《Agricultural Water Management》：Mulched drip irrigation boosts cotton water productivity via shallow soil water regulation
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本研究针对干旱区棉花生产如何协同优化灌溉方法与灌溉量以提升水分生产率（WP）这一关键问题，通过两年田间试验，比较了膜下滴灌（MDI）与传统沟灌（TFI）在不同灌溉量（390 mm与600 mm）下的效应。研究发现，MDI通过高频灌溉稳定了0-40 cm浅层土壤水分，进而维持了叶片较高的相对含水量（RWC）、叶绿素含量和光合速率（Pn），最终使水分生产率（WP）最高提升至14.10 kg ha-1mm-1。熵权法量化表明，实现高效用水的贡献中，农艺节水（灌溉量优化）占57.44%，工程节水（灌溉方法改进）占42.56%。该研究为干旱区农业水资源高效利用提供了重要的理论与技术支撑。
在水资源短缺严重威胁干旱半干旱地区农业可持续发展的背景下，如何通过高效的水分利用技术来平衡作物产量与资源保护，成为当前农业研究的热点与难点。新疆作为中国最重要的棉花生产基地，其典型的干旱气候使得棉花生产高度依赖灌溉。传统的灌溉方式往往伴随着水分利用效率低下、土壤水分波动大等问题，制约着棉花产量和水分生产率（Water Productivity, WP）的进一步提升。膜下滴灌（Mulched Drip Irrigation, MDI）作为一种集成了地膜覆盖和滴灌的节水技术，虽已广泛应用，但其如何通过调控土壤水分，特别是浅层水分的稳定性，来影响棉花根系吸水模式、叶片光合生理，并最终影响水分生产率的深层机制，以及农艺节水（灌溉量调整）与工程节水（灌溉方法改进）在其中的相对贡献权重，尚缺乏系统性的量化研究。
为了回答上述问题，研究团队于2017至2018年在新疆石河子大学试验农场开展了为期两年的田间试验。试验采用随机区组设计，设置了两种灌溉方法（MDI 和 TFI）与两种灌溉量（390 mm 和 600 mm）的组合，共形成四个处理：DI-3（MDI, 390 mm）、DI-6（MDI, 600 mm）、FI-3（TFI, 390 mm）和FI-6（TFI, 600 mm）。每个处理设三次重复。试验系统监测了0-100 cm土壤水分含量（SWC）、叶片相对含水量（RWC）、叶绿素含量、光合速率（Pn）、生物量、籽棉产量等关键指标，并计算了水分生产率（WP，定义为籽棉产量与总耗水量的比值）。此外，研究创新性地采用熵权法（Entropy Weight Method）量化了从传统高量沟灌（FI-6）转向优化膜下滴灌（DI-3）过程中，农艺节水与工程节水的相对贡献权重。
关键技术与方法
本研究主要运用了田间试验设计与监测、土壤水分动态监测、植物生理指标测定、生物量与产量构成分析以及熵权法量化分析等关键技术方法。田间试验通过设置不同的灌溉处理来模拟不同水管理策略。土壤水分含量（SWC）使用时域反射计（TRIME-T3）按深度分层测定。叶片生理指标包括采用称重法测定相对含水量（RWC）、分光光度法测定叶绿素含量、以及使用Li-6400便携式光合作用测定系统测量光合速率（Pn）、气孔导度（gs）和蒸腾速率（Tr）。生物量通过分期取样并烘干称重获得。水分生产率（WP）由籽棉产量与总耗水量（ET，通过水量平衡法计算）的比值求得。熵权法则用于客观赋权，量化不同节水途径的贡献。
研究结果
3.1. 不同灌溉方法下棉花关键生育期平均土壤水分含量
研究表明，膜下滴灌（MDI）相较于传统沟灌（TFI），能更有效地维持土壤水分稳定性，特别是在0-60 cm的根系主要分布层。在棉花开花结铃关键期（FF-PFB, PFB-LFB），MDI处理（DI-3, DI-6）的0-60 cm土层土壤水分含量比TFI处理（FI-3, FI-6）提高了4.80%至12.87%。尤其在0-40 cm浅层，MDI通过高频灌溉（约12天一次）避免了TFI因低频灌溉（约23天一次）导致的周期性干旱，为棉花根系提供了持续稳定的水分供应。
