湿润地区基于覆盖作物的免耕棉花和高粱种植系统中的土壤-植物-水分关系及其水足迹

　　棉花和 sorghum 生产中，保护性耕作（免耕+覆盖作物）与传统耕作对比，通过根区水质模型（RZWQM2）模拟土壤水分动态、蒸发蒸腾量（ET）和水足迹（WF）。结果表明：免耕减少地表径流31%，显著降低棉花产量对应的水足迹（7%），而 sorghum 的 WF 未受耕作方式影响。覆盖作物在免耕系统中有效补充土壤水分，减少 ET，优化 WF。模型验证显示对土壤体积含水量（VWC）预测误差≤15%，NNSE >0.5，适用于 humid 区作物水管理评估。

　　
本研究聚焦于美国密西西比河下游流域（LMRB）棉花和 sorghum 生产中耕作方式与覆盖作物对水足迹（WF）的影响。通过两年（2020-2021）田间试验，比较了传统耕作（CT）与非传统耕作（NT）结合覆盖作物（CC）与否的四种管理方案（CTCC/CTNC/NTCC/NTNC）对土壤水分动态、蒸散发（ET）及水足迹的关键参数影响。

### 研究背景与意义
密西西比河下游流域年降水量达1333毫米，但棉花和 sorghum 的灌溉依赖性强，地下水过度开采导致资源枯竭。传统耕作通过打破土壤结构、增加地表径流，加速了土壤水分流失。而覆盖作物作为水土保持措施，通过抑制蒸发、改善土壤结构、调节根系吸水等机制降低水足迹。研究旨在验证这些管理措施对水足迹的实际影响，为可持续农业提供理论依据。

### 研究方法
1. **田间设计**：采用三因素（耕作方式×覆盖作物×作物轮作）随机区组设计，共12种处理，种植棉花和 sorghum 各两年，监测周期覆盖作物生长季（DOY 142-280）。
2. **土壤水分监测**：在0-120厘米土层布设电容式湿度传感器，结合 gravimetric 实验校正数据，监测VWC变化。
3. **模型应用**：采用RZWQM2模型模拟土壤水分动态，输入参数包括渗透率（Ks）、田间持水量（FC）和孔隙结构，模型验证通过R2（0.43-0.98）、Nash-Sutcliffe效率（0.52-0.96）等指标。
4. **叶水势测量**：在棉花关键生长期（ vegetative stage）定期测量叶片渗透压，分析与土壤水分的关联。

### 关键发现
1. **土壤水分动态**：
- 传统耕作（CT）导致0-40厘米土层水分流失量比非传统耕作（NT）多57%（2020）和34%（2021），深层（40-120厘米）水分消耗也显著增加。
- 覆盖作物（CC）在NT系统下可提升40-120厘米土层水分储量（2021年NTCC比NTNC多11%），但传统耕作中CC未能缓解水分流失。

2. **地表径流与深层渗透**：
- CT系统地表径流比NT高31%（2020年平均），NTCC处理通过覆盖作物残体截留降水，减少径流峰值。
- 深层渗透量在NT系统下显著增加（2021年NTCC较CTCC多17%），可能与土壤孔隙结构改善有关。

3. **蒸散发与水足迹**：
- 棉花ET（蒸散发量）受耕作方式影响显著（CT比NT多7%），而 sorghum ET在NTCC下较NTNC减少20%（2020）和33%（2021）。
- 水足迹计算显示：NTCC系统使棉花产量单位水足迹降低6%， sorghum降低22-33%；CT系统因更高的径流和ET导致水足迹增加6-7%。

4. **叶水势与土壤水分关联**：
- 棉花叶水势（Ψleaf）与0-40厘米土层水分相关性更强（R2=0.60-0.73），深层水分波动（如2021年持续降雨）对Ψleaf影响减弱。
- 在干旱胁迫期（2020年8-9月），NT系统叶水势较CT高0.3 MPa，表明非传统耕作能缓解水分胁迫。

### 机制分析
1. **耕作方式影响**：
- 传统耕作通过破坏土壤团粒结构（降低有机质含量15-20%）、增加孔隙渗透性（Ks提升10-15%），加速表层水分流失。
- 非传统耕作保留土壤有机质（NT系统比CT高8-12%），改善大孔隙连通性（NTCC系统深层渗透率提升30%）。

2. **覆盖作物作用**：
- Austrian winter pea覆盖层厚度达14-16厘米（2021年数据），形成有效地表覆盖，减少蒸发损失约25-35%。
- CC残体在NT系统下分解缓慢（C:N=14-25），通过微生物代谢减少水分无效蒸发（2020年数据显示CC减少ET达18%）。

3. **水文模型验证**：
- RZWQM2在40-120厘米土层预测精度达85-90%，但表层（0-40厘米）受植被覆盖和机械扰动影响误差较高（R2=0.43-0.60）。
- 模型低估深层渗透（误差-10.3%至+17.5%），可能因未考虑根系构型对孔隙连通性的影响。

### 实践启示
1. **综合管理策略**：
- 在LMRB地区，推荐采用NTCC系统：2020年棉花生长期地表蒸发减少32%， sorghum生育期深层渗透增加17%。
- 覆盖作物需选择高残留品种（如豌豆CC），并控制残体厚度（>15厘米）以平衡覆盖效果与通风需求。

2. **经济性评估**：
- 棉花NTCC系统每公斤收入需水量（WF_revenue）为1.06 m3（较CTCC低7%）， sorghum NTCC系统为1.18 m3（较CTNC低22%）。
- 传统耕作的经济水足迹（WF_revenue）在棉花中达1.16 m3/kg（较NT高6%）， sorghum中因水分利用效率高（Kc=0.68）差异不显著。

3. **环境效益**：
- NTCC系统减少地表径流（较CTNC低31%）和氮磷流失（数据未直接给出但模型参数支持），有助于保护密西西比河三角洲湿地生态。
- 覆盖作物残体碳储量达4.5-6.2 Mg/ha（2021年数据），可替代部分化肥投入。

### 局限与展望
1. **模型局限性**：
- RZWQM2未考虑根系构型对深层水分利用的影响，可能低估NTCC系统的实际节水效果。
- 模型在极端降水事件（如2020年8月单日154毫米）下预测误差达10-15%，需结合实时监测修正。

2. **研究拓展方向**：
- 长期（>5年）NTCC系统对土壤微生物群落和水循环的影响机制。
- 不同气候年型（如连续干旱年）下管理措施适用性研究。

本研究验证了密西西比河流域"少耕+覆盖作物"协同管理可降低水足迹达6-33%，为应对地下水超采提供技术路径。后续需结合物联网实时监测（如土壤温度传感器、无人机遥感）优化水分管理决策。