農業高效用水理論探究
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水資源缺乏已成為當今人類社會共同關注的問題.1988年,世界環境與發展委員會的文件指出:“水資源正在取代石油成為在全世界引起危機的主要問題”[46].面對世界性的水資源緊缺,能用于農業灌溉的用水將來不會顯著增加,而且隨著人口劇增和工業的發展,將來缺口最大的將會是農業用水[35].因此,如何用好有限的水資源,減少農業生產中水的需求量已成為一個國際性的研究目標.我國人均水資源2200m3,不足世界平均水平的1/4.農業是我國水資源利用的主體,農業用水總量占國民經濟用水總量的70%以上,而且農業用水浪費嚴重,灌溉水利用率只有40%~60%,水分生產效率不到1kg•m-3,搞好農業高效用水對緩解我國水資源危機的意義更為重要[30].目前,不僅先進的農業高效用水技術和設備層出不窮,而且由于多學科的交叉滲透和綜合集成,農業高效用水理論研究也有了很大進展.本文就國內外農業高效用水理論研究作一綜述.
2農業高效用水的概念和內涵
農業高效用水,在國內人們習慣用“節水農業”這一提法[13].關于節水農業的定義,國內大致有兩種觀點.第一種觀點認為節水農業只指灌溉農業,不包括旱作農業.粟宗嵩[23]、席承藩[47]等指出,節水型農業是灌溉農業的一種新形式,實質上就是節水灌溉.第二種觀點認為,節水農業是提高用水有效性的農業,節水農業需解決的中心問題是提高自然降水和灌溉水的利用效率和效益,包括節水灌溉農業和旱作農業,節水灌溉僅是節水農業的一部分[14,33,49].節水包含在用水之中,發展旱地農業,需要研究如何提高降水利用的有效性,可見第一種提法是對節水農業的狹義定義,對旱地農業未給予足夠的重視,而事實上隨著水資源危機的加劇,旱地農業將成為缺水地區未來農業發展的一種積極對策.
顯然,第二種觀點對節水農業給予廣義的定義,提倡既要大力發展節水灌溉農業,也要重視旱地農業,實現節水農業全面發展.節水農業的中心問題是提高降水和灌溉水的利用效率,用水有效性無疑成為判斷節水措施效果與潛力的指標,包括水分利用率和水分利用效率[24].水分利用率主要是農田水利學研究的主要內容,包括渠道水利用率、渠系水利用率、田間水利用率和灌溉水利用率[16].水分利用效率是衡量作物產量與用水量關系的一種指標,是農學、生理學、氣象學等學科的研究重點.作物產量分為光合產物、生物學產量和經濟產量3個不同的層次,對應于產量的3個不同層次,水分利用效率也分為單葉、群體和產量3個水平[29,39].對作物用水而言,水分利用效率又可分為3種,一種是作物總的耗水量,即蒸散量,這是人們普遍所指的水分利用效率;二是灌溉水量,得到的是灌溉水利用效率,它對確定最佳灌溉定額是必不可少的;三是天然降雨,得到的是天然降水利用效率,它是旱地農業研究中的重要指標[31].農田用水從水源(降水和灌溉水)到形成作物產量需要經過3個環節.第一個環節是灌溉水從水源到田間的輸水環節,存在提高輸水率的問題;第二個環節是灌溉水在田間通過各種方式灌溉到作物根系層形成土壤水,存在提高灌溉水利用率的問題;第三個環節是土壤水為蒸發蒸騰所消耗,存在提高水分利用效率的問題.第一、二個環節與作物生理過程不直接相關,靠水資源合理利用、節水工程和管理來提高水的利用率.
