低压喷灌水肥多过程运移规律与作物调控机制研究综述

《Agronomy》：A Review on Multi-Process Movement of Water and Nutrients in Low-Pressure Sprinkler Irrigation and Related Crop Regulation Mechanisms

　　

摘要 低压喷灌结合水肥一体化是可持续农业的一种有前景的途径。然而，降低工作压力会改变喷头水力性能、水滴特性及灌溉均匀度，进而影响水滴蒸发与飘移、冠层截留、土壤入渗及田间微气候，最终影响作物生长和资源利用效率。目前，尚缺乏对这些相互关联过程的系统整合。本综述通过整合水力工程、土壤物理学、微气象学和作物生理学等多学科知识，系统梳理了低压喷灌领域的研究现状，涵盖喷头水力性能、水肥运移及作物响应机制，并指出了未来研究的优先方向。基于对现有研究的批判性评估，得出以下关键发现。在水力性能方面，非圆形喷嘴和分流装置可在低压条件下改善射流破碎和均匀度。其中，非圆形喷嘴通过轴切换效应增强射流不稳定性和空气卷吸，而散水针和偏轴旋转散水板可有效改善喷头近处水量分布。在水肥运移方面，低压增大了水滴直径和动能，减少了蒸发和飘移损失。冠层会改变穿透水滴特性，影响土壤结构、入渗和侵蚀。一个值得注意的发现是，土壤水分再分配对较低的灌溉均匀度具有补偿作用，使根区土壤水分更加均匀，而土壤氮素均匀度则与喷灌均匀度较为接近。在作物响应方面，喷灌可改善田间微气候（降温和增湿），增强作物光合作用并减少蒸腾，从而提高产量和水分利用效率。重要的是，在现有研究报道的特定条件下，灌溉均匀度的降低并未显著降低产量，这得益于较低的损失和土壤补偿作用。然而，现有微气候研究大多基于中高压系统，低压条件下的响应机制尚不明确。未来研究应优先关注四个方向，包括低压喷头的长期性能与经济可行性、水肥运移的多过程耦合模拟与环境风险评估、低压条件下的田间微气候响应与作物生理机制，以及针对不同作物和区域的系统调控策略。本综述为优化喷灌中水、能源和肥料协同增效提供了整体性基础。

3. 低压条件下喷头的水力特性

喷头是喷灌系统的核心部件，其水力性能决定了水和肥液在空间上的分布、能量特性以及系统整体效率。在低工作压力下，传统喷头依赖高动能实现自然破碎和分散的效果显著减弱，通常导致湿润半径缩短、水量分布不均和滴谱变粗等问题。因此，低压喷头设计的重点已不再单纯依赖压力，而是转向采用精确设计的流散装置，主动控制和改善射流破碎与扩散过程。这一设计转变凸显了一个关键科学问题：开发先进的低压灌溉技术和装备，首先需要深入理解水或肥液射流在喷头内部及喷头邻近区域的运动规律，这需要从喷头射流的运动分散和扰动分散两方面进行分析。

3.1 喷灌射流运动与分散机理

喷头射流破碎是指水从喷嘴射出后，在内部湍流扰动、空气阻力和表面张力的共同作用下，连续射流逐渐失稳，经历扰动、波形成和液丝断裂等阶段，最终破碎为水滴群的过程。实现喷头均匀配水取决于对射流破碎过程的精确控制。在低压条件下，驱动自然破碎的动能显著降低，使这种控制更加困难。在不采用外部流散装置的情况下，改变喷嘴形状成为控制射流破碎的首选途径。圆形喷嘴因其能量损失小、射程远、制造简单、成本低且性能可靠而成为喷头的首选。当工作压力降低时，研究者尝试采用非圆形喷嘴增强射流不稳定性，从而促进射流破碎。Jiang等利用高速摄影技术对低压中压条件下圆形、方形和三角形喷嘴的射流破碎过程进行了试验研究，结果表明非圆形喷嘴显著增强了射流不稳定性，其中三角形喷嘴的破碎长度最短、破碎程度最高，射流扩散角按三角形、方形、圆形依次减小。在此基础上，Hua等结合高速摄影试验和大涡模拟系统研究了非中压条件下非圆形喷嘴射流的轴切换行为及其机理。数值结果表明，轴切换现象由多边形孔口产生的角涡驱动，角涡诱导射流核心边界处流体粒子的径向运动，使射流横截面在流动过程中发生周期性旋转，方形射流旋转90°，三角形射流旋转120°。这一过程显著增强了射流与周围空气的混合，非圆形喷嘴的空气卷吸率约为圆形喷嘴的三倍。Hua等进一步利用二维视频测雨仪研究了喷嘴形状对喷洒水滴粒径分布的影响，发现随着喷嘴形状系数增大，射流雾化加剧，水滴群更密集、更均匀，其中三角形喷嘴的雾化性能最佳。然而，当工作压力降低到一定程度时，非圆形喷嘴会在射程末端产生较高的单位功率峰值，这一缺陷需要有效补偿，辅助流散装置如散水针或旋转臂可以解决这一问题。