3.2. 棉花植株耗水特性的影响
在相同灌溉量（390 mm）下，MDI（DI-3）的总耗水量（ET）比TFI（FI-3）降低了8.14%至15.46%。MDI的耗水模式更具优势：在蕾期到盛花期（FB-FF）耗水较少，而在盛铃期到吐絮期（LFB-BO）耗水增加，这恰好与棉花铃期需水高峰相匹配，优化了水分分配。而过量灌溉的DI-6处理，总耗水量比DI-3增加了28.58%至29.76，导致了水分的浪费。
3.3. 不同土层水分储量的动态变化
灌溉方法显著影响了土壤水分的垂直分布。TFI处理下，在一个灌溉周期内，水分利用重心会从浅层（0-40 cm）向深层（60-80 cm）转移，反映了浅层水分耗尽后被迫利用深层水的过程。而MDI处理则能始终保持浅层（0-40 cm）水分储量占总储量的比例稳定在44.18%至47.24%之间，证明了其稳定浅层水分供应的能力。
3.4. 对叶片相对含水量（RWC）的影响
TFI的周期性灌溉导致叶片相对含水量（RWC）出现明显的波动，灌溉后RWC上升，灌溉前则显著下降。而MDI则凭借其高频灌溉，在整个开花结铃期维持了叶片RWC的稳定和高水平，避免了水分胁迫对叶片生理功能的干扰。
3.5. 对叶片叶绿素含量的影响
在盛花期（FF），MDI处理的叶绿素含量低于或与TFI处理相近，但在前期盛铃期（PFB），优化灌溉的DI-3处理的叶绿素含量显著高于所有TFI处理以及过量灌溉的DI-6处理（例如2018年PFB期，DI-3比FI-3高16.03%，比FI-6高26.38%）。这表明MDI稳定的水分供应有利于在铃期关键阶段维持较高的叶绿素含量和光合潜力。
3.6. 花铃期气体交换参数的动态变化
TFI处理后叶片光合速率（Pn）会出现“过度补偿”式快速上升而后下降的现象，而MDI处理下的Pn则表现更为平稳。在整个花铃期，MDI处理（DI-3, DI-6）的平均叶片Pn、gs和Tr均显著高于TFI处理（FI-3, FI-6），且变异系数更小，说明MDI提供了更稳定高效的光合环境。
3.7. 对地上部器官生物量的影响
在前期盛铃期（PFB），DI-3处理的营养器官生物量高于FI-3，但生殖器官生物量略低。到了盛铃后期（LFB）和吐絮期（BO），DI-3处理的总生物量和生殖器官生物量均显著超过TFI处理。这表明MDI有利于在生育后期将更多的同化产物分配到棉铃形成上。而过量灌溉的DI-6处理则因营养生长过旺，生殖生长受到抑制。
3.8. 对水分生产率（WP）及节水权重的影响
优化灌溉的膜下滴灌处理（DI-3）获得了最高的水分生产率（WP），达到13.35至14.10 kg ha-1mm-1，显著高于其他处理。通过熵权法量化分析发现，从传统高量沟灌（FI-6）转向优化膜下滴灌（DI-3）的过程中，农艺节水（即灌溉量从600 mm减少至390 mm）的贡献权重为57.44%，工程节水（即灌溉方法从TFI改为MDI）的贡献权重为42.56%。这表明，虽然灌溉方法的改进至关重要，但首先将灌溉量优化至作物实际需求水平，对提升水分生产率起着主导作用。
结论与讨论
本研究深入揭示了膜下滴灌（MDI）在390 mm灌溉量下提升棉花水分生产率（WP）的多层次机制。其核心在于通过高频灌溉稳定了0-40 cm浅层根区的土壤水分，这不仅匹配了棉花主要的根系分布，更重要的是保障了叶片生理功能的稳定高效——维持了较高的叶片相对含水量（RWC）、叶绿素含量和光合速率（Pn），从而促进了同化产物向棉铃的分配，最终在减少总耗水量的同时实现了高产。研究创新性地量化了农艺节水与工程节水的相对贡献，明确了在向高效灌溉体系过渡时，优先优化灌溉量（农艺措施），再辅以高效的灌溉方法（工程措施）来充分发挥节水潜力的策略。这项研究不仅深化了对膜下滴灌节水增产机理的理解，也为干旱区棉花生产的水分精准管理和可持续发展提供了明确的、可操作的理论依据与实践指南。该论文发表于《Agricultural Water Management》期刊。
