提高冬小麦灌溉水生产力的区域驱动因素与策略：以华北平原为例

《European Journal of Agronomy》：Regional drivers and strategies for improving irrigation water productivity of winter wheat: A case study on the North China Plain

华北平原冬季小麦灌溉水生产力空间分布及驱动机制研究，通过28个县多地点试验揭示海河平原IWP最高（1.78 kg/m3），品种选择、生长季降水及有效积温为主要驱动，提出协同品种筛选与灌溉优化策略，实现节水34.24%条件下增产5.28%。

　　

马佳宇|尹宝忠|王斌|李金鹏|刘学静|甄文超

河北农业大学农学院，中国河北省保定市071001

摘要

水资源短缺严重制约了全球小麦的生产，提高灌溉水生产力（IWP）对于实现可持续的节水农业至关重要。然而，IWP的区域差异及其主要驱动因素仍不为人所充分了解。以华北平原（NCP）为案例研究，我们在28个县进行了多点田间试验，系统地研究了IWP的空间分布及其驱动机制。结果表明存在显著的区域差异，海河平原的IWP最高（1.78 kg m^?3）。品种选择、生长季节降水量和有效积温被确定为IWP的主要驱动因素，而土壤容重、pH值和土壤有机质则具有区域特定的影响。值得注意的是，在138.89毫米的灌溉量下，39个生态适应性强的小麦品种实现了8555.83 kg ha^?1的产量，比传统种植方式提高了5.28%的产量，并减少了34.24%的灌溉用水量。本研究量化了NCP不同生态区域的灌溉投入-产量关系，并提出了利用优良品种来提高产量和IWP的协同策略。这些发现为特定地区的灌溉管理和品种选择提供了实际指导，有助于在水资源有限的农业生态系统中实现可持续的小麦生产。

引言

水资源短缺日益限制粮食生产和生态系统功能，特别是在干旱和半干旱地区影响最为严重（Rosa等人，2020年）。华北平原（NCP）是世界上水资源压力最大的农业区域之一，拥有世界上最大的冬小麦和夏玉米双季种植系统，对全球小麦生产贡献巨大（联合国粮食及农业组织，2024年）。然而，NCP的年平均降水量仅约为500毫米，不到双季种植系统所需水量的60%，而小麦生长季节的降雨量仅满足作物需水量的四分之一（Meng等人，2012年）。为了维持高而稳定的产量，农民多年来严重依赖地下水灌溉，导致含水层持续枯竭并引发相关环境问题，包括地面沉降（Su等人，2021年）。类似的地表水过度开发现象也发生在其他灌溉密集的粮食产区，如印度-恒河平原和美国高平原，这凸显了在水资源日益紧张的情况下提高灌溉效率的全球紧迫性（Jaegermeyr等人，2015年）。

因此，提高单位灌溉水量的产量增长对于维持小麦生产和区域粮食安全至关重要。灌溉水生产力（IWP）通常定义为每单位灌溉水所带来的增量产量效益，已成为评估灌溉策略的关键指标（Zhao等人，2020年）。先前的研究表明，IWP受气候条件（蒸发需求和降雨模式）、灌溉计划、水分-养分相互作用以及品种特性等因素的影响（Fu等人，2025a；Fu等人，2025b；Wu等人，2025年）。然而，现有的大部分证据来自单点或短期实验，这限制了在气候、土壤性质和管理强度存在显著差异的系统中的可靠区域推断（Liu等人，2022年；Lu等人，2025年；Zhao等人，2018年）。最近的综述进一步表明，气候、土壤持水能力和养分供应能力、灌溉模式以及品种适应性共同影响灌溉的边际产量响应及其空间变异性（Yang等人，2025年；Zheng等人，2020年）。然而，在区域尺度上，对这些驱动因素的相对重要性及其直接和间接途径的系统性和可比量化仍然有限（Li等人，2022年；Liu等人，2022年）。