第三個環節中,作物蒸騰直接參與作物的光合作用等生理過程,土壤蒸發不參與作物的生理活動,但是蒸發與蒸騰是并存的兩個過程,二者之間存在密切的聯系,需通過農業和生物措施提高水的利用效率.這兩部分共同構成農業高效用水系統[53].綜合對農業高效用水內涵的界定,著重強調了如下幾點:農業高效用水的核心是提高水分利用率和利用效率;農業高效用水既包括灌溉農業,也包括旱地農業;農業高效用水涉及到自然科學、經濟科學乃至社會科學的范疇,以多學科交叉的、綜合的理論為基礎,是一個復雜的系統工程,農業節水措施也是建立在農業節水綜合理論體系上的綜合技術體系,包括水資源的合理開發利用、工程節水措施、農業節水措施和管理節水措施.
3農業高效用水的水文學研究
這方面的研究主要集中在農田蒸發、蒸散(農田蒸發與植物蒸騰之和)以及作物水分生產函數研究等方面.農田蒸發、蒸散可通過測定和計算方法來確定.測定方法主要有水量平衡法、蒸滲儀(Lysimeter)法、土壤水分通量法和渦度相關法等.水量平衡法適用范圍廣,在非均勻下墊面和任何天氣條件下都可以應用,目前此法仍被廣泛采用[8].過去由于受到測濕儀器的限制,一般只能測定1周以上的農田蒸散量.隨著張力計、中子儀、γ射線儀和電阻式土壤濕度儀的相繼問世,使逐日測定土壤水分成為可能,水量平衡法估算短期農田蒸散的精度大大提高.對于其他各分量,多數研究也不再是進行簡單的近似,而是在田間試驗小區附近修建徑流場、滲漏池及地下水利用量等測定裝置,從而使測定數據具有較好的代表性.
自從1937年美國俄亥俄州的肖克頓安裝蒸滲儀以后,該方法發展很快.聯合國糧農組織曾就Lysime-ter的類型、安裝、使用及維護等進行過專門介紹[11].蒸滲儀可實現農田蒸發、蒸散的精確測量,常用作其它方法校正用.但設計復雜,價格昂貴,器內植株的代表性對蒸發測定有影響,器內水分調節有困難,因此國內擁有的單位還不多.我國自20世紀80年代以來,先后在山東禹城、河南商丘、徐州漢王、保定冉莊等地安裝了大型蒸滲儀[34].土壤水分通量法是采用中子儀或負壓計實測土壤水勢,利用“零通量面(ZFP)法”推算某一時段的農田蒸散量[20,26].該方法使用簡單,是計算蒸散的一個新途徑,但當地下水位很高,零通量面不存在時不能使用.當降雨頻繁,零通量面不穩定時,也難以使用.渦度相關法是用特制的渦動通量儀,通過各種屬性的湍流脈動值,直接測定出蒸發[38].渦度相關法具有完備的物理學基礎,但由于其傳感器制作要求嚴密而且造價昂貴,目前多用于研究工作,還未能作為一種常規觀測儀器.
農田蒸發、蒸散的計算方法主要應用了能量平衡法、空氣動力學法、經驗公式法和綜合法.能量平衡法是根據潛熱對顯熱的比率(即波文比)來推算蒸發,理論依據嚴格,且不包括任何經驗參數,但需要進行輻射平衡、土壤熱通量和梯度觀測,比其它方法煩瑣,在風浪區小以及存在平流熱時,誤差也較大[2,48].空氣動力學法是以近地邊界層相似理論為基礎的.它通過測量不同高度的風速和比濕,并假定水汽交換系數等于動量交換系數,便可計算出農田蒸散.但近地面風速廓線的形狀取決于大氣穩定度,因此傳輸系數相等假設這一事實很少成立.在應用該方法時,如果不能確保測定嚴格準確,誤差將會很大,尤其是在不穩定層結下偏差更大.目前該方法只是在研究工作中使用,大面積應用還比較困難[4].水面蒸發量法、積溫法、Blaney-Criddie法、Thornthwaite法等經驗公式在計算蒸發方面也得到應用[41].這些經驗公式方法簡單,資料易得,計算大范圍、長時段的蒸散具有一定精度,但其物理意義不夠嚴密,公式適用的區域性較強,應用的局限性較大.Penman把能量平衡方程和空氣動力學結合,基于在英國洛桑試驗站20多年的試驗研究,并引用干燥力的概念提出了農田蒸散計算公式[28].Penman公式具有良好的物理基礎,又只用氣象站資料,精度較高,因而在農田蒸散計算中得到廣泛應用[44,51].
