干旱地区黄瓜种植新突破：亏缺灌溉与生物炭协同作用研究

《Scientific Reports》：Influence of deficit irrigation and biochar amendment on growth, physiology, and yield of cucumber in West Texas

为缓解水资源压力，研究人员探究亏缺灌溉（DI）和生物炭对黄瓜的影响，发现 DI 的 I2 处理优势明显，生物炭影响待明确。

　　

研究背景：干旱地区农业的困境与希望

在广袤的美国西部德州，农业生产对 Ogallala 含水层的依赖程度极高，这片半干旱区域约 90% 的灌溉用水都取自于此。然而，过度开采使得含水层水位持续下降，农业可持续发展面临严峻挑战。黄瓜作为当地重要的夏季作物，其种植也深受水资源短缺的影响。在这样的背景下，如何在减少水资源消耗的同时保证黄瓜产量，成为了亟待解决的问题。

传统的灌溉方式在干旱地区愈发显得捉襟见肘，亏缺灌溉（Deficit Irrigation，DI）作为一种节水策略逐渐受到关注。它通过减少作物的灌溉水量，提高水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE），理论上可以在水资源有限的情况下维持一定的作物产量。而生物炭作为一种土壤改良剂，具有增加土壤保水能力等特性，有望与亏缺灌溉协同作用，进一步优化农业生产。但此前，将这两种策略结合在德州西部种植黄瓜的研究却极为少见。为填补这一空白，来自 Texas Tech University 等机构的研究人员开展了此项研究，成果发表于《Scientific Reports》 。

研究方法：多因素试验探寻最优策略

研究人员在德州理工大学的 Quaker Research Farm 进行了为期两年（2021 - 2022 年）的田间试验。采用裂区设计，将基于生长阶段的四种灌溉水平（I1：100% 作物蒸散量（ET_c） - 100% ET_c；I2：80% ET_c - 60% ET_c；I3：60% ET_c - 80% ET_c；I4：40% ET_c - 40% ET_c）作为主区因素，三种生物炭施用量（0 t/ha、15 t/ha 和 20 t/ha）作为副区因素，每个处理设置四个重复。

实验过程中，利用多种专业仪器对各项指标进行精准测量。通过便携式光合作用系统（Model LI - COR - 6800）测量净光合作用（P_n）、气孔导度（g_s）、蒸腾作用（E）和瞬时水分利用效率（iWUE）；使用 AccuPAR Ceptometer 测量叶面积指数（LAI）；通过采集土壤样本，运用特定方法测定土壤饱和导水率（K_sat） 。对收集到的数据采用方差分析（ANOVA）和 Fisher 最小显著差异（LSD）检验进行统计分析。

研究结果：节水与增产的平衡探索

1. 天气与灌溉：2022 年比 2021 年更炎热干燥，降雨分布不均。不同灌溉处理在两年中均实现了一定的节水效果，如 2021 年 I2、I3、I4 处理分别节水 27%、10%、46%；2022 年分别节水 22%、17%、37% 。
2. 生物炭对土壤饱和导水率的影响：2021 年，不同生物炭处理间 K_sat无显著差异；2022 年，15 t/ha 和 20 t/ha 的生物炭处理使 K_sat分别提高了 1.6 倍和 2.2 倍。这表明生物炭在改善土壤水力性质方面具有一定潜力，但可能需要一定时间才能发挥作用。
3. 对黄瓜生理参数的影响
   • 叶绿素含量：适度的水分胁迫（如 I2 和 I3 处理）有时会增加黄瓜叶片的叶绿素含量；而严重水分胁迫（I4 处理）会降低叶绿素含量。2022 年，高生物炭施用量在一定程度上促进了叶绿素合成。
   • 气孔导度和蒸腾作用：I4 处理在 2021 年 33 天和 2022 年 42 天的气孔导度最低；80% ET_c的灌溉水平（如 I2 处理）在某些时期能维持较高的气孔导度。蒸腾作用受气孔导度影响，在不同灌溉处理下表现出相似的变化趋势。
   • 光合作用和瞬时水分利用效率：不同灌溉处理下，净光合作用（P_n）在不同时期有差异，I2 处理在半干旱气候条件下能较好地维持 P_n 。I4 处理在部分时期的 iWUE 显著高于其他处理，表明极端水分胁迫下黄瓜植株可能通过调整生理过程提高水分利用效率。
4. 对黄瓜生长和产量的影响
   • 叶面积指数、生物量和产量：I2 和 I3 处理在不同生长阶段能维持较高的 LAI，有利于光合作用和产量形成。不同灌溉水平显著影响黄瓜的干生物量和产量，I2 处理在 2021 - 2022 年的产量损失相对较小，分别为 14% 和 13%，且生物量生产与 I1 处理相似，具有节水优势。生物炭处理对黄瓜生长、生理和产量的影响较小，但 15 t/ha 和 20 t/ha 的生物炭处理在一定程度上提高了产量，不过未达到显著水平。

研究结论与意义：开启干旱地区农业新篇

综合来看，本研究表明，在半干旱的德州西部，基于生长阶段的亏缺灌溉（如 I2 处理）可作为一种有前景的节水策略应用于黄瓜种植，在减少约 25% 灌溉用水的同时，仅造成 14% 的产量损失，且不影响植株生长和生理参数。生物炭在提高半干旱土壤饱和导水率方面有一定作用，但对黄瓜生长、生理和产量的影响有限。未来还需进一步研究生物炭的长期效应，以明确其在黄瓜种植中的应用潜力。

此项研究为干旱地区黄瓜种植的水资源管理提供了重要参考，有助于指导蔬菜种植者、水资源使用者和政策制定者合理分配水资源，推动干旱地区农业的可持续发展。同时，也为利用生物炭改良土壤、优化灌溉策略提供了新的思路，为后续相关研究奠定了基础。