3.2 喷灌射流扰动与分散机理

上述关于圆形和非圆形喷嘴喷头射流及水力性能的研究大多集中于单流道喷头。对于此类喷头，散水针和旋转臂是设计中两种典型的流散装置，其核心功能是在射流破碎不足时主动干预并强制分散水流，从而改善配水均匀度。这种主动干预在低压条件下尤为重要。冲击式喷头的正常运行依赖于充足的水流动能，低压条件下可能出现间歇驱动和旋转停滞等问题。目前低压喷头射流扰动研究多集中于散水针这一分散装置。为探究散水针诱导的射流破碎，Pan等采用流体体积法结合重叠网格和自适应网格细化技术，系统开展了数值模拟和高速摄影试验，研究了散水针插入深度、锥角和距喷嘴出口距离等关键结构参数的影响。结果表明，散水针的引入将射流平均轴向速度划分为四个特征区域：稳定区、衰减区、恢复区和波动区。增大插入深度或锥角、或减小距喷嘴出口的距离，均显著加剧射流能量耗散，表现为大尺度涡、涡带、波状涡和涡环结构增多，熵产率升高，最终导致射程缩短。同时，速度衰减区空气卷吸率急剧上升，促进更多液膜、液丝和水滴的形成，从而改善喷头近处水量分布。相比之下，间歇式散水针可在不牺牲旋转喷头射程的前提下增强喷头近处配水。这些研究为理解低压喷灌条件下散水针的能量耗散机理及优化其结构参数提供了重要理论依据。

除改变喷嘴形状和加装散水针外，改善低压喷灌均匀度的另一有效途径是采用多流道喷头，如固定散水板喷头和旋转散水板喷头。这类喷头通过引导射流撞击特制的散水板，在较低工作压力下实现更均匀的配水。对于固定散水板喷头，Chen等研究了散水板结构对水滴特性和配水的影响，结果表明浅槽散水板在低压下可实现更均匀的配水，而深槽上弯散水板可在低压下维持较长的射程。由于固定散水板喷头易产生配水高峰，Liu等证实具有多流道的旋转散水板喷头性能优于固定散水板喷头，在低压下可实现更均匀的配水。多流道喷头将单股射流分为多股小射流，射程通常较短，一般为6至8米，主要用于大型移动灌溉机组。对于固定式喷灌系统，通常需要大于8米的间距以控制喷头数量和系统成本。为解决这一问题，Nelson灌溉公司开发了偏轴旋转散水板喷头，工作压力范围为150至250千帕，通过摆动和旋转运动使射流间歇占据3至5个流道，在保持长射程的同时实现了均匀配水。

上述研究从喷嘴形状、散水针参数和散水板结构等多个方面系统探讨了低压条件下喷头水力性能的影响机理和优化途径，为低压喷头结构设计提供了重要理论依据。然而，喷头结构设计仅是产品开发的第一步，后续的材料选择、制造工艺、装配精度以及长期运行中的磨损和老化等因素都会显著影响喷头的实际水力性能。因此，除结构优化外，仍需开展融合材料科学和制造工程的系统性应用研究，以实现低压喷头的高效、可靠、低成本生产和推广应用。

4. 喷灌过程中水肥的运移规律

从喷头喷嘴射出到进入土壤有效根区，喷灌中水肥的运移过程主要包括三个部分：液滴在空气中的蒸发与飘移、作物冠层的截留与蒸发、以及水分和养分在土壤中的入渗。阐明喷灌条件下水肥的多过程运移至关重要，这是防止喷灌可能造成的空气污染、土壤表层侵蚀和农业面源污染的关键。

