基于根构型优化的抽雄期-拔节期分阶段微补充灌溉提升半旱区旱地高粱产量与氮吸收的机制研究

《Agricultural Water Management》：Stage-targeted micro-supplemental irrigation at jointing and tasseling enhances sorghum yield and nitrogen uptake by optimizing root morphology in semi-arid dryland systems

为解决半干旱旱作区降雨变异性强、水分敏感期干旱频发导致的高粱产量不稳和水氮利用效率低下的问题，本研究聚焦于阶段靶向的微补充灌溉（Micro-supplemental irrigation）策略。通过在黄土高原进行为期两年的田间试验，研究人员探究了拔节期与抽雄期不同水量分配对高粱产量形成、水氮利用效率的影响及其根-氮调控机制。研究发现，在拔节和抽雄两期各施15mm灌溉（I15–15）的处理能通过优化根系形态（如根长密度RLD和根表面积密度RSD），显著促进氮素吸收、叶面积指数（LAI）和叶绿素含量，进而实现产量、水分利用效率（WUE）和收获指数（HI）的同步提升，并有效降低土壤剖面（0-100cm）中硝态氮残留。这项研究为半干旱旱作区高粱制定了一项可量化、高效的分阶段节水灌溉策略，揭示了有限水量输入通过改善根系形态提升作物生产力的关键途径，对保障区域粮食安全和农业水资源可持续利用具有重要意义。

　　

在广袤的中国北方旱作区，尤其是在黄土高原这片土地上，农业生产常常与“缺水”进行着艰苦卓绝的博弈。这里的耕地超过一半位于干旱和半干旱地区，庄稼的生长严重依赖老天爷赏赐的雨水。然而，降水的“脾气”却难以捉摸，常常在作物最需要水分的拔节、抽穗等关键生长阶段“缺席”，导致频繁的阶段性干旱。高粱，作为一种耐旱、适应性强的旱地重要谷物，其产量的稳定对于当地农民的“饭碗”和经济收入至关重要。面对有限的水资源，如何将每一滴水用在“刀刃”上，在无法进行充分灌溉的条件下，通过精准、微量的补水来稳定产量、提升水肥利用效率，成为了农业科学家和生产者们亟待破解的难题。尽管微补充灌溉作为一种节水理念已被提出，但其最佳的实施时机、水量分配方案，以及这种小水量、分阶段的补水方式如何通过影响作物的“地下工程”——根系，来调控“地上收成”——产量，其中的具体机制尚不清晰。正是在这样的背景下，一篇发表于《Agricultural Water Management》的研究，为我们深入理解并优化旱地高粱的节水灌溉策略提供了宝贵的科学证据。

为了探究上述问题，研究人员在黄土高原榆林市的国家高标准农田示范区开展了为期两年（2022-2023）的田间试验。研究基于区域长期降水数据，确定了拔节期和抽雄期为高粱的水分敏感期，并据此设计了一系列微补充灌溉处理。这些处理包括单阶段灌溉（仅在拔节期或抽雄期进行）和双阶段灌溉（在两个时期均进行），灌溉水量在9mm至24mm之间变化，并设置了不灌溉的对照（覆盖与不覆盖地膜）。研究综合运用了多种技术方法来系统评估灌溉策略的效果。主要技术方法包括： 1. 田间试验设计与农艺性状测定：采用随机区组设计，精确控制各处理灌溉量，系统测定作物产量、地上部干物质、叶面积指数（LAI）、叶绿素与类胡萝卜素含量等农艺与生理指标。2. 根系形态定量分析：在抽雄期，使用根钻分层采集根系样本，通过专业扫描仪和WinRHIZO Pro软件分析根长密度（RLD）、根表面积密度（RSD）和根干重密度（RMD）等关键根系形态参数。3. 植株与土壤氮素分析：采用凯氏定氮法测定植株不同器官的氮含量，计算氮素积累量；利用连续流动分析仪测定不同土层深度的土壤硝态氮（NO₃^--N）残留。4. 多元统计与模型分析：运用皮尔逊相关性分析、Mantel检验探讨各指标间的关联；通过结构方程模型（SEM）和随机森林（Random Forest）模型，解析微补充灌溉影响产量与水分利用效率（WUE）的关键路径和主导因素。

