基于土壤湿度阈值的灌溉策略在气候变化背景下对新疆棉花生产的节水效果及经济效益

《European Journal of Agronomy》：Water-saving and economic benefits of a soil moisture threshold-based irrigation strategy for cotton in Xinjiang under climate change

　　陈斌|姚林佳|刘亚东|穆罕默德·阿明·贝纳利|闫长青|吴庚宏|关荣浩|李毅|张东岩|白杰|唐秋香|何建强|冯浩|于强|赵刚
中国陕西省杨凌市西北农林科技大学水土保持科学与工程学院水土保持与荒漠化控制国家重点实验室

**摘要**
气候变化和水资源日益短缺给新疆的棉花灌溉带来了严峻挑战。基于土壤湿度阈值的灌溉策略（SMTIS）为提高水资源利用效率和增强气候适应性提供了有希望的途径。然而，考虑到作物生理反应、空间异质性以及相关经济影响的区域性优化、阶段性土壤湿度阈值尚未得到充分量化。在这项研究中，我们将AquaCrop模型与基于约束的非线性优化框架相结合，通过最大化灌溉水生产力（在产量损失不超过10%的条件下）来优化阶段性土壤湿度阈值，并评估了2000–2022年历史时期以及2031–2050年和2061–2080年两个未来时期新疆的灌溉水需求和产量响应。AquaCrop模型与冠层覆盖度、地上生物量及籽棉产量的对比验证结果显示其准确性较高（R2 = 0.80–0.95；一致性指数 = 0.96–0.99）。与传统灌溉策略相比，SMTIS平均减少了约247毫米的季灌溉量。灌溉水生产力平均提高了0.83千克/立方米，在2070年代高排放情景下峰值提高接近1.0千克/立方米。在历史时期，SMTIS为所有地区带来了平均1.27×103元的经济效益。回归分析表明，气候因素（尤其是参考蒸发蒸腾量和降水量）对SMTIS的效果起主导作用，而在未来气候条件下，土壤性质的作用虽然次要但日益重要。总体而言，SMTIS是一种稳健且具有气候适应性的灌溉策略，能够显著节省灌溉用水，并支持干旱棉花种植区的有效灌溉规划和水资源管理。

**引言**
气候变化为全球农业系统带来了日益增加的不确定性，尤其是在水资源有限的干旱和半干旱地区（Mao等，2025）。位于中国西北部的新疆供应了中国90%以上的棉花，但严重依赖大规模灌溉（Geng等，2023；Hu等，2021；中国国家统计局，2022）（图S1）。传统的灌溉方式通常涉及固定间隔的灌溉，以补充土壤水分至田间持水量，虽然保证了产量稳定性，但导致了过度用水、地下水枯竭、土壤盐碱化以及环境压力增加（Geng等，2023；Guan等，2025；Guan等，2024；Li等，2024a；Song等，2023）。此外，气候预测表明中国西北部水资源的短缺程度加剧，水文气候变异性也在增加（Liu等，2024）。在这种双重压力下，提高灌溉水生产力（IWP）——定义为产量与季节灌溉量的比率——不再仅仅是技术目标，而是维持该地区棉花生产和农场盈利能力的关键要求（Shao等，2022）。这要求从传统的固定间隔灌溉方式转向更稳健、更节水的策略，以便在气候变异性增加的情况下保持产量稳定。

基于土壤湿度阈值（SMT）的灌溉作为一种有前景的灌溉调度范式，通过将灌溉触发与作物在不同生长期对水分的敏感度相匹配来提高水资源利用效率（Liu等，2025；Xiao等，2023）。实际应用中，定义这些SMT需要一个既符合生理学原理又具有可移植性的指标。虽然基于田间持水量（FC）或土壤基质势的阈值较为常见，但它们要么是特定地点适用的，要么需要密集的仪器设备，限制了其在区域范围内的适用性（He等，2020；Liu等，2025；Pan等，2019；Xiao等，2023）。相比之下，基于总可用水分（TAW）消耗的阈值具有独特优势：通过将土壤水分可用性标准化为田间持水量和永久萎蔫点之间的值，TAW基标准可在不同土壤类型之间普遍适用（Kelly和Foster，2021；Madramootoo和Mortel，2025）。然而，一个关键的知识空白尚未解决：如何确定不同生长阶段的最佳阈值组合？由于棉花对灌溉的敏感性会随季节动态变化（Ma和Li，2002），在气候不确定性下找到平衡产量稳定性和节水效果的理想阈值配置是一个复杂的非线性优化问题（Liu等，2025；Moghbel和Aguilar，2025）。传统的田间实验成本高昂且时间有限，难以全面探索这种组合空间或评估候选策略在未来的十年气候变异性和极端事件下的稳健性。这种局限性突显了基于建模的优化框架在设计稳健的阶段性SMT灌溉策略方面的必要性。

基于过程的作物模型通过整合生理过程、土壤水分平衡和在不同条件下的产量响应，为田间试验提供了有效的补充（García-Vila和Fereres，2012；R?tter等，2018；Zhou等，2025）。与传统实验相比，这些模型能够在广泛的时空尺度上系统地评估灌溉阈值（Himanshu等，2019；Thorp，2020）。在现有的作物模型中，AquaCrop在稳健性和简洁性之间保持了最佳平衡（Kelly和Foster，2021；Zhang等，2025）。与更详细的生理模型相比，AquaCrop所需的输入参数较少，这降低了数据稀缺地区的校准不确定性，并在水资源受限条件下实现了高模拟精度（Raes等，2009）。该模型已在全灌溉、亏缺灌溉和调节灌溉条件下得到了广泛验证，证明了其在再现冠层发育、生物量积累和对土壤水分限制的产量响应方面的可靠性（Jiang等，2025；Li等，2024b；Tan等，2018）。鉴于其参数简洁性和在新疆的应用可行性，AquaCrop为在变化的气候条件下优化灌溉策略提供了理想的平台。

