1农业高效用水理论

水资源缺乏已成为当今人类社会共同关注的问题.1988年,世界环境与发展委员会的文件指出:“水资源正在取代石油成为在全世界引起危机的主要问题”[46].面对世界性的水资源紧缺,能用于农业灌溉的用水将来不会显著增加,而且随着人口剧增和工业的发展,将来缺口最大的将会是农业用水[35].因此,如何用好有限的水资源,减少农业生产中水的需求量已成为一个国际性的研究目标.我国人均水资源2200m3,不足世界平均水平的1/4.农业是我国水资源利用的主体,农业用水总量占国民经济用水总量的70%以上,而且农业用水浪费严重,灌溉水利用率只有40%~60%,水分生产效率不到1kg•m-3,搞好农业高效用水对缓解我国水资源危机的意义更为重要[30].目前,不仅先进的农业高效用水技术和设备层出不穷,而且由于多学科的交叉渗透和综合集成,农业高效用水理论研究也有了很大进展.本文就国内外农业高效用水理论研究作一综述.

2农业高效用水的概念和内涵

农业高效用水,在国内人们习惯用“节水农业”这一提法[13].关于节水农业的定义,国内大致有两种观点.第一种观点认为节水农业只指灌溉农业,不包括旱作农业.粟宗嵩[23]、席承藩[47]等指出,节水型农业是灌溉农业的一种新形式,实质上就是节水灌溉.第二种观点认为,节水农业是提高用水有效性的农业,节水农业需解决的中心问题是提高自然降水和灌溉水的利用效率和效益,包括节水灌溉农业和旱作农业,节水灌溉仅是节水农业的一部分[14,33,49].节水包含在用水之中,发展旱地农业,需要研究如何提高降水利用的有效性,可见第一种提法是对节水农业的狭义定义,对旱地农业未给予足够的重视,而事实上随着水资源危机的加剧,旱地农业将成为缺水地区未来农业发展的一种积极对策.

显然,第二种观点对节水农业给予广义的定义,提倡既要大力发展节水灌溉农业,也要重视旱地农业,实现节水农业全面发展.节水农业的中心问题是提高降水和灌溉水的利用效率,用水有效性无疑成为判断节水措施效果与潜力的指标,包括水分利用率和水分利用效率[24].水分利用率主要是农田水利学研究的主要内容,包括渠道水利用率、渠系水利用率、田间水利用率和灌溉水利用率[16].水分利用效率是衡量作物产量与用水量关系的一种指标,是农学、生理学、气象学等学科的研究重点.作物产量分为光合产物、生物学产量和经济产量3个不同的层次,对应于产量的3个不同层次,水分利用效率也分为单叶、群体和产量3个水平[29,39].对作物用水而言,水分利用效率又可分为3种,一种是作物总的耗水量,即蒸散量,这是人们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,它对确定最佳灌溉定额是必不可少的;三是天然降雨,得到的是天然降水利用效率,它是旱地农业研究中的重要指标[31].农田用水从水源(降水和灌溉水)到形成作物产量需要经过3个环节.第一个环节是灌溉水从水源到田间的输水环节,存在提高输水率的问题;第二个环节是灌溉水在田间通过各种方式灌溉到作物根系层形成土壤水,存在提高灌溉水利用率的问题;第三个环节是土壤水为蒸发蒸腾所消耗,存在提高水分利用效率的问题.第一、二个环节与作物生理过程不直接相关,靠水资源合理利用、节水工程和管理来提高水的利用率.

第三个环节中,作物蒸腾直接参与作物的光合作用等生理过程,土壤蒸发不参与作物的生理活动,但是蒸发与蒸腾是并存的两个过程,二者之间存在密切的联系,需通过农业和生物措施提高水的利用效率.这两部分共同构成农业高效用水系统[53].综合对农业高效用水内涵的界定,着重强调了如下几点:农业高效用水的核心是提高水分利用率和利用效率;农业高效用水既包括灌溉农业,也包括旱地农业;农业高效用水涉及到自然科学、经济科学乃至社会科学的范畴,以多学科交叉的、综合的理论为基础,是一个复杂的系统工程,农业节水措施也是建立在农业节水综合理论体系上的综合技术体系,包括水资源的合理开发利用、工程节水措施、农业节水措施和管理节水措施.