4.1 水滴直径与动能

喷洒水滴的直径及其携带的动能是贯穿上述三个过程的重要参数。水滴直径和动能直接决定空气中蒸发和飘移的强度、冠层截留的比例以及土壤水分入渗速率。如果水滴直径过小，受风影响显著，蒸发和飘移增加，降低灌溉质量和肥料利用效率。喷灌条件下水滴速度与直径呈对数关系，较大水滴通常具有更大的动能。如果水滴直径过大，落地时的高动能会造成土壤表层结皮，阻碍水肥入渗，甚至诱发地表径流，导致水、土、肥流失。水滴直径通常采用基于数量和基于体积的两种平均方法表征，其分布可用上限对数正态分布模型或指数函数模型描述。水滴直径测量方法包括面粉法、色斑法、雨滴谱仪、粒子图像测速和低速摄影等。现有研究表明：喷头平均水滴直径沿射程方向逐渐增大；喷头在较低工作压力下运行时，射程末端水滴直径增大，但近处和中部水量减少，射程缩短；水滴直径分布模式与喷头结构有关。对于移动喷灌系统中常用的低压散水板喷头，Chen等发现相同压力下深槽固定散水板喷头产生的水滴直径更大、冲击动能更高。Hui等发现固定散水板喷头的水滴剪切应力大于旋转散水板喷头。对于固定式喷灌系统，Chen等以典型低压旋转喷头为对象，研究了相同流量下圆形和非圆形喷嘴对水滴特性的影响，发现工作压力低至200千帕时，圆形喷嘴射程末端水滴直径和峰值单位功率分别为非圆形喷嘴的1.43至1.93倍和1.11至1.80倍。过大的局部动能会加剧对土壤表面的冲击，可能导致土壤压实和地表径流增加。除喷灌条件下的水滴试验外，许多研究者提出了计算水滴轨迹、动能和配水的数学模型。基于弹道轨迹法，Hua等引入WAVE破碎模型描述大水滴在飞行过程中的二次破碎。Zhang等评估了考虑分段破碎的水滴运动模型相比未考虑二次破碎的常规模型对水滴轨迹模拟的影响，结果表明改进模型将水滴落地距离的模拟精度提高了53.45%至72.86%，喷头工作压力对水滴落地距离影响最大。精确计算水滴落点有利于改进后续喷头配水和水滴冲击动能的预测。

4.2 水滴在空气中的蒸发与飘移

上述研究大多在实验室条件下进行。然而，在实际田间喷灌中，喷洒水滴的运动还受到风、温度和作物冠层等多种因素的影响，其中风和温度影响喷灌水滴的蒸发和飘移损失。蒸发和飘移损失是喷灌系统研究、设计和管理中必须考虑的重要参数，水滴蒸发模型可为其提供科学预测。Ranz和Marshall首次提出了水滴传热传质理论。Thompson等开发了喷洒水滴蒸发-作物冠层模型，通过测量空气温度和水汽压间接获得水滴蒸发速率，发现蒸发速率与喷嘴安装高度成正比。尽管上述水滴蒸发模型可对蒸发和飘移损失提供科学预测，但这些损失实际上受环境条件、喷头结构和工作压力的复杂组合影响。此外，对于水肥一体化喷灌系统，喷洒水滴的蒸发和飘移还伴随肥料挥发。Wang等对低压喷头中心支轴喷灌系统下苜蓿的田间试验表明，喷灌施肥条件下，黄昏施用尿素氨挥发损失最低，显著低于早晨和中午施用。瞬时氨挥发通量与温度呈显著正相关，与风速、辐射和相对湿度的相关性因处理而异且总体较弱或不稳定。为明确工作压力对水滴蒸发和飘移的具体影响，Zhang等进行了全球荟萃分析，结果表明工作压力显著影响风飘移和蒸发损失。值得注意的是，风飘移和蒸发损失相对于对照条件的增加百分比与工作压力正相关，100至200千帕时平均增幅最低为38.4%，300至450千帕时平均增幅最高为101.0%。这些发现表明，低压运行不仅有利于节能，还有效减少了风飘移和蒸发损失，为低压喷灌技术的发展提供了有力支持。

4.3 喷灌条件下农田冠层截留与微气候响应

除风等环境因素外，作物冠层也显著影响喷灌水滴轨迹和配水。部分水滴降落在作物叶片上，产生冠层截留。冠层截留量与冠层结构、叶片大小和水滴水力性能等因素密切相关。目前冠层截留研究主要集中在林木和大田作物。一般认为冠层截留随叶面积指数增大而增加，随水滴直径和风速增大而减小。在存在作物冠层的情况下，工作压力对喷灌水滴特性和配水的影响变得更加复杂。Wang等发现200千帕工作压力下，冠层对水滴直径的影响呈近处增大、远处减小的规律，即喷头近处小水滴在冠层上聚并导致穿透水滴直径增大，远处大水滴与冠层碰撞破裂导致穿透水滴直径减小。同时，冠层显著降低水滴动能和剪切应力。玉米抽雄期冠层使水滴动能降低约86%，剪切应力降低2.48%至96.09%，从而减轻土壤侵蚀风险。随着水滴直径、速度、动能和入射角的变化，冠层重塑了喷灌水的空间分布。Zapata等在低风条件和完全发育的玉米冠层下观察到，低压处理冠层下方喷灌配水均匀系数高于冠层上方，而标准压力处理则呈现相反趋势。Hui等的研究结果则不同，三种低压喷头冠层上方均匀系数分别为78.1%、95.7%和93.7%，而冠层下方分别降至73.5%、72.0%和63.3%。这些差异主要归因于喷灌系统运行方式、作物种类和生育阶段的差异。总之，工作压力越低，冠层对水滴特性的影响越明显，增大压力可部分抵消冠层对喷灌水滴的破碎和聚并效应。

