基于水分状态分类模型与作物系数-参考蒸散发方法的温室甜瓜调控亏缺灌溉策略

《Irrigation Science》：Regulated deficit irrigation strategy for greenhouse melons based on water status classification model and crop coefficient–reference evapotranspiration approach

为解决水资源短缺和灌溉效率低下问题，本文介绍了一项关于温室甜瓜（Cucumis melo L.）调控亏缺灌溉策略的研究。该研究结合作物水分状态分类模型与作物系数-参考蒸散发（Kc-ETref）方法，优化了灌溉时机与水量。结果表明，该策略在不同栽培系统中均显著提高了灌溉水生产率，在土壤栽培系统中实现了19.3%至25.7%的节水目标，且未影响产量与果实品质，为温室甜瓜的水分精准管理提供了实用方案。

　　

水资源短缺和低效灌溉是制约全球农业生产的主要瓶颈。特别是在台风和极端天气频发的台湾地区，温室栽培成为保障作物稳定的重要手段。然而，温室灌溉长期以来高度依赖种植者的经验判断，常常导致灌溉过量，不仅浪费宝贵的水资源，还可能影响作物品质。调控亏缺灌溉（Regulated Deficit Irrigation， RDI）技术被认为是一种有前景的解决方案，它通过在作物特定生长阶段施加适度的水分胁迫，达到节水、提质甚至稳产的目的。但要将RDI从理论转化为田间实践，面临两大挑战：一是如何精确确定不同生长阶段作物的需水量，二是如何实时、准确地判断作物的水分状态以确定最佳灌溉时机。缺乏一套针对特定作物和环境的、简单实用的操作流程，是RDI未能广泛推广应用的主要障碍。

为此，发表在《Irrigation Science》上的这项研究，为温室栽培的东方甜瓜“Jill”品种开发了一套整合性的RDI策略。该研究巧妙地将两种方法相结合：一是采用基于作物系数和参考蒸散发（K_c-ET_ref， 也称为FAO56方法）的途径来量化作物需水量，确定了甜瓜在不同生长阶段（营养生长、开花、坐果至成熟）的实际作物系数值。二是建立了基于植物生理反应的灌溉触发机制。研究人员识别了各生长阶段特异的气孔导度（stomatal conductance， g_sw）阈值，并开发了基于冠层温度（通过叶片与空气温差T_diff来反映）的水分状态分类模型，用以判断何时需要灌溉。

在验证阶段，研究人员提出了名为ET-RDI的灌溉策略：在坐果前，当模型判断植株水分亏缺时，按100%的估算作物蒸散发量（ET_{c est}）进行灌溉；坐果后，则施加水分胁迫，灌溉量减少至ET_{c est}的35%–60%。该策略在无土栽培（台湾农业研究所温室）和土壤栽培（台湾种苗改良繁殖场温室）两种系统中，跨越三个生长季进行了验证。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，通过水量平衡方程计算实际作物蒸散发，进而估算出不同生长季（春、夏秋季）甜瓜各生长阶段的实际作物系数。其次，通过测量气孔导度、净光合速率等生理参数，确定了平衡光合作用与水分利用效率的各阶段g_sw阈值。接着，利用分类与回归树（CART）算法，以叶气温差、空气温度和蒸汽压亏缺为预测变量，构建了能快速判断甜瓜水分状态（正常或缺水）的分类模型。最后，运用逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution， TOPSIS）这一多准则决策分析方法，综合灌溉水生产率、产量、果实品质等多重指标，对不同的灌溉策略进行综合评价和排序。

研究结果显示：

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  确立了关键生长参数：研究量化了台湾地区温室甜瓜的需水规律，获得了春季和夏秋季不同生长阶段的实际作物系数（K_{c act}）。同时，基于气孔导度与光合作用、水分利用效率的关系，确定了营养生长期、开花期和坐果至成熟期的水分状态g_sw阈值，分别为344.62、192.25和96.04 mmol H₂O m^?2s^?1。
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  开发了高效诊断模型：构建了基于CART算法的水分状态分类模型，该模型利用易于测量的叶气温差等指标，能够快速、非破坏性地诊断甜瓜是否处于水分亏缺状态，为自动化灌溉决策提供了工具。
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  验证了ET-RDI策略的有效性：在无土栽培系统中，ET-RDI策略虽然导致了产量降低和果实变小，但显著提高了果实甜度并降低了裂果率。在土壤栽培系统中，该策略取得了更为全面的成功：在保持产量和果实品质（如可溶性固形物含量、果实尺寸）不降低甚至有所改善的同时，总灌溉水量减少了19.3%至25.7%，灌溉水生产率大幅提升。
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  综合评估确认策略优势：通过TOPSIS多准则决策分析，在涵盖不同权重偏好的多种评价方案下，本研究提出的ET-RDI策略在大多数情况下（尤其在土壤栽培系统中）的综合表现优于传统灌溉实践，表明其在平衡节水、稳产和提质方面具有优越性。

综上所述，这项研究成功开发并验证了一套针对温室甜瓜的、可操作性强的RDI策略。该策略的核心创新在于将基于生理响应的水分状态实时诊断模型，与基于气候数据的作物需水量估算方法相结合，从而实现了灌溉时机与灌溉量的同步优化。研究结论表明，这种整合方法能够有效提高灌溉水生产率，特别是在土壤栽培系统中，可以在显著节水的同时保障产量和果实品质。这项工作为克服RDI技术应用中的关键障碍——缺乏简便实用的操作程序——提供了具体方案，有望推动精准灌溉技术在设施农业中的广泛应用，对于应对水资源短缺、实现农业可持续发展具有重要意义。