《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
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為解決半干旱旱作區降雨變異性強、水分敏感期干旱頻發導致的高粱產量不穩和水氮利用效率低下的問題，本研究聚焦于階段靶向的微補充灌溉（Micro-supplemental irrigation）策略。通過在黃土高原進行為期兩年的田間試驗，研究人員探究了拔節期與抽雄期不同水量分配對高粱產量形成、水氮利用效率的影響及其根-氮調控機制。研究發現，在拔節和抽雄兩期各施15mm灌溉（I15–15）的處理能通過優化根系形態（如根長密度RLD和根表面積密度RSD），顯著促進氮素吸收、葉面積指數（LAI）和葉綠素含量，進而實現產量、水分利用效率（WUE）和收獲指數（HI）的同步提升，并有效降低土壤剖面（0-100cm）中硝態氮殘留。這項研究為半干旱旱作區高粱制定了一項可量化、高效的分階段節水灌溉策略，揭示了有限水量輸入通過改善根系形態提升作物生產力的關鍵途徑，對保障區域糧食安全和農業水資源可持續利用具有重要意義。
在廣袤的中國北方旱作區，尤其是在黃土高原這片土地上，農業生產常常與“缺水”進行著艱苦卓絕的博弈。這里的耕地超過一半位于干旱和半干旱地區，莊稼的生長嚴重依賴老天爺賞賜的雨水。然而，降水的“脾氣”卻難以捉摸，常常在作物最需要水分的拔節、抽穗等關鍵生長階段“缺席”，導致頻繁的階段性干旱。高粱，作為一種耐旱、適應性強的旱地重要谷物，其產量的穩定對于當地農民的“飯碗”和經濟收入至關重要。面對有限的水資源，如何將每一滴水用在“刀刃”上，在無法進行充分灌溉的條件下，通過精準、微量的補水來穩定產量、提升水肥利用效率，成為了農業科學家和生產者們亟待破解的難題。盡管微補充灌溉作為一種節水理念已被提出，但其最佳的實施時機、水量分配方案，以及這種小水量、分階段的補水方式如何通過影響作物的“地下工程”——根系，來調控“地上收成”——產量，其中的具體機制尚不清晰。正是在這樣的背景下，一篇發表于《Agricultural Water Management》的研究，為我們深入理解并優化旱地高粱的節水灌溉策略提供了寶貴的科學證據。
為了探究上述問題，研究人員在黃土高原榆林市的國家高標準農田示范區開展了為期兩年（2022-2023）的田間試驗。研究基于區域長期降水數據，確定了拔節期和抽雄期為高粱的水分敏感期，并據此設計了一系列微補充灌溉處理。這些處理包括單階段灌溉（僅在拔節期或抽雄期進行）和雙階段灌溉（在兩個時期均進行），灌溉水量在9mm至24mm之間變化，并設置了不灌溉的對照（覆蓋與不覆蓋地膜）。研究綜合運用了多種技術方法來系統評估灌溉策略的效果。主要技術方法包括： 1. 田間試驗設計與農藝性狀測定：采用隨機區組設計，精確控制各處理灌溉量，系統測定作物產量、地上部干物質、葉面積指數（LAI）、葉綠素與類胡蘿卜素含量等農藝與生理指標。2. 根系形態定量分析：在抽雄期，使用根鉆分層采集根系樣本，通過專業掃描儀和WinRHIZO Pro軟件分析根長密度（RLD）、根表面積密度（RSD）和根干重密度（RMD）等關鍵根系形態參數。3. 植株與土壤氮素分析：采用凱氏定氮法測定植株不同器官的氮含量，計算氮素積累量；利用連續流動分析儀測定不同土層深度的土壤硝態氮（NO3--N）殘留。4. 多元統計與模型分析：運用皮爾遜相關性分析、Mantel檢驗探討各指標間的關聯；通過結構方程模型（SEM）和隨機森林（Random Forest）模型，解析微補充灌溉影響產量與水分利用效率（WUE）的關鍵路徑和主導因素。