冠层改变喷灌水滴特性和配水的同时，喷灌本身也改变田间水量和热量平衡，从而影响田间微气候和环境。喷灌对田间微气候的调控作用已被大量田间试验证实。与地面灌溉相比，喷灌可显著降低冠层上方白天空气温度，降幅为1.8至3.9摄氏度，同时降低饱和水汽压差和冠层内温度梯度，减少水面蒸发3%至11%。这种降温增湿效应在晴朗、炎热、干燥和多风条件下更为明显。Zhou等在苹果园的研究进一步证实微喷弥雾可降低冠层温度并增加湿度，但当弥雾持续时间超过1.5小时后，额外降温增湿效益有限。从能量分配角度看，喷灌农田潜热通量占净辐射的67%以上，季节蒸散量为393至456毫米，能量平衡闭合比高达0.89，表明蒸散是喷灌农田主要的能量消耗过程。Tang等将喷灌对田间微气候的影响参数化并集成到作物模型中，模拟结果表明亏缺喷灌可在不显著降低作物产量的情况下提高水分生产率3%至5%。然而，上述工作大多基于传统中高压喷灌系统，低压喷灌对微气候影响的系统研究仍缺乏。低压喷灌中，由于工作压力降低，水滴直径增大，射程缩短，破碎程度降低，这些变化可能导致微气候效应发生改变。首先，低压下水滴较大，在空气中飞行时间缩短，蒸发冷却效应可能减弱，降温幅度可能低于中高压喷灌。其次，水滴穿透冠层的能力发生变化，冠层截留率和茎流率的变化影响冠层附近水汽分布，进而影响增湿效益。因此，未来研究应开展低压喷灌条件下微气候响应的专项田间观测，量化降压对降温增湿、能量平衡和作物蒸腾效率的影响。

4.4 喷灌条件下土壤表层结构与入渗过程

除改变冠层截留和田间微气候外，喷灌水滴落地释放的动能直接作用于土壤表面，改变土壤物理结构并影响水分入渗。当喷灌水滴击中土壤表面时，会造成土壤团聚体破碎以及土壤颗粒的位移和重组，降低入渗速率和入渗水量。Thompson和James认为土壤入渗速率通常随水滴动能增加而降低。当喷灌工作压力降低时，水滴直径增大，冲击动能升高，可能增加地表径流风险。Chen等通过室内土柱试验研究了喷灌强度和水滴动能对粉砂质粘壤土的影响，结果表明随着喷灌强度和单位功率增大，径流发生时间按负幂函数缩短，土壤入渗过程具有高初始入渗速率但随时间逐渐降低的特点，稳定径流速率和表层结皮容重线性增加，而稳定入渗速率线性降低。低压喷灌条件下，单位功率比水滴剪切应力更能准确反映土壤侵蚀。Hui等使用D3000低压喷头进行试验，发现增大单位功率或剪切应力均会增加初始和稳定径流速率，缩短径流发生时间，增加产沙量和表层土壤容重，但单位功率与径流速率、入渗速率和容重变化的相关系更好。不同质地土壤对水滴动能的响应不同。研究表明表层土壤的溅蚀速率与水滴单位功率呈线性正相关，溅蚀风险按砂土、壤土、粘土顺序递减，对应的溅蚀阈值动能分别为0.021、0.026和0.036焦耳每平方米每秒。作物冠层覆盖可显著降低喷灌水滴冲击动能和表层土壤溅蚀风险，玉米冠层可使径流和土壤流失减少53%至93%，溅蚀风险降低程度随冠层发育从拔节期的约40%增加到灌浆期的约90%。此外，水滴落地角也是影响溅蚀的关键因素，低压条件下落地角小于45度时溅蚀最严重。总之，喷灌水滴的动能特性、土壤质地和冠层结构共同决定土壤表面的入渗、径流和侵蚀过程，低压喷灌系统优化设计中应综合考虑这些因素。

