《Horticulturae》：Effects of Water-Saving Technologies on the Establishment and Reproductive Phenology of Five Crop Species Under Rain-Fed Conditions on Floreana Island (Galápagos)
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水资源短缺是小型海岛农业生产的主要限制因素，这些岛屿的淡水天然有限，生产系统高度依赖降雨。在加拉帕戈斯群岛，农业在当地食物供应和农村生计中发挥重要作用，但不断增强的气候变率加剧了与水相关的限制。Floreana岛尤为脆弱，因为其天然淡水源退化后，农业生产几乎完
水资源短缺是小型海岛农业生产的主要限制因素，这些岛屿的淡水天然有限，生产系统高度依赖降雨。在加拉帕戈斯群岛，农业在当地食物供应和农村生计中发挥重要作用，但不断增强的气候变率加剧了与水相关的限制。Floreana岛尤为脆弱，因为其天然淡水源退化后，农业生产几乎完全依赖降雨。本研究评估了节水技术（Waterboxx?、Growboxx? 和 Hydrogel）与对照相比，在Floreana岛上对多种作物的不同组合效应，作物包括两种一年生蔬菜作物（番茄和辣椒）和三种果树作物（番木瓜、芒果和橘）。研究人员在建立期（番茄和辣椒为90天，果树作物为150天）采用线性混合效应模型评估早期生长速率；采用Kaplan–Meier分析评估存活率；采用Cox比例风险模型评估首次开花和结果事件的时间。所有模型均在物种水平建立，并控制样地内变异。Waterboxx? 与番茄和辣椒的早期生长降低以及芒果的边际性生长降低相关，但与橘的生长增加相关。Waterboxx? 还与番茄和橘的存活率提高相关，但降低了辣椒的存活率。该技术延迟了番茄的结果以及番木瓜的开花和结果，同时显示出使辣椒提前结果的边际趋势。Hydrogel 延迟了辣椒的开花，但对早期生长或存活率无显著影响；而Growboxx? 降低了番茄的早期生长和辣椒的存活率。由于样本量不平衡，研究人员进行了bootstrap分析，该分析总体上支持所观察到的处理响应方向，但仅对其中一部分效应保留了统计支持。总体而言，作物对节水技术的响应既取决于作物种类，也取决于所评价的植物表现组分，没有任何单一技术在所有作物中持续产生有利响应。这些发现支持在水分受限的海岛条件下，针对特定作物选择建立期技术。
**论文解读**
**1. 研究背景与问题**
水资源短缺是干旱和半干旱环境农业生产的主要限制因素，全球农业消耗约70%的淡水抽取量，提高用水效率对于维持日益缺水条件下的农业生产力至关重要。在小型海岛上，淡水资源天然有限，农业生产受降雨变率强烈影响，这一问题尤为突出。在加拉帕戈斯群岛，农业不仅提供食物，还支撑农村生计并减少对进口食品的依赖，但同时面临水资源短缺、入侵物种、土壤脆弱和外部供应链高度依赖等约束。Floreana岛是加拉帕戈斯群岛中最早有人居住的岛屿，其农业系统依赖降雨和天然泉水，但泉水来源退化后，降雨成为作物生产的主要水源。在此条件下，作物早期建立阶段特别容易受到水分胁迫的影响，因此改善建立期水分供应的策略尤为重要。
节水技术（WSTs）包括超吸水性水凝胶（Hydrogel）、Waterboxx? 和 Growboxx? 等被动集水装置。已有研究表明，这些技术在加拉帕戈斯的农业和生态修复中具有潜力，例如提高番茄产量相关性状和水分利用效率，以及增强本土植物在水分受限条件下的建立和早期存活。然而，尚不清楚这些技术在不同生长习性、生活史和生殖策略的作物之间是否具有一致的效应。以往研究多集中于生产力和营养生长响应，而较少关注建立期和早期发育中的存活率及生殖物候。因此，本研究旨在通过在同一水分受限海岛条件下比较多种作物，评估节水技术能否被广泛推荐，还是应针对具体作物进行定制。
**2. 研究内容与主要结论**
本研究在厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛的Floreana岛（约1°18′16″ S, 90°26′22″ W）开展，利用了加拉帕戈斯2050（GV2050）项目2013至2021年间长期监测数据中的农业组分数据。数据来自农户经营条件下的实际农场，而非随机对照田间试验。最初数据库包含4867条监测记录和31个变量，涵盖22种作物、27个农业场地。经物种样本量和处理代表性筛选后，最终分析数据集包含540株植物，属于5个作物物种：番茄（Solanum lycopersicum）、辣椒（Capsicum annuum）、番木瓜（Carica papaya）、芒果（Mangifera indica）和橘（Citrus reticulata）。
研究比较了四种建立期处理：对照（常规种植）、Waterboxx?、Growboxx? 和 Hydrogel。Waterboxx? 和 Growboxx? 是被动集水装置，通过减少土壤蒸发和缓慢向根区供水来改善幼苗建立；主要区别在于材料（可重复使用的聚丙烯 vs. 可生物降解的纸板）和使用寿命。Hydrogel 是超吸水性聚合物（含96%聚丙烯酸钾），可吸收并缓慢释放水分。所有处理在种植时均浇灌相同体积的水（每株20 L），之后无补充灌溉，依赖自然降雨。由于GV2050项目为试点项目，不同处理在不同阶段依次引入，导致样本量不平衡（Waterboxx? 样本量最大，其次为对照、Hydrogel 和 Growboxx?）。
