃生产盈利性和可持续性的主要限制因素。西班牙的生产趋势反映了这种双重情景：尽管灌溉果园提高了平均产量，但整体生产力对干旱周期、水资源可用性限制以及与灌溉相关的能源成本上升仍高度敏感。对地中海扁桃系统的经济评估表明，水分生产力是决定农场整体盈利能力的首要因素之一，尤其是在有限供水条件下（Exposito and Berbel, 2020）。这些限制凸显了需要在节水与稳定经济回报之间取得平衡的灌溉策略。亏缺灌溉（deficit irrigation, DI）策略已被广泛评估为在维持产量和品质的同时减少耗水量的工具。在西班牙南部开展的田间研究表明，调节亏缺灌溉（regulated deficit irrigation, RDI）和持续亏缺灌溉（sustained deficit irrigation, SDI）均可在维持扁桃仁产量的同时大幅减少灌溉量（Gutiérrez-Gordillo et al., 2019, 2020a）。补充研究显示，产量构成和水分生产力存在品种依赖性响应，强调了在设计灌溉策略时考虑遗传变异性的必要性（Gutiérrez-Gordillo et al., 2020a）。除产量响应外，DI还被证明可改善营养和感官品质属性，包括糖类、有机酸、脂肪酸和抗氧化活性，具体取决于品种和亏缺强度（Gutiérrez-Gordillo et al., 2020b; Lipan et al., 2020）。这些发现表明，DI不一定会损害产品价值，甚至可能增强某些与高端市场相关的品质参数。此外，来自商业果园的进一步证据显示，DI与树木的生理状态相互作用，并可通过胁迫相关指标进行监测，支持其融入精准灌溉管理（Gutiérrez-Gordillo et al., 2020c）。生理学证据进一步支持亏缺灌溉（DI）在地中海扁桃系统中的可行性。针对Guara、Marta和Lauranne品种的研究表明，水分亏缺的敏感性存在品种特异性，表现为气孔调节、光合响应和碳分配的差异，尤其是在仁充实阶段（Gutiérrez-Gordillo et al., 2023）。除这些品种依赖性机制外，基于植物的指标如气孔导度（g_s）和茎水势（Ψ_stem）被广泛认为是树木水分状况的可靠描述指标，常用于限水条件下木本作物的灌溉决策指导（Shackel et al., 1997; García-Tejero et al., 2011a）。叶片水势（Ψ_leaf）也可提供有关树木水力行为的有价值信息，并已被广泛用于识别地中海果园亏缺灌溉相关的生理阈值（Naor, 1999）。这些生理指标共同支持在精准灌溉框架内实施DI策略，将树木水分状况、碳同化和品种在干旱条件下的表现联系起来。尽管拥有广泛的农艺学和生理学知识，但研究DI在商业条件下经济影响的研究相对较少。现有微观经济分析表明，净盈利能力在很大程度上取决于水分利用效率以及灌溉策略在不引起显著产量损失的情况下降低水成本的能力（Exposito and Berbel, 2020）。欧洲范围内对扁桃生产系统的更广泛评估也强调了农场管理、环境限制和资源利用效率对盈利能力的影响（De Leijster et al., 2020; Sottlie et al., 2020）。然而，品种特异性响应和果园层面经济变异性仍未得到充分探索，特别是在对比性生产环境中。据此，本研究评估了三个商业扁桃品种（Guara、Marta和Lauranne）在两种DI策略（RDI和SDI）下的生理、品质和经济表现，并在两个农业经济条件对比鲜明的商业果园中实施。除了传统的农艺评估，研究人员的方法整合了精准灌溉调度中常用的生理指标，如g_s或Ψ_leaf，以支持解释品种响应并评估这些DI策略在数据驱动的灌溉管理框架中的适用性。通过结合生理指标、品质属性和经济产出，本研究提供了DI作为精准灌溉工具在缺水情景下提高盈利能力的操作性评估。

# 基于生理驱动的精准灌溉：地中海环境下扁桃品质与经济效益的整合评价

## 一、研究背景与科学问题

全球扁桃（almond）产业在过去十年间经历了显著扩张，消费需求的增长和灌溉果园的快速发展推动了供给能力的持续提升。然而，水资源短缺已成为制约主产区（如美国加利福尼亚州、澳大利亚和地中海盆地）扁桃生产可持续发展与盈利能力的核心限制因素。西班牙作为地中海地区重要扁桃生产国，正经历从传统雨养栽培向现代灌溉种植体系的快速转型，滴灌系统和高产自交亲和品种的推广显著提高了单产水平，但日益严格的水资源分配政策与频发的干旱周期使水分生产力（water productivity）成为决定农场经济效益的关键变量。

