《Agricultural Water Management》：A novel variable-rate drip irrigation system to improve water use of vegetable crops in semiarid conditions
编辑推荐：
本文报道了一种针对商业农田设计的可变率滴灌（VRDI）系统，该研究旨在解决传统均一灌溉无法应对田间空间异质性的问题。研究人员通过基于NDVI的管理分区，在同一灌溉单元内集成不同额定流量的标准滴头，成功在西兰花农田实现了分区差异化供水。结果显示，该系统显著提升了低潜力区的产量（+44.1%）和水分生产率（+16.2%），为优化农业用水提供了一种简单、实用且具有商业可行性的解决方案。
在全球气候变化和农业可持续性挑战加剧的背景下，如何高效利用有限的水资源成为农业领域的核心议题。传统灌溉系统追求全田块的均匀灌水，然而，真实农田并非均质一体，土壤特性、作物长势在空间上存在显著差异，这种“一刀切”的灌溉模式往往导致部分区域供水过量而另一部分不足，既浪费了宝贵的水资源，也限制了作物产量的提升。针对这一问题，一种名为“变量灌溉（VRI）”的精准农业技术应运而生，它主张“看区域下菜碟”，根据田间不同区域的具体需求调整灌溉量。尽管这项技术在中心支轴式喷灌等移动式系统中已有较多应用，但在固定式滴灌系统，尤其是针对园艺作物的商业实践中，却面临着成本高昂、设计复杂和难以规模化推广的挑战。为了解决这些瓶颈，一项发表在《Agricultural Water Management》上的研究，提出并验证了一种新颖且商业上可行的可变率滴灌（Variable-Rate Drip Irrigation, VRDI）系统，旨在为半干旱条件下的蔬菜作物提供一种优化用水的新方案。
为了评估这套系统，研究人员在西班牙东南部一块1.65公顷的商业西兰花田里开展了一项实证研究。他们的方法主要基于几个关键技术环节。首先，利用历史卫星遥感数据，通过分析归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）并结合K-means聚类算法，将田块划分为具有不同生产潜力的特定位置管理区（Site-Specific Management Zones, SSMZs）。其次，基于分区结果进行VRDI系统设计：在高潜力区安装1.6 L/h的滴头，在低潜力区安装2.0 L/h的滴头，从而在同一灌溉时段内对不同区域施加差异化灌水量。灌溉管理采用FAO双作物系数法动态计算作物需水量，并使用无人机监测绿色冠层覆盖度（Green Canopy Cover, GCC）来精确估算作物系数。最后，利用EPANET软件对灌溉管网进行水力模拟和校准，确保所有滴头在自补偿压力范围内稳定工作，并通过田间采样和统计分析来评估系统对作物产量和水分生产率（Water Productivity, WP）的影响。
研究结果
3.1. 灌溉系统设计与水力模拟
水力模型经过校准后，模拟压力与实测压力高度吻合（决定系数R2接近1）。模拟结果显示，所有滴头的工作压力均处于制造商规定的自补偿范围（60–400 kPa）内，系统一和系统二的最低压力点分别为204.7 kPa和178.9 kPa，确保了整个网络水量的稳定输送。
3.2. 作物与灌溉调度
整个生长季，作物总水分输入（灌溉+降水）约为5000 m3/ha，符合当地典型情况。通过无人机监测的GCC数据被用于动态计算作物需水量，并指导灌溉决策。土壤水分传感器的使用使得灌溉可以基于土壤实际墒情进行高频、短时调整。
3.3. 生物量生产、作物商品产量及灌溉水分生产率
产量分析表明，安装了高流量滴头（2.0 L/h）的低生产潜力区（区域1）与采用传统均一灌溉（1.6 L/h）的对照区（区域3.1）相比，其商品部分（花蕾）的产量显著提高了44.1%。同时，区域1的水分生产率（WP）也比其对照区高出16.2%。然而，在高生产潜力区（区域2）与其对照区（区域3.2）之间，由于灌水量相同，产量和WP均未呈现显著差异。统计分析证实，仅在花蕾产量上，区域1与区域3.1之间存在统计学上的显著差异。
结论与讨论
本研究成功开发并验证了一套商业可行的VRDI系统。其核心在于，它没有依赖于昂贵、复杂的定制化滴头或独立分区控制系统，而是巧妙地利用市场上现有的标准自补偿滴灌带，通过在同一灌溉单元内配置不同额定流量的滴头来实现变量供水。这种方法极大地降低了系统的技术复杂性和成本。
研究得出的结论具有重要意义。首先，该系统能够基于NDVI划分的管理分区，有效实施差异化灌溉。在低生产潜力区增加灌溉量，显著提高了该区域的商品产量和水分生产率，从而缩小了田块内部的产量差距，有助于实现更均匀的总体生产。其次，简化的设计使得每个灌溉扇区仅需一个控制单元，大大方便了农民的实际操作和管理，提升了系统的可推广性。最后，从经济角度看，虽然低潜力区（区域1）比其对照区多消耗了约24%的灌溉水，但其市场产值的增幅（44%）远超水费成本的增加，使得单位水资源的利用经济效益提升了40%。
当然，该系统也存在一定的局限性，例如NDVI分区可能受到非生产力因素的影响，且研究仅针对单季西兰花作物。未来的研究需要在不同年份、不同作物和多样化土壤气候条件下验证该方法的稳健性和普适性。同时，可以结合更精细的土壤水分动态模型（如HYDRUS）和作物生长模型（如AQUACROP）进行深入机理分析。
总之，这项研究为在商业农田中实施变量灌溉提供了一条切实可行的路径。它证明了通过整合遥感技术、分区管理和标准化灌溉设备，可以在不显著增加成本和操作复杂性的前提下，实现农业水资源的精准高效利用，为应对水资源短缺、提升农业可持续性提供了有价值的工具。