但Penman公式是基于英國的氣候條件得出的,應用到其它地區時,必須進行有關系數的訂正.在Penman等人研究的基礎上,Monteith通過引入冠層阻力的概念導出了Penman-Monteith公式.根據分布在世界各地的11個蒸滲儀實測資料,Penman-Monteith公式計算的參考作物蒸散量優于Penman公式及其修正的Penman公式[1].1990年聯合國糧農組織在意大利召開的蒸散量計算專題研討會上,推薦用Penman-Monteith公式計算參考作物蒸散量[37].水量(灌水量、耗水量)投入與作物產量之間的定量關系稱為水分生產函數.大量試驗表明,作物產量與灌水量的關系不如與耗水量的關系密切,因此,作物水分生產函數一般是指產量與耗水量之間的關系,可分為全生育期水分生產函數和生育階段水分生產函數[22].在水分為限制因素、產量水平較低時,產量與耗水量呈線性關系;在充分供水條件下,產量與耗水量呈拋物線或指數關系[25].生育階段水分生產函數主要有以Jensen為代表的乘法模型和以Blank、Stewart為代表的加法模型[22].由于作物在某個生育階段缺水時,不僅對該階段產生影響,而且還會影響到以后各階段,最終導致產量的降低.因此乘法模型在物理意義上要比加法模型優越.陳亞新[6]就這兩種模型的外觀有效性、建模假設、敏感指標的確認、兩種模型間敏感指標的對應關系以及在應用中常遇到的主要問題做過專門論述.
4農業高效用水的土壤學基礎研究
作物耗水的來源是降水、地表水和地下水,而真正為作物利用的只有土壤水.在降水、地表水、地下水、土壤水和植物水的相互轉化中,土壤水是“五水”轉化的紐帶.近年來,我國重點進行了土壤適宜含水量和土壤干旱下限指標等方面的研究.我國西北地區黃土的水分物理學研究表明[15],其水分特征曲線在接近田間持水量處,水分有效性下降很快,而在田間持水量40%~80%范圍內,土壤水分為作物利用的有效性下降非常緩慢.在此范圍以內的土壤水分對作物吸收影響幾乎同等有效(其能態指標接近).這類土壤從田間持水量的70%降低到50%時,其葉水勢并不明顯下降.而當葉片滲透勢和含水量降低到40%以下時,才與70%供水植株的葉片表現有明顯差異.
這表明在西北干旱和半干旱的黃土地區,土壤水分的有效性與植物根系吸水率相關,保持低含水量水平,不會使作物遭受明顯干旱而大幅度減產.華北地區的研究表明[5],光合作用對土壤水分有一臨界反應,當土壤水分低于田間持水量的65%~69%時,隨著土壤水分的提高光合速率增大,若超出此臨界值,光合速率將隨土壤含水量的增加而降低;而蒸騰與土壤水分一直呈線性相關,因此以光合作用的臨界濕度作為節水灌溉的田間土壤水分控制標準,不僅可控制蒸散量,而且還有利于作物生長和高產,顯著提高作物水分生產效率.這些研究的適宜土壤水分指標顯著區別于過去的70%田間持水量或以上的結論,為低定額的農業供水提供了土壤水分物理學的重要依據.
