《Agricultural Water Management》：Evaluating precision irrigation and nitrogen management for corn using SWAP model under changing humid climates
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本研究针对湿润气候区气候变化导致的水氮管理难题，通过SWAP模型模拟评估了不同灌溉与氮肥管理策略对玉米产量、氮素吸收及硝酸盐淋失的影响。研究发现，基于土壤传感器的精准灌溉结合分次施氮（Precision-2N）在提升产量和水分利用效率的同时，显著降低了氮素淋失风险，尤其在降雨变率增加的气候情景下优势突出。该研究为湿润地区农业应对气候变化提供了重要的管理策略依据。
在全球气候变化加剧的背景下，湿润农业区面临着前所未有的挑战。气温升高、降雨模式愈发不稳定，严重威胁着作物生产的稳定性和可持续性。以美国玉米带为例，2012年的极端干旱导致全国玉米减产26%，而2019年的创纪录降雨又造成约1140万英亩玉米无法播种，经济损失超过60亿美元。在湿润地区，多变的气候使得灌溉管理变得异常复杂：作物生长关键期土壤水分不足会直接导致减产和氮素吸收效率下降，而过量降雨结合不当的灌溉则可能引发渍害和严重的氮素淋失，成为地表水非点源污染的重要来源。
面对这些挑战，精准的水肥管理策略被视为应对气候变化的关键途径。然而，这些策略在湿润气候区的潜在效益尚未得到充分量化。为此，发表在《Agricultural Water Management》上的这项研究，通过先进的SWAP（Soil-Water-Atmosphere-Plant）模型，系统评估了不同灌溉和氮肥管理策略在多种未来气候情景下对玉米生产的影响。
研究团队利用美国弗吉尼亚州萨福克市Tidewater农业研究与推广中心两年田间试验数据，对SWAP模型进行了仔细校准和验证。模型成功模拟了土壤水分动态、作物生长及氮素运输过程。研究设置了四种管理情景：雨养单次施氮（Rainfed-1N）、基于日历的灌溉单次施氮（Calendar-1N）、基于土壤传感器的精准灌溉单次施氮（Precision-1N）以及精准灌溉分次施氮（Precision-2N）。通过模拟五种不同的未来气候情景（包括单纯升温、升温增湿、升温减湿以及降雨变率增加等），研究人员全面分析了这些管理策略的长期表现。
关键技术方法
研究采用SWAP模型这一基于物理过程的农业水文模型，它使用Richards方程模拟土壤中水分的饱和-非饱和流动，并与WOFOST作物生长模型耦合。模型校准使用了2021年非灌溉地块多个土层深度的土壤体积含水率观测数据，并利用2020年数据进行验证。氮素运输参数则通过对比模拟与观测的玉米产量和氮素吸收量进行校准。未来气候情景通过Delta-change方法生成，基于当地2003-2022年的气象数据，并融入了CMIP6模型预估的中期气候变化特征。
研究结果
3.1. SWAP校准和评估结果
模型校准结果显示，SWAP能够较好地模拟土壤水分动态，各土层深度的归一化均方根误差（NRMSE）均低于30%，决定系数（R2）高于0.55。模型在深层土壤（40-60厘米）的表现尤为出色。对玉米产量和氮素吸收的模拟也与田间观测值高度一致，表明模型能可靠地反映不同灌溉策略下的农学响应。对硝酸盐（NO?）淋失浓度的模拟也合理捕捉了其季节动态变化趋势。
3.2. 长期模拟结果
长期模拟表明，在所有气候情景下，精准灌溉处理（特别是Precision-2N）在玉米产量、水分利用效率（WP）和减少NO?淋失方面均优于或相当于日历灌溉。在仅升温情景（Scenario 1）下，雨养处理产量下降达30%，而精准灌溉仅下降10%，显示出其对高温胁迫的缓冲作用。当面临降雨变率增加但总量不变的情景（Scenario 4）时，精准灌溉相对于日历灌溉的优势最为明显。值得注意的是，精准灌溉单次施氮（Precision-1N）与分次施氮（Precision-2N）的表现非常接近，说明灌溉策略的优化是效益提升的主要驱动力，氮肥施用时机的影响相对较小。
3.3. 年际间变异性分析
对不同年份的分析揭示，精准灌溉的最大优势体现在“非丰产年”（即雨养处理产量低于平均值的年份）。在这些年份中，极端高温事件频发，即使总降雨量充足，高温胁迫也会导致减产。精准灌溉能通过优化土壤水分状况，有效缓解高温胁迫，使产量波动远小于日历灌溉。将各年份的产量与NO?淋失进行关联分析发现，精准灌溉处理有超过50%的年份实现了“增产-减污”的双赢结果，而日历灌溉仅有约30%的年份达到此效果。
结论与讨论
本研究通过模型模拟证实，在气候变化的背景下，基于土壤传感器的精准灌溉能显著提升湿润地区玉米生产系统的韧性和可持续性。它不仅能稳定产量、提高水分利用效率，还能有效减少氮素向水环境的流失。这种协同效益在气候变得更加多变和极端的情况下尤为关键。虽然分次施氮有一定积极作用，但研究明确指出，灌溉管理策略的优化是产生效益的核心。该研究为湿润农业区制定气候适应型水肥管理策略提供了坚实的科学依据，指出推广精准灌溉技术是实现农业高产高效与环境保护双赢的重要路径。未来的研究可进一步评估该策略在不同土壤类型上的适用性，并深入探讨其经济可行性及技术推广的障碍。