喷灌水肥穿透表层土壤后，其在土壤中的运移和再分布以及作物根系吸收受喷灌均匀度、施肥方式、灌溉施肥制度、土壤质地和初始土壤含水量等多因素共同影响。近年来，研究者将数值模拟与室内土槽试验和田间试验相结合，系统研究了喷灌条件下土壤水分、氮素和盐分运移、硝态氮淋溶以及土壤含水量均匀度。关于土壤含水量均匀度，Chen等首次实现了喷灌中随时间变化和非均匀入渗边界的精细表征，结合土槽试验探讨了喷灌均匀度对土壤含水量分布均匀度的影响。由于土壤水分再分配，土壤含水量均匀度通常高于地面实测灌溉均匀度。Zhang等发现喷灌均匀度从81.9%降至60%时，灌溉后48小时粘壤土和粉砂质粘壤土的土壤含水量均匀度仅从83.2%降至81.4%。量纲分析进一步表明喷灌均匀度对土壤含水量均匀度影响最大，其次是饱和导水率和水分运移时间。此外，土壤含水量均匀度还受土壤初始含水量、根系深度和灌溉深度的影响。这些结果表明低压喷灌下适当降低地面灌溉均匀度不一定恶化土壤水分分布，为确定喷灌系统合理设计均匀度提供了理论依据。在土壤氮素运移方面，Chen等利用考虑硝化、反硝化和铵吸附的模型模拟了低压喷灌施肥下的水氮运移，结果表明硝态氮随水运移，而铵态氮主要保留在0至10厘米表层。增大施肥量降低土壤氮素分布均匀度，砂土中硝态氮淋溶风险较高。合理施肥策略可显著改变淋溶风险：灌溉末期施肥降低硝态氮淋溶但降低土壤氮素分布均匀度，而灌溉初期施肥促进氮素均匀分布但增加淋溶风险。对于地表施肥后喷灌的情况，Chen等进一步发现硝态氮淋溶风险主要取决于喷灌强度和灌溉持续时间，而非施肥量。间歇喷灌可显著减少硝态氮垂直运移距离，有效降低淋溶风险。对于滨海盐碱土，Chu等通过室内土柱试验证实微喷灌强度对表层土壤脱盐效果无显著差异，因此推荐较低灌溉强度以节能。总之，尽管降低工作压力降低了喷灌均匀度，但低压喷灌下土壤水分运移具有显著的再分配补偿效应，通过合理调控灌溉施肥策略，可在保持土壤含水量均匀度的同时有效减少盐分和硝态氮的深层淋溶。

5. 喷灌条件下作物的响应机制

喷灌是一种高效节水灌溉方法，其灌溉质量与作物生长密切相关，直接影响作物产量和水肥资源利用效率。目前关于喷灌均匀度、田间微气候调控和作物生理生态响应的研究成果较多，为喷灌系统优化设计和管理提供了重要依据。然而，现有研究大多基于常规中高压喷灌条件，其喷头结构、水力性能和水滴特性与低压喷灌系统存在显著差异，相关规律和结论对低压条件的适用性尚不清楚。低压喷灌模式下，喷头工作压力降低，射流破碎机制改变，直接影响喷洒水滴的粒径分布、动能特性和空间分布均匀度，可能系统性地影响冠层截留、土壤水分入渗和再分布以及养分运移等过程。同时，低压喷灌引起的水滴蒸发和飘移损失以及田间温湿度变化也可能与中高压系统不同，这些差异可能导致对作物蒸腾、光合作用、水分利用效率和最终产量形成产生不同的调控效果。

5.1 喷灌均匀度对作物产量的影响

喷灌均匀系数是衡量喷灌系统灌溉质量的重要指标。一般而言，灌溉效率和作物产量随喷灌均匀系数增大而提高，但过高的均匀系数也会增加工程投资成本。因此，确定合适的喷灌均匀系数一直是研究和实践中的关键问题。喷灌均匀系数的确定有试验法和模拟法两种。大量研究表明提高喷灌均匀度通常有助于提高作物产量，但这一关系受作物类型、灌溉制度、土壤性质和气象条件等多因素调控。Li基于考虑不同生育阶段水分亏缺的作物水分生产函数建立了模型分析，表明作物产量随克里斯琴森均匀系数增大而提高，当均匀系数从55%增至95%时，达到相同产量水平所需灌溉水量显著减少，经济最优均匀度约为90%。Yacoubi等对番茄的田间试验表明，白天喷灌因风和蒸发导致均匀度较低，造成11%的相对产量损失，改为夜间灌溉后均匀度提高，风飘移和蒸发损失从24%降至7%，相对产量损失显著降至3%。低压喷灌对作物产量的影响是近年来的研究热点，关键问题是能否在不牺牲产量的前提下降低能耗。Robles等对玉米的系统研究为此提供了关键试验证据。该研究将常规冲击式喷头和改良偏转板冲击式喷头的工作压力从常规300千帕降至200千帕，结果表明尽管低压处理季节均匀度比标准压力处理低约9%至11%，但两种低压处理的玉米籽粒产量并未显著下降。这一结果可能归因于冠层对灌溉水的再分配、茎流和截留储存以及土壤水分再分配特性显著缓冲了喷灌下地表不均匀施水的负面影响。同时，由于低压下水滴增大，低压处理的风飘移和蒸发损失略低于标准压力处理。进一步分析表明低压喷灌降低了约21%的能源成本，带来净经济效益的显著提高。总之，现有研究表明低压喷灌有潜力在苜蓿和玉米等作物上维持产量，其成功应用取决于合适的喷头喷嘴选择、间距设计以及土壤-作物系统的水分再分配能力。