尽管AquaCrop已被频繁用于评估和优化灌溉策略（Du等，2024；Linker等，2016；Zhang等，2022；Zhu等，2024），但大多数现有研究仍依赖于有限的预定义情景模拟（即试错方法），而不是正式的数学优化框架。因此，它们无法可靠地确定具有复杂、非线性作物-土壤-大气相互作用特征的灌溉调度问题的全球最优解。虽然一些最近的研究将作物模型与启发式优化算法（例如遗传算法）相结合以精细化灌溉计划（Liu等，2025；Wang等，2025），但仍存在几个关键问题。首先，大多数优化研究仅限于历史气候条件，未量化未来高排放情景和气候变暖加剧下的灌溉策略的稳健性。其次，现有应用主要在单一实验地点进行，忽略了广泛灌溉区域（如新疆）土壤性质的显著空间异质性，这些性质对SMT行为有重要影响。第三，优化目标通常侧重于产量最大化或灌溉水量减少，而对最终影响农民决策的经济权衡考虑不足。因此，缺乏系统优化的、在不同空间异质性和未来气候轨迹下都具有稳健性的阶段性SMT阈值。

为了弥合这些差距，本研究将AquaCrop与非线性优化框架相结合，推导出适用于新疆历史和未来气候情景的稳健、阶段性土壤湿度阈值基于的灌溉策略（SMTIS）。与传统主要追求绝对产量或IWP最大化的优化方法不同，我们的框架识别出在多十年气候变异性下最大化IWP同时明确约束产量失败风险（产量损失<10%）的阈值配置。具体而言，本研究旨在：（1）使用计算效率高的优化框架，为新疆多样的棉花生产地区推导出具有气候适应性的阶段性SMT；（2）量化历史（2000–2022）和未来（2031–2050及2061–2080）气候条件下的相关节水效果和IWP增益，并评估这些策略相对于历史基准条件下的传统灌溉实践的经济效益；（3）阐明控制SMTIS性能空间变异性的气候和土壤驱动因素。通过实现这些目标，本研究提供了区域尺度的前瞻性生物物理评估，并提供了支持在变化气候下可持续棉花生产的可操作灌溉策略。

**研究区域**
中国西北部的新疆维吾尔自治区（73°40′–96°18′E，34°25′–48°10′N）面积约为1.66×10?平方公里（图1a）。该地区被天山山脉分为北疆（NXJ）和南疆（SXJ）（图1），两者气候条件明显不同。位于较高纬度的NXJ通常更凉爽湿润，而受塔里木盆地干旱大陆性气候影响的SXJ则以...

**模型校准和验证**
使用10个实验站点的观测冠层覆盖度、地上生物量和籽棉产量对AquaCrop模型进行了校准和验证（图4）。冠层覆盖度（R2 = 0.94，RMSE = 7.45%，d = 0.99；验证时R2 = 0.95，RMSE = 6.69%，d = 0.99）和地上生物量（R2 = 0.95，RMSE = 1.29吨/公顷，d = 0.99；验证时R2 = 0.91，RMSE = 1.78吨/公顷，d = 0.99）也被很好地再现。

**讨论**
作为世界最大的棉花生产区之一，新疆面临严重的水资源短缺问题，因此高效灌溉至关重要（Chen等，2025b；Geng等，2023）。在这项研究中，我们将AquaCrop模型与SLSQP算法和克里金插值相结合，设计了一种基于土壤湿度阈值的灌溉策略（SMTIS）。经过验证后，SMTIS表明优化后的阈值可减少200–300毫米的季灌溉量，同时保持产量稳定。

**结论**
本研究将AquaCrop模型与非线性优化框架相结合，评估了基于土壤湿度阈值的灌溉策略（SMTIS）在历史和未来气候条件下的棉花产量和灌溉水需求的影响。平均而言，SMTIS减少了200–300毫米的季灌溉量，同时保持或提高了产量，使灌溉水生产力提高了0.5至1.0千克/立方米。在历史时期...

**作者贡献声明**
吴庚宏：撰写——原始草稿、监督、正式分析、概念化。
穆罕默德·阿明·贝纳利：撰写——审阅与编辑、方法论。
闫长青：撰写——审阅与编辑。
冯浩：撰写——审阅与编辑。
赵刚：撰写——原始草稿、监督、正式分析、概念化。
于强：撰写——审阅与编辑、监督。
刘亚东：撰写——审阅与编辑。
唐秋香：撰写——审阅与编辑。
陈斌：撰写——原始草稿。

**利益冲突声明**
我们声明不存在需要披露的利益冲突。

**致谢**
作者感谢国家自然科学基金（项目编号42101304）、陕西省重点研发计划（项目编号2023-ZDLNY-64）、国家现代农业产业技术体系-棉花产业技术体系（CARS-15–13）、新疆现代农业产业技术体系-棉花产业技术体系（XIARS-03）和三秦学者智慧农业创新团队的财政支持。