喷灌时机驱动城市半干旱环境下的水分损失权衡：基于水能平衡与城市作物的研究

《Irrigation Science》：Sprinkler irrigation timing drives water loss tradeoffs in an urban, semi-arid environment

为应对城市化和水资源紧张问题，本研究探讨了喷灌时间（白天 vs. 夜间）对水分损失和微气候的影响。研究人员在美国犹他州对肯塔基早熟禾和百日菊进行了为期三年的田间试验，量化了飘移蒸发损失(WDEL)和作物蒸散量(ETc)。结果发现，尽管白天灌溉的WDEL比夜间高7%，但其能通过降低冠层温度和气压饱和差(VPD)缓解热胁迫，维持土壤湿度，且两种作物的产量与质量未显著差异。研究表明，不应仅依赖夜间灌溉作为唯一节水策略，而应结合风速阈值进行智能调度。

　　

随着全球城市化进程的加速，尤其是在干旱和半干旱地区，城市景观灌溉消耗了大量的淡水资源，使得水资源节约与安全管理变得至关重要。在诸多节水策略中，将喷灌安排于夜间已成为一种普遍做法，期望利用夜间较低的风速和气温、没有太阳辐射的环境条件，来减少灌溉过程中因飘移和蒸发造成的水分损失。然而，这种做法真的能在节约水资源与维持作物健康生长之间取得最佳平衡吗？夜间灌溉的“省水”效果是否被高估了？为了回答这些问题，研究人员将目光投向了高海拔半干旱城市环境中的两种典型植物——作为草坪草使用的肯塔基早熟禾和作为切花生产的百日菊，试图揭开灌溉时机背后的复杂水分损失权衡之谜。该研究成果发表在农业水资源管理领域的期刊《Irrigation Science》上。

为了开展研究，作者团队运用了多种关键的田间监测与计算方法。首先，研究采用了现场水能平衡方法，通过布设流量计、土壤水分与温度传感器、气象站等设备，系统测量了灌溉水量、飘移蒸发损失(WDEL)、土壤水分动态变化及作物蒸散量(ET_c)。其次，利用鲍恩比能量平衡法作为ET_c的补充验证手段。再者，为了精确评估WDEL和冠层截留，研究在田间布设了捕获杯阵列，测量到达地表和冠层上方的水量。最后，通过对草坪草的质量指数（如覆盖度、深绿颜色指数）和百日菊的产量（茎秆数、花径）进行定期观测与统计分析，评估了不同灌溉时机对作物生长的影响。

环境条件：研究期间（2019-2021年），夜间灌溉时段的平均风速为0.8 m·s^?1，显著低于白天的1.6 m·s^?1。气温也呈现明显的昼夜差异。

WDEL和ET：结果显示，两种作物的平均WDEL在白天灌溉时比夜间高出7%。具体而言，草坪草的WDEL差异在多数年份不显著，而百日菊的WDEL在所有年份中，白天均显著高于夜间，尤其是在作物冠层较高的生长后期（八月和九月）。然而，通过田间水平衡法计算的总季节性ET_c，对于两种作物，夜间灌溉反而比白天灌溉平均高出13毫米。鲍恩比能量平衡法估算的ET_c在不同灌溉时间之间则无显著差异。这些发现表明，白天灌溉虽然导致了更多的直接水分损失(WDEL)，但可能通过改变微气候影响了植物的实际耗水。

微气候：研究发现，灌溉显著改变了冠层微气候，且这种效应在白天的灌溉事件中更为明显。与夜间灌溉相比，白天灌溉使草坪草和百日菊的冠层最高温度(T_{c, max})下降更显著，使百日菊冠层的气压饱和差(VPD)下降幅度可达0.61至0.80 kPa，且这种效应在灌溉后可持续更长时间。这种降温增湿效应在一天中最热的时候为植物提供了缓解热胁迫的有利条件。

土壤环境：土壤体积含水率数据显示，白天灌溉下的土壤湿度始终高于夜间灌溉下的土壤湿度。例如，草坪草在白天灌溉下，有66.7%（2020年）至70.5%（2021年）的天数其日均土壤含水率高于夜间灌溉。土壤湿度的这种差异与ET_c的差异相对应，表明白天灌溉虽然WDEL更高，但通过降低微气候胁迫，减少了植物的水分需求，从而在土壤中保留了更多的水分。

作物生长、品质和产量：灌溉时机对两种作物的生长指标影响不大。对于草坪草，白天灌溉下的草坪覆盖率在2020年和2021年显著高于夜间灌溉，深绿颜色指数仅在2020年存在显著差异。对于百日菊，其株高、可销售及总产量、花朵直径在不同灌溉时间之间均未显示出统计学上的显著差异。不过，从数据趋势上看，白天灌溉的百日菊在产量和株高上略有优势。

讨论部分深入剖析了上述结果的成因与意义。研究指出，WDEL的差异主要受风速和作物冠层高度的影响。白天较高的风速和百日菊后期较高的冠层共同导致了更大的水分飘失。然而，白天灌溉带来的显著微气候调节作用（降温、增湿）降低了作物的蒸散需求，部分抵消了WDEL增加带来的不利影响，并维持了更高的土壤湿度。这解释了为何虽然白天WDEL更高，但两种灌溉方式下的作物蒸散(ET_c)和最终产量却无显著差异，甚至白天灌溉在某些作物质量指标上还略占优势。此外，研究还发现，在干旱条件下，夜间灌溉导致的较低土壤湿度可能增加百日菊感染白粉病的风险。

结论部分总结了研究的核心发现与建议。研究表明，在半干旱城市环境中，虽然夜间灌溉能直接减少7%的飘移蒸发损失(WDEL)，但这并非唯一的节水考量。白天灌溉通过缓解日间高温胁迫、维持更高的土壤湿度和潜在的产量优势，展现了其在综合水分管理和作物健康方面的价值。因此，研究建议不应将夜间灌溉作为唯一的节水策略。更明智的做法是结合智能灌溉技术，在灌溉调度中引入风速阈值（如大于3 m·s^?1时暂停灌溉），以规避风速最高时段的水分损失，从而更有效地平衡节水需求、系统供水压力与作物生长表现。这一结论为城市水资源管理提供了基于本地数据的、更精细化的决策依据。