灌溉制度对美国西南部多作物水分生产力的影响

《Agronomy》：Irrigation Regime Effects on Multi-Crop Water Productivity in the US Southwest

　　

在传统灌溉方式向加压灌溉转变的背景下，考虑到美国西南部的水资源短缺，研究人员评估了不同灌溉系统和灌溉定额对由甜瓜(Cucumis melo L.)、西兰花(Brassica oleracea var. italica)和青贮玉米(Zea mays L.)组成的多作系统中作物产量(Y)和水分生产力(WP)的影响，试验在亚利桑那州干旱条件下进行。田间试验比较了漫灌(F)和地下滴灌(SDI)系统在两种作物蒸散量(ETc)替代水平（100%和80%）下的表现，形成四种处理：F100、F80、SDI100和SDI80。研究人员测量了季节总灌水量(TWA)、作物产量、水分生产力以及青贮玉米饲草品质参数。灌溉系统的影响因作物而异，甜瓜在漫灌下获得最高产量，F100处理观测到最大产量（63.8 t ha?1）。同时，甜瓜产量在亏缺灌溉和SDI处理下下降（F80、SDI100和SDI80分别为57.2、39.8和27.4 t ha?1）。相比之下，西兰花和青贮玉米在SDI下表现通常更好，更频繁的灌水可能改善了根区土壤水分状况并提高了水分生产力。对于西兰花和青贮玉米，亏缺灌溉在不显著影响产量的前提下显著提高了WP。西兰花WP范围为3.9 kg m?3（F100）至6.3 kg m?3（SDI80），而青贮玉米WP在漫灌下从8.7至8.8 kg m?3增加到SDI下的11.6–12.8 kg m?3。灌溉系统或灌溉定额未显著影响青贮玉米饲草品质参数，表明适度水分亏缺在改善季节水分利用的同时未损害营养价值。总体而言，亏缺灌溉减少了季节用水量并提高了WP，在地下滴灌下观察到最大效益。结果证明了作物对灌溉管理的特异性响应，强调了定制优化策略的必要性。此外，研究发现带有适度亏缺灌溉（80% ETc）的SDI能在节水与生产之间提供有效平衡，在干旱条件下提高WP而不损害产量或质量。

该研究发表于《Agronomy》，针对美国西南部尤其是亚利桑那州面临的水资源短缺、科罗拉多河供水减少及蒸发需求增加等严峻挑战，传统漫灌仍占主导但效率低下，而加压灌溉推广不足。现有研究缺乏该地区多作物轮作系统下不同灌溉方法与水分管理制度的对比数据。为此，研究人员开展田间试验，评估漫灌与地下滴灌(SDI)及100%与80%作物蒸散量(ET_c)替代水平对甜瓜、西兰花和青贮玉米产量、水分生产力(WP)及品质的影响，旨在识别干旱条件下各作物兼顾节水与性能的优化灌溉策略，对农业可持续发展具有重要意义。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：在亚利桑那大学马里科帕农业中心开展2×2因子随机完全区组设计试验，设漫灌(F)与地下滴灌(SDI)及100%与80% ET_c共4处理各3重复；依据FAO-56程序通过中子水分仪监测土壤水耗尽(SWD)计算灌溉量并考虑淋洗分数(LF)；按作物特定温度阈值计算累积生长度日(GDD_cum)描述生长；收获测定市场产量(Y)并按Molden等公式以总灌水量(TWA)计算水分生产力(WP)；青贮玉米分析中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、粗蛋白(CP)、总可消化养分(TDN)和淀粉等营养参数；采用Python普通最小二乘模型进行因子方差分析及变异系数评估。

研究结果

3.1. Cantaloupe

3.1.1. Cantaloupe Growth and Irrigation Assessment

研究人员通过累积生长度日(GDD_cum)与总累计灌水量(TWA_cum)评估发现，基于100% ET_c，甜瓜在漫灌下用水约870 mm，较SDI的614 mm多30%；各生育期TWA_cum均为F100高于SDI100，差异随生育进程扩大，季节总水量受天气、土壤、淋洗分数及作物需求共同影响。

3.1.2. Cantaloupe Yield and Water Productivity

研究人员测得甜瓜产量27.4–63.8 t ha^?1，最高为F100，最低为SDI80；产量随TWA增加呈正向趋势，但WP在各方法内相对稳定（F100=7.3, F80=7.6, SDI100=5.4, SDI80=5.3）。统计显示灌溉方法对Y影响极显著(p < 0.001)，F优于SDI；灌水率亦显著(p = 0.006)，100%优于80%；方法对WP显著(p = 0.004)，灌水率不显著(p = 0.296)。变异系数(CV)显示全灌溉下Y与WP变异性低（3–4%），亏缺滴灌SDI80变异性高（约19%）。

