干旱区红地球葡萄园中环形与直形毛细管芯吸灌溉与滴灌的田间比较

《AgriEngineering》：Field Comparison of Annular and Straight Capillary Wick Irrigation with Drip Irrigation in an Arid Red Globe Vineyard

　　

毛细管芯吸灌溉提供了一种被动的缓慢供水方式，但比较不同芯吸配置与常规滴灌的田间证据仍然有限。本研究在中国西北宁夏的红地球葡萄园田间试验中，比较了环形毛细管芯吸灌溉（AI）、直形毛细管芯吸灌溉（SI）、滴灌（DI）以及仅依赖降雨的非灌溉对照（NI）。每个灌溉试验单元由一个 reservoir（储水容器）供应三株葡萄，并接受4次90 L灌溉事件，对应每试验单元季节性灌溉量360 L。研究人员评估了监测10 cm深度处的局部土壤水分、营养生长、浆果发育、产量、果实品质性状、生理指标及灌溉水生产力。与DI下较快速的灌溉后响应相比，毛细管芯吸处理通常表现出更持久的局部土壤水分响应。AI在供试处理中获得了最高的处理平均产量（11.97 kg 试验单元^?1）、灌溉水生产力（0.033 kg L^?1）、最终百粒重（864.49 g）和可溶性固形物含量（18.77%）。基于13项指标的AHP–熵权法评价将AI排在第一（0.8765），其次为SI（0.5129）、DI（0.4860）和NI（0.3502）；使用平均SPAD读数的敏感性分析也保留了相同的处理顺序。由于存档数据集无法对所有响应变量一致地重建试验单元身份，处理差异被描述性地解释，而非作为推断性统计效应。这些结果提供了初步的田间证据，表明环形毛细管芯吸灌溉作为一种供水配置值得进一步工程评估，但在其更广泛应用之前，需要直接测量水力流量、空间湿润模式和长期运行可靠性。

**干旱区红地球葡萄园灌溉配置田间比较研究解读**

**1. 研究背景与问题**
干旱和半干旱地区水资源短缺及大气需水变化，使灌溉管理成为葡萄生产的关键环节。灌溉效果不仅取决于季节性灌水量，还受灌溉时间、位置和输送速率影响，这些因素共同决定树体水分状况、产量、浆果品质及水分生产力。当前葡萄园灌溉策略包括地表/地下滴灌、根区直接输送、调亏灌溉及基于传感器或数据的调度等。已有研究表明，这些方式可改变土壤水分-根系耦合关系、根系分布及产量。然而，毛细管芯吸灌溉作为一种通过纤维介质被动缓慢供水的技术，虽已被证实可无需压力输送水分，但关于其不同几何配置（环形与直形）在相同葡萄园条件下与常规滴灌的直接田间对比，证据仍然有限。为此，研究人员在宁夏玉泉营农场的红地球葡萄园中，开展了环形毛细管芯吸灌溉（AI）、直形毛细管芯吸灌溉（SI）、滴灌（DI）和仅降雨对照（NI）的田间比较试验。该研究假设：毛细管芯吸配置的缓慢释放会导致监测10 cm位置处的土壤水分响应比DI的脉冲式响应更持久；目标是比较局部土壤水分和作物响应，评估各灌溉处理的产量和灌溉水生产力，并提供多指标的综合描述性评价。

**2. 研究设计与主要方法**
试验于2017年5月至9月在中国西北宁夏回族自治区玉泉营农场约0.67 ha的鲜食葡萄园内进行。每个处理包含3个独立供水单元，每个单元由一个90 L储水容器及配套输送系统供应3株红地球葡萄，全季共4次灌溉（5月12日、6月7日、7月6日、8月24日），每单元每次灌水90 L，季节总灌水量360 L。AI配置将芯吸纤维以环形布置于葡萄基部/根区表面；SI使用直形芯吸元件；DI通过三条开口向地表供水；NI无灌溉装置。监测项目包括10 cm深度局部土壤水分、副梢和叶主脉生长速率、浆果纵横径发育、百粒重、产量、可溶性固形物含量（SSC）、可滴定酸、脯氨酸、花青素、SPAD叶绿素相对值及灌溉水生产力（IWP）。数据因存档限制无法一致重建各试验单元身份，故所有比较均为描述性统计。综合评价采用13项指标的AHP–熵权法：层次分析法（AHP）确定主观权重，熵权法基于信息离散度计算客观权重，再组合成综合权重；并以平均SPAD读数进行敏感性分析。

