优化脉冲式和连续滴灌策略，以提高半干旱地区青贮玉米的产量和水分利用效率

《Cogent Food & Agriculture》：Optimizing pulsed and continuous drip irrigation strategies to enhance yield and water productivity of silage maize in semi-arid regions

　　本研究在伊朗Varamin地区通过对比脉冲式与连续式滴灌，分析不同灌溉水平（120%、100%、80%、60%）对silage玉米的生物产量和水生产力影响。结果表明，脉冲灌溉在节水的同时提高水生产力（最高达6.72 kg/m3），尤其在80%灌溉水平下比连续灌溉提高34.93%。然而，60%缺水条件下脉冲灌溉降低产量。建议根据水资源状况选择灌溉策略。

　　### 中文解读

本研究聚焦于伊朗瓦拉明地区2018年夏季，对用于青贮玉米（ZP606品种）的脉冲灌溉与连续灌溉方法在不同灌溉水平下的生物产量和水分利用效率的影响进行了深入分析。实验采用的是分割带状地块设计，包括三个重复试验，涵盖了四种不同的灌溉水平，分别提供了作物需水量的120%、100%、80%和60%。研究结果揭示了脉冲灌溉在水资源有限区域的潜力，同时表明在追求最大化产量的环境中，连续灌溉可能更具优势。

#### 研究背景与意义

全球范围内，约52%的人口居住在干旱和半干旱地区，这些区域面临着水资源短缺的严峻挑战。因此，如何在不降低农业生产效率的前提下减少灌溉用水量，成为了一个重要的课题。随着全球人口增长，预计农业产量将在2050年前增加70%以上，以满足对食品、饲料和纤维日益增长的需求。然而，由于可耕地资源有限，提高作物产量和单位面积的产量成为关键目标。

青贮玉米作为一种重要的粮食作物，不仅在世界范围内占据重要地位，而且其高干物质含量和丰富的绿饲料产量使其在畜牧业中具有重要价值。青贮玉米还具备无需添加物即可进行青贮生产的特性，使其成为可持续农业实践的重要组成部分。在这些地区，水资源的高效利用对于保障粮食安全和农业可持续发展至关重要。因此，本研究探讨了脉冲灌溉与连续灌溉在不同水分供应水平下的效果，旨在为干旱和半干旱地区的农业生产提供科学依据和优化方案。

#### 研究方法与设计

实验在伊朗瓦拉明地区的1300平方米田间试验地块中进行，地理位置为东经51°41′42.8″，北纬35°19′51.9″，海拔973米。研究期间，该地区平均年降水量为160毫米，而平均每日最低和最高气温分别为-7.1℃和43.2℃。这些环境条件表明，研究区域的农业用水需求较高，且受到高温和降水稀少的限制。

实验设计采用的是分割带状地块方法，将四种不同的灌溉水平（I2, I1, I3, I4，分别对应120%、100%、80%和60%的作物需水量）作为主处理，而脉冲灌溉和连续灌溉作为次处理。整个实验设置三个重复，以确保数据的可靠性。实验单元为子地块，每个处理包括三组两行的种植线，其中中间一行用于数据收集，外侧两行作为边缘控制。种植线长度为20米，保证了实验的可重复性和数据的代表性。

此外，研究中使用了PR2型土壤剖面探头设备和HH2数据记录器，以监测土壤水分变化。这些设备的安装需要遵循制造商的指导，确保土壤与探头之间的充分接触，从而获得准确的土壤水分数据。通过安装不同深度的访问管，研究人员能够获取土壤水分数据，并结合其他测量方法（如重力法）进行校准，确保数据的准确性和一致性。

#### 实验结果与分析

实验结果显示，在脉冲灌溉和连续灌溉两种方式下，不同灌溉水平对青贮玉米的生物产量和水分利用效率产生了显著影响。在脉冲灌溉下，过量灌溉（I2）获得了最高的生物产量（26吨/公顷）和鲜产量（86.67吨/公顷），而80%水分供应（I3）下的脉冲灌溉则表现出最高的水分利用效率（6.72千克/立方米）。相比之下，连续灌溉在某些情况下表现不佳，尤其是在水资源有限的情况下，脉冲灌溉能有效减少水分损失，提高作物产量。

具体而言，当采用过量灌溉（I2）时，连续灌溉下的深渗漏（deep percolation）达到18.73毫米，而在脉冲灌溉下，深渗漏几乎为零。这表明，脉冲灌溉能够更有效地将水分保留在作物根系区域，减少水分浪费。这种优势在80%水分供应（I3）下尤为明显，脉冲灌溉将深渗漏减少了30%，从而提高了水分利用效率。而在60%水分供应（I4）下，脉冲灌溉虽然提高了水分利用效率，但生物产量和鲜产量均显著下降，说明在极端水分限制下，脉冲灌溉可能无法完全满足作物的生长需求。