5.2 作物生理生态对喷灌田间微气候的响应

喷灌过程不仅为作物供水，还通过改变田间温度、湿度和风速等环境因子直接调控冠层微气候，进而影响作物的能量平衡、水分运输和生理代谢。因此，揭示喷灌下田间微气候的变化规律及其对作物生理生态的调控机制，是优化喷灌调度和提高作物水分生产率的关键。在生理生态响应方面，喷灌创造的温和湿润田间微气候显著改善叶片气体交换参数。Zhou等对苹果树的研究发现，中层冠层适度微喷弥雾1.5小时可获得最高的净光合速率、蒸腾速率和叶片水分利用效率，延长弥雾时间至2.0小时无额外效益。该处理还维持了适当的PSII光化学效率和非光化学淬灭水平，有效缓解高温胁迫对光合系统的损伤。Liu和Kang对冬小麦田的观测表明喷灌诱导的冠层降温增湿效应可减少叶片呼吸消耗并延长功能叶活跃期。Tang等通过将喷灌对微气候影响的定量公式纳入作物模型，进一步证实了微气候改善对作物干物质积累和产量形成的正向驱动作用。在产量和水分利用效率方面，上述研究一致表明喷灌可在不增加甚至降低蒸散量的情况下显著提高作物产量。Feng等报道喷灌条件下冬小麦平均产量为9428千克每公顷，水分生产率为2.28千克每立方米，比传统地面灌溉平均水平高约30%。Liu等连续四个生长季的观测进一步证实喷灌条件下冬小麦平均产量为8.99乘以10的三次方千克每公顷，水分生产率介于1.9至2.5千克每立方米，季节净二氧化碳吸收量达41.93乘以10的三次方千克每公顷，其中75%固定在地上生物量中，表明喷灌在维持高产的同时具有较强碳汇功能。Zhou等对苹果树的研究也表明最优微喷弥雾处理使产量增加51.3%。

可以看出，喷灌期间及停止后，田间微气候的变化可显著降低作物蒸腾速率，叶片水势趋于升高。然而，上述研究大多集中于中高压喷灌系统。低压喷灌下，水滴特性的变化将直接影响水滴蒸发、冠层截留及其蒸发过程，从而改变田间水量和热量平衡，产生新的微气候特征。由于降压导致水滴直径增大，大水滴不易停留在叶片表面，倾向于产生较短的叶片湿润持续时间，这意味着低压喷灌在某些田间条件下增加冠层湿度的程度可能有限。同时，低压喷灌下水滴直径增大减少了风飘移和蒸发损失，可能改善土壤水分入渗。因此，对于低压喷灌系统，推测作物气孔导度的调控更多依赖土壤水分条件的改善而非空气湿度升高，由土壤水分再分配驱动。充足的土壤水分供应可通过根信号和叶片水势的维持间接优化气孔开度，理论上有助于维持较高的净光合速率。另一方面，叶片长时间湿润是诱发真菌病害的重要条件，低压喷灌下叶片湿润持续时间缩短有可能减少白粉病和锈病等湿度相关病害的发生。尽管现有证据证实低压喷灌下灌溉均匀度降低不一定导致作物减产，但相关的田间微气候变化可改变作物蒸腾和田间蒸散量，对作物生长和田间水分利用效率产生潜在影响。低压喷灌下水滴直径与冠层截留率的定量关系，以及冠层截留减少对冠层温度、湿度、能量平衡和作物蒸腾效率的实际影响，目前量化程度仍然不足，有待进一步探索。

6. 低压喷灌未来研究方向

总体而言，低压喷灌在能耗、水力性能、水肥运移和环境影响之间涉及多重权衡。尽管降低工作压力具有节能潜力，但可能降低喷头流量和射程，可能需要更长的灌溉持续时间或更多喷头。同样，较大水滴可减少蒸发和飘移损失，但也可能增加土壤结皮、径流和侵蚀风险，而射流破碎不足可能损害配水均匀度。因此，未来研究应综合考虑这些相互关联的权衡，优化喷头设计和系统运行，以提高整体灌溉性能。