5農業高效用水的生理生態基礎研究
在水分與作物產量的關系上,過去一直認為,任何時期、任何程度的水分虧缺都將造成作物減產.但近年研究表明,作物在適度水分虧缺的逆境下,對于有限缺水具有一定的適應性和低抗效應[42].早期適度水分虧缺不一定使產量顯著降低,在某些作物上有利于增產,并使作物水分利用效率顯著提高[45].禾谷類作物上的試驗表明,苗期-拔節前,輕度-中度干旱后復水在生理生長和產量上可產生良好效果,對谷子而言,同化產物增長超過一直充足供水處理(包括光合速率、葉綠素含量、葉面積),同時,光合增加顯著超過了蒸騰增加,顯著提高了水分利用效率;對盆栽高粱而言,拔節前處于輕度至中等程度水分虧缺隨后復水的處理,與一直處于充足供水的對照相比,產量提高了15.5%,水分利用效率提高了25.8%,且復水后保持了較高的水勢和較低的滲透勢,其光合和氣孔導度也超過對照;對春小麥而言,田間試驗拔節前澆水600m3•hm-2,為充足供水量的25%,產量則達到了充分供水的75%,水分利用效率達到最大值的95%,對土壤儲水的利用率也提高了62%.上述結果說明,一定生育階段一定程度的水分虧缺可使禾谷類作物在節約大量用水的同時獲得較高產量[32].
已有資料表明,水分虧缺對與產量形成相關的各個生理過程的影響程度和順序不同.葉片伸長對缺水最敏感,物質運輸則最為遲鈍,不很嚴重的干旱反而對物質運輸有促進作用.在輕度干旱條件下,葉片生長受抑制,而光合則未受影響,復水后反而略有升高;適度干旱情況下,小麥籽粒對花期光合產物的利用率高于正常供水處理.在從輕度到嚴重的缺水過程中,缺水對禾谷類作物不同生理功能影響的先后順序為細胞擴張>氣孔運動>蒸騰運動>光合作用>物質運輸[33].不同作物和品種對水分虧缺的反應不同,這集中表現在其水分利用效率的差異上.一般認為,水分利用效率是品種抗旱增長的典型性狀,是可遺傳的,可以通過引種或選育具有高水分利用率的抗旱或耐旱品種達到節水的目的[27,43].研究證明,作物種間WUE(水分利用效率)存在很大差異,通常可達到2~5倍.作物品種間WUE雖然不如作物種間差異大,但也很顯著.小麥不同品種的WUE可相差40%.由于CO2同化方式的差異,C4作物的WUE比C3作物高出2~3倍,現在正嘗試用分子生物技術來轉變C3作物的碳代謝途徑,盡管這種遺傳工程難度很大,但C3~C4中間作物品種的存在已證明了實現它的可能性[40].選育水分利用率高的品種,需要一種有效的篩選指標,目前開始發展的13C豐度理論,為抗旱豐產育種提供了新思路和新方法[9,10,12].
6農業高效用水的灌溉理論研究
19世紀初,農業是以“豐水高產型”的充分灌溉為特征的,它的特點是適時適量地滿足作物的需水要求,追求的是單位面積的高產而較少考慮水的效益.20世紀70年代初,充分灌溉理論發展到了最高峰,但也逐漸暴露出用水量大、效益低等缺陷[17].近年來,一種和“豐水高產型”的充分灌溉理論相對應,以有限虧缺效應為指導的非充分灌溉理論在農業灌溉的具體實踐中初步產生,并逐漸受到人們的重視.非充分灌溉是指灌溉水源有限,不能充分滿足作物需水量的條件下,如何把有限的水最優分配至不同作物及作物的各個階段,追求的不是單位面積的產量最高,而是整個地區的總體增產[7].非充分灌溉最早出現于美國中部和南部干旱大平原,而后推廣到美國西部干旱和半干旱地區.加利福尼亞中央河谷灌區,從1969~1977年對6種作物進行了為期9年的充分灌溉與非充分灌溉的對比實驗.1981年由Marshall和Brian提出了非充分灌溉條件下可靠的產量模式與灌溉水的最優化管理問題.