#### 作物产量与水分利用效率的关系

研究还探讨了作物产量与水分利用效率之间的关系。结果显示，随着灌溉深度的增加，生物产量和水分利用效率均呈上升趋势。这表明，灌溉是满足作物水分需求和促进生长的关键因素。然而，当灌溉深度超过作物需水量时，如过量灌溉（I2），生物产量和水分利用效率仍然保持较高水平，说明过量灌溉在某些情况下仍然能够提升产量，但可能会增加水资源消耗。

此外，研究发现，不同灌溉方式对作物产量的影响存在显著差异。在相同灌溉深度下，脉冲灌溉下的生物产量比连续灌溉提高了25.55%。这表明，脉冲灌溉能够更有效地利用水分，减少水分浪费，从而提高作物产量。然而，在某些情况下，如60%水分供应（I4）下，脉冲灌溉的产量下降明显，说明该方法在极端水分限制条件下可能并不适用。

#### 水分利用效率的计算与分析

水分利用效率（water productivity, WP）是衡量作物产量与水分消耗之间关系的重要指标。研究中，通过计算生物产量（Y_B）与灌溉水量（IW）的比值，得到了灌溉水分利用效率（IWP）和作物水分利用效率（CWP）。结果显示，脉冲灌溉下的CWP和IWP均高于连续灌溉，尤其是在80%水分供应（I3）下，CWP达到6.72千克/立方米，IWP达到6.72千克/立方米，表明脉冲灌溉在节约水资源的同时，仍能保持较高的作物产量。

研究还指出，水分利用效率与实际蒸散发（ET_a）之间存在正相关关系。随着灌溉深度的增加，实际蒸散发也相应增加，从而提高了作物的生物产量。这一现象表明，灌溉是作物生长过程中水分供应的主要来源，尤其是在干旱和半干旱地区，水分的供给对作物的生长和产量具有决定性影响。

#### 水分供应对作物生长的影响

研究进一步探讨了水分供应对作物生长阶段的影响。在生长初期，土壤水分充足，作物能够正常生长，而随着生长阶段的推进，水分供应的减少可能导致作物生长受限。特别是在花期阶段，水分供应不足会对授粉过程产生负面影响，进而影响产量。因此，在水资源有限的地区，需要特别关注作物在最敏感的生长阶段（如花期）的水分供应。

此外，研究还发现，脉冲灌溉能够减少深渗漏，提高水分利用效率。在过量灌溉（I2）条件下，脉冲灌溉减少了30%的深渗漏，从而提高了水分的利用效率。这一发现对于水资源有限的地区具有重要意义，表明脉冲灌溉能够有效减少水分浪费，提高农业生产的可持续性。

#### 实验数据的分析与讨论

实验数据的分析表明，脉冲灌溉在不同水分供应水平下均表现出较高的水分利用效率。然而，在某些情况下，如60%水分供应（I4）下，脉冲灌溉的产量下降明显，说明该方法在极端水分限制条件下可能并不适用。此外，研究还发现，脉冲灌溉能够提高土壤水分的均匀分布，减少水分浪费，从而提高作物产量。

研究还指出，水分利用效率与实际蒸散发之间存在密切关系。在相同灌溉深度下，脉冲灌溉的实际蒸散发高于连续灌溉，这表明脉冲灌溉能够更有效地利用水分。然而，在某些情况下，如60%水分供应（I4）下，脉冲灌溉的实际蒸散发下降，导致水分利用效率降低，说明该方法在极端水分限制条件下可能无法维持较高的水分利用效率。

#### 结论与建议

综上所述，本研究的结果表明，脉冲灌溉在提高水分利用效率和减少水分浪费方面具有显著优势。特别是在水资源有限的地区，采用脉冲灌溉可以在减少20%用水量的同时，提高34.93%的水分利用效率。而在追求最大化产量的环境中，过量灌溉（I2）下的脉冲灌溉能够提高29%的产量，表明该方法在满足作物水分需求的同时，也能提高作物产量。

因此，本研究建议在水资源有限的地区采用脉冲灌溉技术，以提高农业生产的可持续性和效率。同时，在水资源充足的地区，可以考虑采用连续灌溉技术，以最大化作物产量。此外，研究还强调了使用本地化作物系数和土壤水分监测技术的重要性，以提高灌溉用水的准确性和效率。

本研究的发现不仅为干旱和半干旱地区的农业管理提供了科学依据，也为未来的研究提供了新的方向。未来的研究可以进一步探讨脉冲灌溉对不同作物品种和生长阶段的影响，以及如何在不同气候条件下优化灌溉策略。此外，研究还可以关注如何将脉冲灌溉与其他农业管理措施（如土壤改良和微生物应用）相结合，以提高农业生产的整体效率和可持续性。