3.2. Broccoli

3.2.1. Broccoli Growth and Irrigation Assessment

研究人员计算西兰花GDD_cum约1229 °C达成熟，全灌溉下各阶段TWA_cum总体F100高于SDI100；尽管F100比SDI100多灌约20%、比SDI80多38%，却减产约2 t ha^?1，且同系统内全灌溉产量低于亏缺处理，故SDI80产量最高且WP同步最高。

3.2.2. Broccoli Yield and Water Productivity

研究人员获西兰花产量F100=19.4、F80=21.0、SDI100=21.1、SDI80=21.2 t ha^?1，WP分别为3.9、4.9、5.2、6.3 kg m^?3。滴灌优于漫灌，亏缺处理不损产量且提升WP。ANOVA显示Y受区组显著(p = 0.048)而非处理影响，WP受方法(p = 0.002)与率(p = 00.009)显著且无非显著交互；CV显示全灌溉均匀（SDI100=4.3%, F100=7.0%），亏缺变异性增大（SDI80=15.2%, F80=16.7%）。

3.3. Silage Corn

3.3.1. Silage Corn Growth and Irrigation Assessment

研究人员记录青贮玉米GDD_cum对应各生育期，全灌溉TWA_cumF100共760 mm、SDI100共613 mm；漫灌营养生长期需水量大且间隔大水导致总量高20%，SDI高频少量减水保墒且效率高，地下水深无深层渗漏。

3.3.2. Silage Corn Yield and Water Productivity

研究人员得青贮玉米生物量调至65%含水率产量：F100=66、F80=53、SDI100=71、SDI80=61 t ha^?1；WP为F100=8.7、F80=8.8、SDI100=11.6、SDI80=12.8 kg m^?3。全灌溉产量高于亏缺，但同水平下SDI产量高于F且TWA低约20%，WP显著受方法影响(p = 0.012)，率与交互不显著。CV全灌溉低（SDI100=7.4%, F100=5.8%），亏缺增高（SDI80=22.4%, F80=10.5%）。

3.3.3. Silage Corn Nutritional Quality

研究人员分析青贮玉米品质参数NDF、ADF、CP、TDN、淀粉，显示亏缺下淀粉略降、NDF与ADF微增，但ANOVA均无显著差异(p > 0.05)；CV显示NDF低（4–9%）、CP低（<8%）、TDN极低（2–4%），淀粉变异性较高尤SDI80（13–21%），F80为7.65%，残差正态满足。

讨论部分总结

研究人员讨论指出甜瓜在漫灌高产源于沙黏壤土有效淋盐及宽湿润锋需求，亏缺滴灌产量降幅大且与盐分积累有关，若最大化产量选F100，节水可考虑SDI100或F80；西兰花滴灌高频保墒控盐适浅根且适度亏缺防过湿优产提WP，SDI80最优；青贮玉米响应近西兰花，SDI稳根区水分盐分提WP，亏缺引空间变异但品质具生理韧性不受中度和盐管理影响，全灌溉稳产出。强调作物特异性与轮作中定制灌溉之必要。

结论部分翻译

本研究评估了两种灌溉系统：漫灌(F)与地下滴灌(SDI)系统，以及两种作物蒸散量(ET_c)替代水平（100%和80%）对亚利桑那州干旱条件下甜瓜(Cucumis melo L.)、西兰花(Brassica oleracea var. italica)和青贮玉米(Zea mays L.)作物产量(Y)和水分生产力(WP)的影响。基于研究结果，甜瓜在漫灌下表现最佳，F100处理观测到最大Y，这可能归因于其对宽湿润锋和有效淋洗分数的需求。然而，西兰花和青贮玉米在地下滴灌系统下获得了更高的Y和WP，而适度亏缺灌溉（80% ET_c）在不显著减产前提下提高了两作物的WP。对于青贮玉米，饲草品质性状在各处理间保持稳定，反映了中度亏缺与控盐下的生理韧性。总之，在多样化轮作中将灌溉策略与作物特有水分利用模式相匹配，将提升干旱作物系统的Y、WP和盐分管理。未来研究应扩大品质评估至轮作所有作物，纳入更多物种与灌溉策略，并更详细评估根系增殖、土壤水动态与盐分分布间的相互作用。此类工作将优化美国西南部等缺水地区的作物日历规划与多作物生产灌溉调度。