在此背景下，亏缺灌溉（deficit irrigation, DI）策略——包括调节亏缺灌溉（regulated deficit irrigation, RDI）和持续亏缺灌溉（sustained deficit irrigation, SDI）——已被广泛研究并证明可在减少灌溉用水的同时维持甚至提升扁桃产量和品质。已有研究表明，DI不仅影响产量构成和水分利用效率，还能调控果实中糖类、有机酸、脂肪酸组成及抗氧化活性等品质属性，而这些响应具有显著的品种依赖性。同时，基于植物的生理指标，如叶片水势（leaf water potential, Ψ_leaf）和气孔导度（stomatal conductance, g_s），在木本作物水分状况监测和精准灌溉调度中已被证实具有高度的可靠性。

尽管在农艺和生理层面已积累了大量知识，但关于DI策略在商业生产条件下的经济影响研究仍然不足。现有经济分析多集中于水分利用效率与净收益的关系，而对品种特异性响应、果园层面经济变异性以及不同生产环境间的对比评估尚缺乏系统研究。此外，将生理指标、品质属性和经济指标整合进同一框架，以评估DI作为精准灌溉工具的适用性，仍是一个亟待填补的空白。因此，本研究旨在比较三种商业扁桃品种（Guara、Marta、Lauranne）在两种DI策略（RDI和SDI）下的生理响应、产量表现、品质变化和经济收益，为水资源受限条件下扁桃生产的精准灌溉决策提供理论依据和实践指导。

## 二、研究方法概述

研究在两个西班牙塞维利亚省拉林科纳达（La Rinconada）的商业扁桃园开展：“Montana de San José”（2018年）和“Cartuja”（2019年）。两地均属于地中海气候（Csa），土壤为粉壤质典型冲积土（Fluvisol），树木均嫁接于GN15砧木，株行距为8 m × 6 m，采用滴灌系统。试验采用随机区组设计，每个灌溉处理与品种组合设4个重复，每重复12棵树，选取中心2棵树进行生理监测和产量测定（n=8）。

在Montana果园，设置三个灌溉处理：充分灌溉（full irrigation, FI，100%灌溉需求）；过度灌溉（150-ETc，150%灌溉需求）；调节亏缺灌溉（RDI65，在仁充实期至收获期灌水量为灌溉需求的65%，其余时期充分灌溉）。在Cartuja果园，同样设置三个处理：FI（100%灌溉需求）；持续亏缺灌溉SDI75（75%灌溉需求）；持续亏缺灌溉SDI65（65%灌溉需求）。灌溉量根据参考蒸散量（reference evapotranspiration, ET₀）和作物系数（crop coefficient, K_c）及作物缩减系数（crop reduction coefficient, K_r）计算。生理指标方面，每周于正午12:00至13:30（GMT）测定遮阴叶Ψ_leaf（压力室法）和充分光照叶g_s（稳态气孔计法），监测期为仁充实期至收获前。产量指标包括仁产量、单仁重、仁/坚果比；品质指标包括物理参数（仁重、尺寸、干物质）、脂质组成（油酸/亚油酸比值O/L、单不饱和脂肪酸MUFA、多不饱和脂肪酸PUFA、饱和脂肪酸SFA）、总酚含量（total phenolic content, TPC）、可溶性糖和有机酸组成。经济效益采用总成本、总收入、毛利润（gross margin, GM）和净利润（net margin, NM）及经济水分生产力（欧元每立方米）进行评估。

## 三、主要研究结果

### 3.1 灌溉量与节水量

在Montana果园，FI处理累计灌溉量为6870 m³ ha^?1，150-ETc为10,300 m³ ha^?1，RDI65为5410 m³ ha^?1，RDI65较FI节水21%，较150-ETc节水近47%。在Cartuja果园，FI灌溉量为7700 m³ ha^?1，SDI75和SDI65分别为5744和5159 m³ ha^?1，节水幅度分别为25%和33%。

### 3.2 植物水分状况与生理响应

在Montana，Ψ_leaf和g_s在生长季早期差异不显著，但在仁充实期出现明显分离。RDI65在所有品种中呈现最低的g_s，尤其在Marta品种中，表明DI诱导了更强的气孔限制。品种间比较显示，Guara和Lauranne的Ψ_leaf下降相对温和，而Marta对水分亏缺响应最强烈。在Cartuja，SDI处理在整个监测期持续产生水分状况差异：FI始终维持最高Ψ_leaf，SDI65最负，SDI75居中。Guara在SDI65下表现出最剧烈的下降，Lauranne跨处理维持较稳定的Ψ_leaf，Marta敏感性居中。总体而言，RDI策略产生与物候期相关的瞬时气孔调节，而SDI策略维持了季节性的持续水力限制，两种策略均实现了受控的、非破坏性的水分胁迫。