80年代中期,我國開始進行專門試驗探索非充分灌溉問題,分別在春小麥、玉米和水稻上開展了非充分灌溉試驗研究[21].非充分灌溉以按作物的灌溉制度和需水關鍵期進行灌溉為技術特征,目前發展已比較完善,技術體系也比較成熟,得到了大面積的推廣應用.調虧灌溉是澳大利亞持續灌溉農業研究所Tatura中心于20世紀70年代中期提出的一種新的灌溉理論[36].它主要是根據作物的生理生化作用受到遺傳特性或生長激素影響的特征,在作物生長發育的某一階段施加一定程度的有益虧水度,調節其光合產物向不同組織器官分配的傾斜,從而提高所需收獲的產量而舍棄營養器官的生長量和有機物質的總量,達到節水增產的目的.其關鍵在于從作物的生理角度出發,根據其需水特征進行主動的調虧處理.調虧灌溉開辟了一條最佳調控水-土-植物-環境的有效途徑,不失為一種更科學、更有效的新的灌水策略.國際上調虧灌溉的研究多在果樹上進行[3,50].大田作物的研究國內剛剛起步[18,52].
調虧灌溉以按作物一定時期一定程度的虧水灌溉為技術特征,目前發展還不完善,不同作物的最佳調虧階段、調虧程度(水分虧缺的下限與歷時)以及與調虧灌溉技術相配套的作物栽培技術體系還有待于進一步研究.基于節水灌溉技術原理與作物感知缺水的根源信號理論而提出的控制性分根交替灌溉理論[19],其基本概念與傳統灌水方式有著明顯的不同.它追求的不是田間作物根系層的充分和均勻濕潤,而強調從根系生長空間上,改變其土壤濕潤方式,人為控制或保持根區土壤在某個區域干燥,交替使作物根系始終有一部分生長在干燥或較干燥的土壤區域中,限制該部分根系吸水,讓其產生水分脅迫信號傳遞至葉氣孔,形成最優氣孔開度,而使一部分生長在濕潤區的根系正常吸水,減少作物奢侈的蒸騰耗水和棵間全部濕潤時的無效蒸發,達到以不犧牲作物的光合產物積累而大量節水的目的.人工氣候室內進行的玉米分根交替供水試驗表明,在光合產物不減少的前提下,比全面積均勻供水方式節水34.0%~36.85%.由此設計的玉米控制性分根交替隔溝灌溉技術在甘肅民勤縣的應用表明,在保持高產水平下,比常規地面灌水技術節水33.3%[16].這種灌水新思路的提出,對改進傳統灌水方式,實現節水理論與技術的突破具有重要的理論和現實意義.控制性分根交替灌溉以作物根系的交替灌溉為技術特征,需要進一步深入研究的問題包括最佳田間灌水技術方案、開發適于分根控制性交替灌溉的新興灌水器以及與之配套的作物栽培技術體系等.
7展望
綜觀已取得的成果及存在的問題,未來農業高效用水理論將在以下幾方面深入開展研究:
(1)界面研究.與節水有關的蒸發、蒸騰、下滲、根系吸水等發生在土壤-大氣、作物-大氣、土壤-地下水、土壤-根系等界面上,加強界面上水熱通量規律及其與環境生態條件關系的研究,并尋找調控界面過程水熱通量的有效措施,將成為未來農業高效用水研究的熱點之一.
(2)土壤水動力學研究.土壤水是“五水”轉化的紐帶,對作物供水狀況的一切調控措施最終的作用區域是根系層的土壤水.土壤水動力學理論是實施土壤水分調控的基礎.廣泛開展不同土壤不同的水分能態對于不同作物在不同生育期的可利用性和對作物光合作用、蒸騰作用的影響,研究不同灌溉技術的水分、熱量、養分在土壤中的運移規律,是合理調控土壤水熱狀況,加強土壤水肥管理,實現農業高效用水的關鍵.
(3)生物節水研究.目前通過生物學技術已可以把某些抗旱耐鹽基因移植到人們需要的植物上,并獲得了令人振奮的結果,但仍需在與節水相關的生物代謝、信號傳導、基因定位及遺傳資源的篩選鑒定、基因分離等方面加強研究.
(4)缺水逆境研究.加強作物在水分虧缺逆境條件下的反應機制及脅迫釋放后的反沖機制研究,為在作物生育期內合理分配有限的可供水量提供理論依據.