研究结果揭示了分阶段微补充灌溉对高粱生长、产量及水氮利用的深刻影响：

3.1. 干物质分配

与雨养对照相比，微补充灌溉显著增加了高粱拔节期和成熟期的地上部干物质积累。在单阶段灌溉中，同等水量下，抽雄期灌溉（I_0–15）比拔节期灌溉（I_15–0）在成熟期积累了更多的干物质。而在双阶段灌溉中，拔节和抽雄期各施15mm（I_15–15）的处理在两个年份均获得了最高的成熟期干物质。

3.2. LAI、叶绿素和类胡萝卜素

灌溉处理普遍提高了拔节期和抽雄期的叶面积指数（LAI）、总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。双阶段灌溉（特别是I_15–15和I_24–15）在改善冠层光合特性方面表现最优。

3.3. 根系形态

在窄行中心（A）和植株正下方（B）的取样位置，微补充灌溉显著增加了0-55cm土层的根长密度（RLD）和根表面积密度（RSD）。根系主要集中分布在0-35cm的浅层土壤。双阶段灌溉对根系生长的促进效应总体上优于单阶段灌溉。

3.4. 地上部植株氮吸收、分配和土壤NO₃^--N残留

灌溉显著提高了高粱在抽雄期和成熟期的氮素积累量，尤其是成熟期穗部的氮积累。与此同时，灌溉处理降低了0-40cm土层，特别是20-40cm土层在成熟期的土壤硝态氮残留，表明作物对氮素的吸收利用更为充分。

3.5. 产量、品质、水分生产力和HI

在产量方面，I_15–15处理表现最佳，相对于无灌溉无覆盖的对照（CK₀），其产量增幅高达98.1%-138.4%。在品质上，灌溉降低了籽粒蛋白质含量，但提高了淀粉和脂肪含量。在水氮利用效率上，I_15–15处理同样显著提升了水分利用效率（WUE）、灌溉水利用效率（IWUE）和收获指数（HI）。

3.6. 微补充灌溉对高粱产量、生物量和种子蛋白含量的综合分析

相关性分析和Mantel检验表明，冠层性状（LAI、叶绿素）、根系形态（RLD、RSD）和植株总氮吸收（TNU）与灌溉水量呈显著正相关，与土壤硝态氮残留呈负相关。结构方程模型（SEM）结果显示，灌溉通过改善根系形态，进而促进氮吸收和冠层功能，最终提升产量。随机森林分析进一步确认，总氮吸收（TNU）是预测产量的最重要因子，其次是根系表面积密度（RSD）和叶面积指数（LAI）。

研究结论与讨论部分对上述发现进行了整合与升华。本研究明确指出，在半干旱旱作系统中，微补充灌溉的效果更多地取决于有限水量在生长季内的时机与分配，而非灌溉总量本身。将30mm的灌溉水量在拔节期和抽雄期各分配15mm（I_15–15）是最优策略。这一策略之所以成功，其核心机制在于它通过优化根系形态（增加RLD和RSD），构建了更高效的水分和养分吸收“网络”。这个改善的“地下系统”直接或间接地（通过促进氮素吸收和维持冠层光合功能）驱动了产量和水分利用效率（WUE）的提升，并减少了收获后土壤中的硝态氮淋失风险。研究也揭示了灌溉带来的品质权衡（增产增淀粉但降蛋白）以及年际间气候条件（特别是抽雄后的干旱高温）对灌溉效益的调控作用，强调了管理策略需要因地制宜、因年施策。

这项研究的重要意义在于，它不仅为黄土高原旱地高粱生产提供了一项具体、可操作的分阶段节水灌溉方案，更重要的是，它从根-氮-冠层协同的生理生态机制层面，阐明了为什么这种“小水量、抓关键”的灌溉方式能够奏效。这为在更广泛的旱作农业区推广基于作物需求和水文规律的精准水分管理提供了理论依据和实践范例，对在气候变化背景下保障旱区粮食安全、提高农业水资源可持续利用能力具有重要的科学价值和现实指导意义。未来研究可在不同土壤气候区进行验证，并进一步结合氮肥管理等，以优化灌溉策略，实现产量、品质和环境效益的多赢。