### 3.3 农艺性状与灌溉水生产力

在Montana，Guara和Lauranne的仁产量在不同灌溉处理间无显著差异（分别为约3100–3300和2170–2750 kg ha^?1），而Marta的产量在150-ETc下显著高于FI和RDI65（约3100对2100–2200 kg ha^?1）。在Cartuja，Guara的FI产量显著高于SDI75和SDI65（约2250对1870–2080 kg ha^?1），Marta和Lauranne的产量在处理间无显著差异。灌溉水生产力（irrigation water productivity, IWP）在所有品种中一致地随亏缺程度增加而提高：Montana果园中RDI65均显著高于FI和150-ETc；Cartuja果园中SDI65在所有品种中达到最高值，其中Marta和Lauranne的增幅尤为显著。这表明亏缺灌溉减少的灌溉水量远大于产量下降比例，从而显著提高了单位水量的仁产量。

### 3.4 扁桃仁品质

物理品质方面，仁重、尺寸、干物质含量等指标对灌溉处理的响应有限，且主要呈现品种依赖性。多数处理组合中，中度亏缺灌溉维持甚至提高了仁率（kernel ratio），但仁重和干物质基本稳定。脂质组成方面，DI未造成油酸比例下降或脂质谱的明显劣化。在部分品种中，亏缺灌溉甚至维持或提高了O/L比值和MUFA含量，例如Marta品种在SDI65下O/L比显著高于FI，表明适度亏缺有利于增强氧化稳定性。总酚含量（TPC）是生化指标中对灌溉策略最敏感的响应变量。在Cartuja果园，Guara的TPC从FI下的2.29 mg GAE g^?1增加到SDI65下的5.06 mg GAE g^?1，Marta和Lauranne也表现出不同程度升高，反映了水分胁迫对次级代谢的诱导效应。糖类和有机酸方面，蔗糖浓度在SDI处理下普遍升高，特别是在Cartuja的Guara和Lauranne中，SDI75较FI显著增加蔗糖含量；苹果酸在多个品种×果园组合中于亏缺处理下积累增加。总体而言，两种DI策略均未损害仁品质，反而在特定条件下改善了与感官品质和潜在市场价值相关的生化性状。

### 3.5 经济效益

成本结构分析表明，直接成本占总生产成本的约86%，间接成本约占10%，其他成本占4%。灌溉策略未改变任何成本类别，总成本差异主要由品种特性决定，而非灌溉量。在Montana，150-ETc在多数品种中产生最高收入和毛利润，但RDI65在Guara和Lauranne中达到与150-ETc相当或接近的净收益，同时用水量大幅减少。经济水分生产力（欧元每立方米）在所有品种中一致以RDI65最高（Guara为2.48，Marta为1.89，Lauranne为1.91），远高于FI（分别为1.86、1.58、1.34）和150-ETc（分别为1.37、1.67、1.15）。在Cartuja，Guara的收入和利润随亏缺程度增加而下降，Marta在三种处理下收入与利润保持稳定，Lauranne在FI下最高、SDI65居中。经济水分生产力在SDI处理下显著提高，其中SDI65在Marta（2.16 EUR m^?3）和Lauranne（1.99 EUR m^?3）中达到最高值，较FI（1.43和1.42）提高约50%。研究还通过需求函数理论框架说明，亏缺灌溉带来的品质改善和可持续生产形象可能促使消费者偏好正向移动（偏好参数T上升），在供给不变条件下推动市场需求曲线外移，从而提高市场价格，为生产商带来额外收益。

## 四、讨论与结论

研究讨论指出，RDI和SDI所施加的亏缺时序差异决定了不同的生理响应模式，证实了胁迫动态与胁迫强度同等重要。品种间差异（Marta的高敏感性、Lauranne的保守性、Guara的中间型）与已有文献报道一致。两个果园的结果共同确认，基于植物的生理指标（Ψ_leaf和g_s）可作为精准灌溉调度中定义亏缺阈值的可靠操作工具。

产量和经济效益方面，RDI在Montana较SDI在Cartuja产生了更强的品种分化，而SDI在多数品种中维持了产量稳定并一致提高了灌溉水生产力。绝对盈利性与水分利用效率之间存在明确权衡：当水资源不受限时，过量灌溉（150-ETc）在某些品种（如Marta）中可实现产量和利润最大化；但在水资源受限情景下，亏缺灌溉提供了最具经济效率的用水方案，尤其以RDI65（Montana）和SDI65（Cartuja）最为突出。

品质方面，DI在保持物理品质稳定的同时，可增强酚类化合物积累、提高蔗糖含量并改善脂质组成，这些变化与消费者对健康、可持续产品的偏好相契合，可能支持溢价销售。结合消费者研究文献，可预期水高效栽培模式与可持续信息传播的共同作用将提升产品感知价值和支付意愿。

综合以上，本研究将生理指标、农艺产量、果实品质和经济效益整合于同一评估框架中，为地中海环境下扁桃园的亏缺灌溉作为可扩展的精准灌溉策略提供了操作层面的实证支持。结论明确，亏缺灌溉在实现节水的同时维持了仁品质，并在多个品种中提高了单位水量的经济回报，是水资源稀缺条件下扁桃可持续生产的推荐策略。