**3. 研究结果**

**3.1 局部土壤水分与营养生长**
在监测的10 cm深度处，四种处理呈现不同的时间动态土壤水分模式。DI在灌溉后表现出相对快速的响应随后下降，而毛细管芯吸处理（AI和SI）通常呈现更渐进和持久的局部响应；SI在部分时期读数较高。副梢和叶主脉生长速率在处理间存在差异：SI平均副梢生长速率约0.47 cm d^?1，AI约0.46 cm d^?1，DI约0.34 cm d^?1，NI约0.16 cm d^?1。

**3.2 百粒重、平均SPAD读数、产量和灌溉水生产力**
AI在最终百粒重达到864.49 g，约为NI值的1.4倍和DI值的1.1倍。SPAD作为仪器指数值报告，而非叶绿素绝对浓度。在相同灌溉制度下，AI获得最高的处理平均产量（11.97 kg 试验单元^?1）和灌溉水生产力（0.033 kg L^?1），均高于其他灌溉处理。SI在多个观测日期具有最高或接近最高的平均SPAD读数，但处理排序在整个观测期间并不一致。

**3.3 浆果发育与果实品质**
浆果纵横径生长速率以mm d^?1表示。SI在7月29日–8月5日横径生长达到0.2638 mm d^?1，8月16–23日纵径生长为0.1592 mm d^?1；AI在8月16–23日纵径生长为0.1991 mm d^?1。最终SSC在AI下达到18.77%；NI的可滴定酸在9月18日达到1.3 g L^?1；脯氨酸在AI和SI下先升至9月18日后下降，DI在后期略有上升，NI保持不变；SI最终花青素含量最高（0.695 mg g^?1）。这些均为处理平均水平，未显示误差棒或推断统计。

**3.4 综合评价**
采用最终13项指标的描述性AHP–熵权法评价，AI综合得分最高（0.8765），其次为SI（0.5129）、DI（0.4860）和NI（0.3502）。以平均SPAD读数替代方案进行的敏感性分析保留了相同排序（AI 0.8719 > SI 0.5418 > DI 0.4936 > NI 0.3354）。但AI并非在每项单独响应指标中都排名第一；该评分仅基于所选指标和权重框架，并非统计显著性检验。

**4. 讨论总结**
讨论指出，毛细管芯吸处理下更缓慢的局部水分响应与纤维介质中非饱和传输及芯吸-土壤界面的再分布物理过程一致。但传感器位置、芯吸接触面积、水力阻力和土壤性质都可能影响局部读数；由于缺乏土壤水力参数，无法定量归因。作物响应呈异质性，AI在产量、IWP、百粒重和SSC上表现最佳，但其他生理和品质指标未呈现统一排序，表明存在与环境相关的权衡。综合评价的排序在敏感性分析中稳健，但仅是描述性结果。运行方面，观测到芯吸堵塞（藻类和沙粒积累）和清理维护事件，说明运行可靠性需进一步评估；未来研究应校准流量比（q/q₀）和检查周期。研究局限包括单点、单季、每处理仅3个独立单元、布局随机记录不完整、未测量三维湿润体、深层渗漏及完整水力特性。未来需采用更大样本量、单元级水力监测、多深度/多距离土壤水分测量及多年多点验证。

**5. 研究结论**
本田间研究在干旱条件下红地球葡萄园中，比较了环形毛细管芯吸灌溉、直形毛细管芯吸灌溉、滴灌和仅降雨对照。在监测的10 cm土壤位置，毛细管芯吸处理通常表现出比滴灌下相对快速的灌溉后响应更持久的土壤水分时间动态。在8月24日启动的第四次灌溉中，DI约在8月27日前完成水分释放，而大多数毛细管芯吸单元持续至约8月30日。处理在营养生长、浆果发育和果实品质方面显示出不同响应模式，而非所有变量一致排序。在测试的灌溉制度下，AI获得了最高处理平均产量（11.97 kg/试验单元）、灌溉水生产力（0.033 kg L^?1）、最终百粒重（864.49 g）和最终可溶性固形物含量（18.77%）。在最终13项指标描述性AHP–熵权法评价中，AI排名第一（0.8765），其次为SI（0.5129）、DI（0.4860）和NI（0.3502）；SPAD敏感性分析保留了相同排序。这些值取决于所选指标，不代表统计显著性或普遍优越性。结果将环形毛细管芯吸灌溉确定为值得进一步工程评估的田间配置，但并未确立环形芯吸几何形状的普遍水力优势。在做出更广泛推广之前，需要直接测量单元级流量、水头、多深度和多距离土壤水分、空间湿润模式及长期维护性能。