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01 文章导读
在全球水资源紧缺与粮食安全压力日益突出的背景下，提高作物水分利用效率 (WUE) 已成为农业可持续发展的核心问题。针对以往研究多局限于局地试验或单因子分析的不足，北京师范大学水科学研究院刘海军教授团队，基于1990~2024年发表的冬小麦资料，整合了气候条件、灌溉施肥管理和耕作措施等多源数据，系统构建了大尺度数据库，并运用多元统计与主成分分析方法量化了主要驱动因子对WUE的贡献。研究同时开展空间异质性分析，揭示了不同区域在气候约束和农业管理条件下对WUE的差异化响应。该成果为理解冬小麦生产体系中自然与人为因素的耦合作用提供了新证据，并为节水型农业发展与水肥资源优化配置提供了科学依据。
02 研究过程及结果
本研究通过检索关键词“水分利用效率”“灌溉”“施肥”“耕作”“作物”，整理了1990~2024发表在国内和国际期刊上的数据，包括作物产量和水分利用效率，气候条件 (温度、降水、日照)、灌溉施肥管理 (灌溉方式、灌溉量、氮肥施用量) 以及耕作措施 (深松、旋耕等)。通过严格的质量控制与一致性检查，构建了统一的大数据库。在此基础上，研究采用多元回归、主成分分析 (PCA) 和方差贡献率方法，系统评估不同因素对冬小麦水分利用效率 (WUE) 及产量的影响，并通过对灌溉量、氮肥施用量和耕作方式的分组对比，量化其对提升WUE的具体作用。结果显示，气候条件、灌溉施肥管理和耕作措施是影响WUE的三大主要因素，其中灌溉方式、灌溉量和氮肥施用量的贡献率最高。
图1. 相关研究文献数随时间变化趋势。
◉ 水分利用效率的时序变化特征
分析显示，1990~2024年期间，冬小麦WUE在主产区总体呈逐步提升趋势。不同区域表现出差异化特征：北方干旱半干旱区WUE提升幅度较大，部分区域年平均WUE增加了约8~12%，而南方湿润地区提升幅度相对较小，仅为3~5%。这一趋势与灌溉和施肥管理水平提升密切相关，说明在保障作物产量的同时，科学管理可以显著提高水资源利用效率。此外，分析表明年际气候变异对WUE的影响明显，干旱年份WUE相对偏低，但通过优化灌溉策略可部分缓解气候不利效应。
图2. 环境因子对 (A) 水分利用效率 (WUE)、(B) 小麦产量和 (C) 季节性作物蒸散 (ET) 的影响。
图3. 灌溉方式和灌水量对小麦产量的影响。
图4. 灌溉方式和灌水量对季节性作物蒸散量的影响。
◉ 关键驱动因子的定量评估
进一步分析揭示，气候条件、灌溉方式与灌溉量、氮肥施用量是WUE提升的核心因子。研究表明，喷灌和滴灌相较于漫灌可平均提升WUE约10~15%，适宜灌溉量在160~240毫米之间可获得最佳水分利用效率。氮肥施用量在150~200千克/公顷范围内，能同时提升产量和WUE。耕作方式如深松和旋耕能够改善土壤结构，增加土壤蓄水能力和根系吸水效率，使WUE在同等灌溉条件下提高约5~7%。方差贡献率分析显示，灌溉管理对WUE的贡献最大，其次为施肥管理和耕作措施，气候条件的直接贡献略低，但通过与管理措施的交互作用影响显著。
图5. 灌溉方式和灌水量对水分利用效率的影响。
图6. N和P施肥对 (A) 产量、(B) ET和 (C) 水分利用效率的影响。
图7. 耕作方式对 (A) 产量、(B) ET和 (C) WUE的影响。
◉ 空间异质性及优化路径
空间分析发现，不同区域WUE的变化呈现显著异质性。北方干旱半干旱区对灌溉量和施肥水平高度敏感，优化灌溉和施肥措施可显著提升WUE，而南方湿润地区则更多受温度、降水等气候条件制约。进一步分析显示，在干旱区，合理灌溉结合喷灌或滴灌技术，可将WUE提升至全国平均水平以上；在施肥管理优化下，氮肥施用量控制在推荐范围，可减少环境损失同时保证产量。研究表明，不同区域应采取差异化水肥管理策略，以实现水资源利用最大化和作物生产可持续发展。
图8. 各因素对用水效率的贡献率分析。
图9. 各因子对小麦产量的贡献率分析。
03 研究总结
本研究通过对冬小麦主产区长期多源数据的整合分析，揭示了水分利用效率 (WUE) 的总体提升趋势，并明确了其主要驱动因子。研究发现，适宜的灌溉量、科学的施肥水平以及高效的耕作措施共同作用于WUE提升，其中灌溉方式与施肥量贡献最为突出。同时，结果显示WUE在不同区域存在显著的空间差异：干旱区更依赖节水灌溉与合理施肥，而湿润区则受气候条件影响更强。这些发现不仅为水肥资源的优化配置提供了新的证据，也为理解农业生产系统中自然与人为因素的耦合作用提供了科学支撑。
04 研究展望
未来研究应进一步结合作物生理机制与气候过程，深入揭示水分利用效率形成与调控的机理；同时发展基于大数据和作物模型的预测方法，以提升对不同气候变化情景下WUE演变的模拟能力；此外，高分辨率遥感与智能农业技术的应用将有助于实现对WUE时空变化的精细化监测；最后，应推动研究成果与政策制定和田间管理实践相结合，探索区域节水型农业的发展路径，为粮食安全与水资源可持续利用提供有力支撑。
原文出自 Water 期刊：https://www.mdpi.com/2073-4441/17/4/564
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/water
Water 期刊介绍
主编：Jean-Luc PROBST, University of Toulouse, France
期刊涵盖所有水资源领域相关的科学技术，主要包括全球和区域水循环的可持续管理，水资源及其与粮食、能源、生物多样性、生态系统功能和人类健康的互联。期刊鼓励领域内研究人员发表实验、理论、建模和大数据等相关研究成果。
2024 Impact Factor：3.0
2024 CiteScore：6.0
Time to First Decision：19.1 Days
Acceptance to Publication：2.6 Days
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