研究結果揭示了分階段微補充灌溉對高粱生長、產量及水氮利用的深刻影響：
3.1. 干物質分配
與雨養對照相比，微補充灌溉顯著增加了高粱拔節期和成熟期的地上部干物質積累。在單階段灌溉中，同等水量下，抽雄期灌溉（I0–15）比拔節期灌溉（I15–0）在成熟期積累了更多的干物質。而在雙階段灌溉中，拔節和抽雄期各施15mm（I15–15）的處理在兩個年份均獲得了最高的成熟期干物質。
3.2. LAI、葉綠素和類胡蘿卜素
灌溉處理普遍提高了拔節期和抽雄期的葉面積指數（LAI）、總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。雙階段灌溉（特別是I15–15和I24–15）在改善冠層光合特性方面表現最優。
3.3. 根系形態
在窄行中心（A）和植株正下方（B）的取樣位置，微補充灌溉顯著增加了0-55cm土層的根長密度（RLD）和根表面積密度（RSD）。根系主要集中分布在0-35cm的淺層土壤。雙階段灌溉對根系生長的促進效應總體上優于單階段灌溉。
3.4. 地上部植株氮吸收、分配和土壤NO3--N殘留
灌溉顯著提高了高粱在抽雄期和成熟期的氮素積累量，尤其是成熟期穗部的氮積累。與此同時，灌溉處理降低了0-40cm土層，特別是20-40cm土層在成熟期的土壤硝態氮殘留，表明作物對氮素的吸收利用更為充分。
3.5. 產量、品質、水分生產力和HI
在產量方面，I15–15處理表現最佳，相對于無灌溉無覆蓋的對照（CK0），其產量增幅高達98.1%-138.4%。在品質上，灌溉降低了籽粒蛋白質含量，但提高了淀粉和脂肪含量。在水氮利用效率上，I15–15處理同樣顯著提升了水分利用效率（WUE）、灌溉水利用效率（IWUE）和收獲指數（HI）。
3.6. 微補充灌溉對高粱產量、生物量和種子蛋白含量的綜合分析
相關性分析和Mantel檢驗表明，冠層性狀（LAI、葉綠素）、根系形態（RLD、RSD）和植株總氮吸收（TNU）與灌溉水量呈顯著正相關，與土壤硝態氮殘留呈負相關。結構方程模型（SEM）結果顯示，灌溉通過改善根系形態，進而促進氮吸收和冠層功能，最終提升產量。隨機森林分析進一步確認，總氮吸收（TNU）是預測產量的最重要因子，其次是根系表面積密度（RSD）和葉面積指數（LAI）。
研究結論與討論部分對上述發現進行了整合與升華。本研究明確指出，在半干旱旱作系統中，微補充灌溉的效果更多地取決于有限水量在生長季內的時機與分配，而非灌溉總量本身。將30mm的灌溉水量在拔節期和抽雄期各分配15mm（I15–15）是最優策略。這一策略之所以成功，其核心機制在于它通過優化根系形態（增加RLD和RSD），構建了更高效的水分和養分吸收“網絡”。這個改善的“地下系統”直接或間接地（通過促進氮素吸收和維持冠層光合功能）驅動了產量和水分利用效率（WUE）的提升，并減少了收獲后土壤中的硝態氮淋失風險。研究也揭示了灌溉帶來的品質權衡（增產增淀粉但降蛋白）以及年際間氣候條件（特別是抽雄后的干旱高溫）對灌溉效益的調控作用，強調了管理策略需要因地制宜、因年施策。
這項研究的重要意義在于，它不僅為黃土高原旱地高粱生產提供了一項具體、可操作的分階段節水灌溉方案，更重要的是，它從根-氮-冠層協同的生理生態機制層面，闡明了為什么這種“小水量、抓關鍵”的灌溉方式能夠奏效。這為在更廣泛的旱作農業區推廣基于作物需求和水文規律的精準水分管理提供了理論依據和實踐范例，對在氣候變化背景下保障旱區糧食安全、提高農業水資源可持續利用能力具有重要的科學價值和現實指導意義。未來研究可在不同土壤氣候區進行驗證，并進一步結合氮肥管理等，以優化灌溉策略，實現產量、品質和環境效益的多贏。