6.1 低压喷灌系统的长期性能与经济可行性

目前商用低压喷头主要由Nelson和Netafim等国际知名灌溉公司生产，存在技术保密性强和价格高等问题，极大阻碍了低压喷灌技术的推广应用。现有研究虽初步探讨了影响低压喷头性能的关键参数，但喷头实际性能不仅取决于结构设计，还取决于材料选择、制造工艺、装配精度以及长期运行中的磨损和老化等因素。这些因素如何影响低压喷头的使用寿命、水力稳定性和田间灌溉效果仍缺乏系统研究。此外，尽管已有研究证明了低压喷灌的节能潜力，但系统尺度的实际节能效益需进一步评估。较低工作压力必然影响喷头水力性能，可能要求更长的灌溉持续时间或更多喷头数量，压力需求的降低不一定直接转化为总能耗或运行成本的同比例降低。未来研究应开展长期田间试验，量化不同系统设计、运行条件和作物生产情景下低压喷灌系统的实际节能能力。同时，需要从全生命周期角度评估低压喷灌系统的经济可行性，综合考虑初始设备投资、维护成本、喷头更换频率和均匀度降低可能导致的产量波动等因素。目前低压喷灌系统的成本效益分析仍十分有限，特别是与常规中高压喷灌系统和滴灌系统的经济比较。未来研究应将长期田间耐久性试验与技术经济分析相结合，揭示低压喷头水力性能的退化规律，建立成本效益模型综合评价能耗、设备投资、维护成本和作物生产力，探索低成本高性能制造工艺和优化系统设计，以降低投资门槛，促进低压喷灌技术的推广应用。

6.2 低压条件下水肥运移多过程耦合与环境风险评估

低压喷灌过程中，水肥从喷头排出后经历空气中蒸发和飘移、冠层截留和再分配、土壤入渗和养分转化等多个相互关联的阶段。这些阶段并非独立发生，而是紧密耦合、持续相互影响。例如，水滴蒸发和飘移直接改变到达冠层和土壤表面的有效水量，冠层截留影响水滴动能和穿透冠层的水量，土壤入渗也受喷灌强度和土壤结构变化的影响。然而，当前研究多集中于单一过程，缺乏多过程耦合机制的系统研究。未来研究应致力于建立低压条件下耦合水滴空中运动、冠层截留和土壤水肥运移的一体化模型，为准确预测低压喷灌系统水肥时空分布和运移提供理论依据。基于多过程耦合模型，还需开发各关联过程中水肥运移转化的预测方法，明确何种气象条件下喷灌施肥会增加大气污染风险。尽管低压运行通常产生较大水滴，可能减少蒸发和飘移损失，降低大气养分排放风险，但这一优势可能伴随其他潜在环境风险。较大水滴增加的冲击能量可促进土壤表层结皮形成，降低入渗能力，增加地表径流和水肥流失，特别是当施用溶液电导率较高时。此外，降低工作压力可能降低喷灌施用均匀度，导致肥料分布不均，增加局部氮素积累和深层淋溶风险。因此，还需确定触发地表径流导致水肥流失和面源污染的峰值喷灌强度，以及氮素淋溶变得显著的喷灌均匀度阈值，以最大限度降低地下水污染风险。此外，目前尚无成熟的从田间尺度到区域尺度的低压喷灌环境污染风险评估方法。未来研究应将长期田间观测与多尺度模型模拟相结合，建立适用于低压喷灌系统的环境风险评估方法，为低压喷灌的绿色可持续发展提供科学依据。