研究评价了三个响应变量：（i）早期生长速率（建立期内每日株高变化，蔬菜作物取前90天，果树作物取前150天），采用线性混合效应模型（LMMs）分析；（ii）植物存活率（整个监测期间，将“健康”和“一般”归类为存活，“差”和“死亡”归类为死亡），采用Kaplan–Meier分析和分层log-rank检验；（iii）首次开花和首次结果的时间，采用Cox比例风险模型，并考虑了样地内聚类（使用聚类稳健标准误）。由于样本量不平衡，额外进行了2000次迭代的bootstrap分析，以评估处理效应的稳健性。
主要结果如下：
**3.1 早期生长速率**：在蔬菜作物中，Waterboxx? 显著降低番茄（估计值=?0.158, p=0.037）和辣椒（估计值=?0.100, p=0.018）的日生长速率；Growboxx? 也显著降低番茄的日生长速率（估计值=?0.218, p=0.025）。Hydrogel 对番茄和辣椒的早期生长无显著影响。在果树作物中，Waterboxx? 显著提高橘的日生长速率（估计值=0.084, p<0.001），对芒果有边际负效应（估计值=?0.074, p=0.072），对番木瓜无显著影响。Bootstrap分析总体上支持处理效应的方向（芒果的边际效应除外）；平衡样本量后，统计支持保留在Waterboxx? 对辣椒和橘、Growboxx? 对番茄的效应上，但Waterboxx? 对番茄的效应未保留统计支持。
**3.2 存活率**：相对于对照，Waterboxx? 显著提高番茄（p<0.001）和橘（p<0.001）的存活率，但显著降低辣椒的存活率（p=0.010）。Growboxx? 也显著降低辣椒的存活率（p=0.004）。Hydrogel 对番茄或辣椒的存活率无显著影响。Bootstrap分析支持显著存活效应的方向。平衡抽样下，Waterboxx? 对番茄和橘、Growboxx? 对辣椒的效应保留统计支持，但Waterboxx? 对辣椒的效应未保留统计支持。芒果的存活率因数据场地结构无法估计。
**3.3 生殖物候**：在番茄中，Waterboxx? 显著延迟首次结果（HR=0.549, p=0.014），但比例风险假设不完全支持（PH检验p=0.037），因此应将该HR解释为监测期间的平均效应而非恒定效应。在辣椒中，Hydrogel 显著延迟首次开花（HR=0.634, p=0.031），而Waterboxx? 显示出使首次结果提前的边际趋势（HR=5.12, p=0.090）。在番木瓜中，Waterboxx? 显著延迟开花（HR=0.629, p=0.014）和结果（HR=0.439, p=0.011）。Bootstrap分析总体上支持延迟效应的方向，但平衡抽样下统计支持仅保留在Waterboxx? 对番茄结果延迟的效应上。
**3.4 建立期天气条件**：在种植批次间，各处理在建立期（前90或150天）的平均气温和相对湿度大致相似，但累积降雨量差异较大。所有5个作物物种中，对照植物种植期间的平均累积降雨量均高于接受节水处理的植物。气象数据来自圣克鲁斯岛Puerto Ayora的查尔斯·达尔文研究站（距Floreana约60 km），因此仅作为气候背景参考。
**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，节水技术的响应因物种和评价变量而异，不存在单一技术对所有作物产生一致的有益效应。Waterboxx? 虽然产生了最多的可检测响应，但这可能与它在GV2050项目中引入更早、样本量更大、覆盖物种更多有关，而非其效果更好。更重要的是，Waterboxx? 的效应方向在不同作物间差异很大，例如在番茄中降低早期生长但提高存活率并延迟结果，而在橘中则同时提高早期生长和存活率，在辣椒中则降低早期生长和存活率。这些权衡表明，仅用单一响应变量无法表征技术性能，应将技术选择针对具体作物。Hydrogel 对番茄和辣椒的早期生长和存活无显著影响，但延迟辣椒开花，说明生殖物候可能在没有可测量的营养生长或存活变化时对建立条件产生响应。Waterboxx? 对番木瓜和番茄生殖物候的延迟效应提示，生殖物候可能与营养生长和存活表现出不同的响应模式，但延迟开花或结果并不自动等同于有害或有利，因为产量、果实质量和终身繁殖输出未评估。气象数据显示对照种植通常发生在更湿润时期，这可能是农户根据降雨条件做出的种植决策，同时意味着处理分配未随机化，降雨差异构成潜在的时间混杂因素。研究还讨论了生活史策略（一年生 vs. 多年生）可能影响响应，但现有数据不能作为直接检验。
研究结论指出：在Floreana岛雨养条件下，节水技术的效应因物种和响应变量而异。因此，节水技术的选择应基于作物特定响应和管理目标（如提高存活、促进早期生长或调控生殖发育时间）。在Floreana岛水分受限条件下，这种作物特异性的方法有助于实现更高效和更具韧性的农业管理。未来需采用平衡的随机田间试验、场地特定的环境测量以及对作物产量和品质的直接评估，以确定这些发现的更广泛适用性和农学意义。