一个关键挑战是，IWP（或相关指标如水分利用效率[WUE]）的区域评估往往只是描述性的，或者依赖于与单一驱动因素的双变量相关性，而不是在多个地点和年份中测试综合的多因素框架（Li等人，2008年；Yan和Wu，2014年）。这一点很重要，因为农业生态区不仅在资源约束（如降雨不足和土壤储水能力）方面存在差异，在风险结构（包括产量稳定性和节水策略的权衡）方面也存在差异。因此，在一个情境下经验优化的灌溉计划可能在其他地方无法带来一致的IWP提升（Yang等人，2025年；Zeng等人，2021年；Zheng等人，2020年）。品种选择为提高区域IWP提供了另一个尚未充分量化的手段。根系吸水能力、冠层蒸腾调节、物候和同化物分配的差异可以改变灌溉的边际产量效益，从而可能在高IWP品种和匹配的灌溉制度之间产生协同效应（Fu等人，2025b；Wasson等人，2012年；Zhuang等人，2024年）。因此，需要一个统一的多点框架，综合考虑气候、土壤、管理及品种因素，以识别在不同生产环境中提高IWP的主要条件和可行组合。

在这里，我们汇总了NCP主要冬小麦生产县的多点田间试验数据，开发了一个区域尺度的框架来评估IWP并诊断其控制机制。我们测试了三个假设：（i）NCP不同农业生态区的IWP存在显著差异，可以通过特定区域的气候、土壤属性和管理特征组合来解释；（ii）品种差异显著调节灌溉的边际产量效益，高IWP品种与适当灌溉制度之间的协同作用是提高IWP的关键途径；（iii）管理对IWP的贡献取决于每个农业生态区的主要限制因素。为了提高可比性和可解释性，我们在一个统一的分析工作流程中应用了互补方法，包括使用随机森林模型识别关键预测因子和结构方程（路径）分析来区分直接和间接途径。具体而言，我们的目标是：（1）量化NCP主要农业生态区冬小麦IWP的幅度和区域差异；（2）划分气候、土壤、品种和农艺管理对IWP的相对贡献，并确定合理的效应途径；（3）提出针对区域特征的策略组合以提高IWP，并讨论其在面临类似水资源限制和生产强度的其他小麦地区的适用性。

实验部分

实验1

实验1分析了NCP多个主要粮食生产县的田间试验数据，涵盖了28个县。根据省级行政区划和冬小麦生长季节的气候特征，并参考了NCP现有的农业生态区划研究（Wang等人，2023b），将试验地点分为四个区域：海河平原（HAP，包括北京、天津和河北的核心农业区）、东部黄淮平原

NCP不同生态区域的IWP分布

为了表征小麦对灌溉的产量响应，量化了NCP各生态区域中灌溉量、粮食产量和IWP之间的关系（图3a）。观察到小麦产量与灌溉量之间存在线性-平台关系。具体来说，当灌溉量达到81.71毫米时，产量达到7787.47 kg ha^?1的平台值。超过这一阈值后，进一步增加灌溉量并不会带来额外的产量增长。

IWP在不同生态区域之间存在显著差异

讨论

基于多点实验，我们观察到NCP冬小麦的IWP存在明显的区域差异，表明在不同的气候、土壤和管理条件下，灌溉的产量回报存在强烈的空间异质性。由于IWP量化了灌溉特有的产量增益，其变化不仅反映了产量水平，还反映了在不同生态背景下将灌溉水转化为产量的能力。从这个意义上说，IWP是一个综合指标

结论

本研究揭示了NCP冬小麦IWP的显著区域差异，海河平原的平均值最高（1.78 kg m^?3），北部和南部地区的IWP较高，而中部地区的IWP较低。品种、GSP和EAT被确定为IWP的主要驱动因素，而土壤容重、土壤有机质、pH值和肥料投入具有区域特定的影响，过度灌溉会一致降低IWP。通过筛选39个优良品种表明

作者贡献声明

刘学静：概念化。 甄文超：概念化。 王斌：研究。 李金鹏：研究。 马佳宇：撰写——初稿，项目管理，研究。 尹宝忠：撰写——审阅与编辑，方法论。

利益冲突声明

作者马佳宇、尹宝忠、王斌、李金鹏、刘学静和甄文超声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作“提高冬小麦灌溉水生产力的区域驱动因素和策略：以华北平原为例”。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD2301500）的支持。