6.3 低压喷灌下田间微气候响应与作物生理调控机制

目前喷灌诱导微气候改变的研究大多基于中高压喷灌系统。低压条件下，水滴直径增大，空中飞行时间缩短，冠层穿透能力改变，这些变化可能导致不同的微气候响应特征，包括可能减弱的降温效应和改变的增湿模式。同时，较大水滴可能具有正负两方面效应，虽然可减少蒸发和飘移损失，但其增加的冲击能量可能促进土壤表层结皮形成，降低入渗能力，在某些土壤条件下增加土壤表面蒸发。因此，需要开展专项田间观测，量化降压对冠层温度、湿度和能量平衡的影响。此外，低压喷灌下作物生理调控途径需要阐明。尽管充足土壤水分可通过根信号优化气孔导度和维持光合速率，但较短的叶片湿润持续时间对作物健康和病害发生的影响程度仍不清楚。较大水滴可能改变冠层湿润模式和饱和水汽压差，可能影响作物蒸腾，但这些变化是否比高压喷灌增加蒸腾需要进一步试验验证。此外，较大水滴飞行时间缩短可减少大气蒸发和飘移，但也可能改变花器湿润条件，其对授粉过程的潜在影响在很大程度上仍未探索。未来研究应结合植物生理学、微气象学和土壤物理学，系统揭示低压喷灌对作物蒸腾、光合作用和水分利用效率的调控机制。同时，需要考虑未来气候情景下灌溉后微气候的响应模式。全球变暖的长期趋势可能削弱喷灌的瞬时调控优势，低压喷灌因水滴飞行时间短和冠层截留减少，其增湿降温效应可能比中高压喷灌进一步减弱。因此，未来研究应预测未来气候情景下低压喷灌的微气候响应模式，评估其在长期气候变化下的适应性。基于低压喷灌诱导的微气候环境变化，还需建立适用于不同作物的灌溉调度模型，将低压喷灌下的微气候环境因子和作物生理响应参数相结合，构建作物与微气候耦合的灌溉决策模型，通过模型模拟确定不同作物、不同生育阶段和不同气象条件下低压喷灌的灌溉制度，实现节水、增产、高效的多重目标。

6.4 低压喷灌系统高效运行与调控策略

尽管现有研究表明低压喷灌可降低能源成本并维持作物产量，但低压条件下水肥利用效率的系统评价方法仍缺乏。低压喷灌过程中，灌溉均匀度降低、水滴特性改变和土壤水分再分配等因素共同影响水肥整体利用效率，这些因素综合效应的定量研究目前不足。未来研究应发展综合考虑灌溉均匀度、水分生产率、肥料利用效率、能耗和环境效应的多目标评价方法，为优化低压喷灌系统水肥管理策略提供科学依据。低压喷灌的成功应用不仅取决于喷头结构设计，还取决于合理的系统运行和管理。喷头间距、灌溉持续时间、施肥时机和间歇灌溉制度等关键运行参数对系统性能有显著影响，但这些参数与低压条件的相互作用尚未充分探索。未来研究应探索低压喷灌系统的自适应调控策略，包括射程缩短后的优化布置方案、基于实时土壤墒情监测的适宜灌溉阈值确定方法，以及在保持水肥分布均匀度的同时减少养分淋溶的施肥制度。同时，应探索低压喷灌系统与变量灌溉和遥感等精准农业技术的集成，进一步提高水和能源利用效率。目前低压喷灌下作物响应模式的研究主要来自玉米、小麦和苜蓿等作物，对其他作物包括蔬菜、果树和经济作物的适用性仍属未知。此外，低压喷头在不同气候条件和不同土壤类型下的性能也需要系统评价。未来研究应在多作物和多气候区开展长期田间试验，建立低压喷灌产量响应、水分利用效率和经济效益的综合数据库，为制定针对不同地区和作物的低压喷灌系统设计标准和管理规范提供数据支持。

7. 结论

低压喷灌是实现节水、节能和可持续农业生产的重要技术途径。本综述系统总结了低压喷灌技术在喷头水力性能、水肥运移过程和作物响应机制方面的研究进展，主要结论如下。

首先，简单降低常规喷头工作压力会恶化水力性能，表现为水滴增大、射程缩短和配水均匀度下降。优化喷嘴几何形状和主动流散结构可有效改善低压条件下的射流破碎和灌溉性能，但现有研究大多集中于实验室条件下的结构优化。

第二，低压运行改变了水滴特性，进一步重塑了空气、冠层和土壤中的水肥过程。低压下较大水滴减轻了风飘移和蒸发损失，而较高的水滴冲击动能增加了土壤结皮和地表径流的潜在风险。土壤水分再分配具有缓冲效应，尽管地表施水均匀度较差，但使根区土壤水分趋于均匀，这种补偿效应不适用于土壤氮素分布。

第三，在适当的系统配置下，低压喷灌可维持玉米等测试作物的产量，主要得益于水分损失减少和土壤水分再分配补偿，而非冠层增湿改善。与文献记载较充分的中高压喷灌系统相比，低压条件下的微气候改变和作物生理调控途径尚未完全阐明，特别是叶片湿润持续时间缩短、冠层降温增湿能力、气孔调控和病害风险之间的权衡关系需要专门的试验量化。

最后，本综述指出了推进低压喷灌技术的关键知识缺口。重要的未来研究优先方向包括评估长期硬件性能和全生命周期经济性、开发水肥环境一体化模拟、阐明作物与微气候的相互作用，以及制定适应不同作物和区域的调控策略。