3农业高效用水的水文学研究

这方面的研究主要集中在农田蒸发、蒸散(农田蒸发与植物蒸腾之和)以及作物水分生产函数研究等方面.农田蒸发、蒸散可通过测定和计算方法来确定.测定方法主要有水量平衡法、蒸渗仪(Lysimeter)法、土壤水分通量法和涡度相关法等.水量平衡法适用范围广,在非均匀下垫面和任何天气条件下都可以应用,目前此法仍被广泛采用[8].过去由于受到测湿仪器的限制,一般只能测定1周以上的农田蒸散量.随着张力计、中子仪、γ射线仪和电阻式土壤湿度仪的相继问世,使逐日测定土壤水分成为可能,水量平衡法估算短期农田蒸散的精度大大提高.对于其他各分量,多数研究也不再是进行简单的近似,而是在田间试验小区附近修建径流场、渗漏池及地下水利用量等测定装置,从而使测定数据具有较好的代表性.

自从1937年美国俄亥俄州的肖克顿安装蒸渗仪以后,该方法发展很快.联合国粮农组织曾就Lysime-ter的类型、安装、使用及维护等进行过专门介绍[11].蒸渗仪可实现农田蒸发、蒸散的精确测量,常用作其它方法校正用.但设计复杂,价格昂贵,器内植株的代表性对蒸发测定有影响,器内水分调节有困难,因此国内拥有的单位还不多.我国自20世纪80年代以来,先后在山东禹城、河南商丘、徐州汉王、保定冉庄等地安装了大型蒸渗仪[34].土壤水分通量法是采用中子仪或负压计实测土壤水势,利用“零通量面(ZFP)法”推算某一时段的农田蒸散量[20,26].该方法使用简单,是计算蒸散的一个新途径,但当地下水位很高,零通量面不存在时不能使用.当降雨频繁,零通量面不稳定时,也难以使用.涡度相关法是用特制的涡动通量仪,通过各种属性的湍流脉动值,直接测定出蒸发[38].涡度相关法具有完备的物理学基础,但由于其传感器制作要求严密而且造价昂贵,目前多用于研究工作,还未能作为一种常规观测仪器.

农田蒸发、蒸散的计算方法主要应用了能量平衡法、空气动力学法、经验公式法和综合法.能量平衡法是根据潜热对显热的比率(即波文比)来推算蒸发,理论依据严格,且不包括任何经验参数,但需要进行辐射平衡、土壤热通量和梯度观测,比其它方法烦琐,在风浪区小以及存在平流热时,误差也较大[2,48].空气动力学法是以近地边界层相似理论为基础的.它通过测量不同高度的风速和比湿,并假定水汽交换系数等于动量交换系数,便可计算出农田蒸散.但近地面风速廓线的形状取决于大气稳定度,因此传输系数相等假设这一事实很少成立.在应用该方法时,如果不能确保测定严格准确,误差将会很大,尤其是在不稳定层结下偏差更大.目前该方法只是在研究工作中使用,大面积应用还比较困难[4].水面蒸发量法、积温法、Blaney-Criddie法、Thornthwaite法等经验公式在计算蒸发方面也得到应用[41].这些经验公式方法简单,资料易得,计算大范围、长时段的蒸散具有一定精度,但其物理意义不够严密,公式适用的区域性较强,应用的局限性较大.Penman把能量平衡方程和空气动力学结合,基于在英国洛桑试验站20多年的试验研究,并引用干燥力的概念提出了农田蒸散计算公式[28].Penman公式具有良好的物理基础,又只用气象站资料,精度较高,因而在农田蒸散计算中得到广泛应用[44,51].

但Penman公式是基于英国的气候条件得出的,应用到其它地区时,必须进行有关系数的订正.在Penman等人研究的基础上,Monteith通过引入冠层阻力的概念导出了Penman-Monteith公式.根据分布在世界各地的11个蒸渗仪实测资料,Penman-Monteith公式计算的参考作物蒸散量优于Penman公式及其修正的Penman公式[1].1990年联合国粮农组织在意大利召开的蒸散量计算专题研讨会上,推荐用Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量[37].水量(灌水量、耗水量)投入与作物产量之间的定量关系称为水分生产函数.大量试验表明,作物产量与灌水量的关系不如与耗水量的关系密切,因此,作物水分生产函数一般是指产量与耗水量之间的关系,可分为全生育期水分生产函数和生育阶段水分生产函数[22].在水分为限制因素、产量水平较低时,产量与耗水量呈线性关系;在充分供水条件下,产量与耗水量呈抛物线或指数关系[25].生育阶段水分生产函数主要有以Jensen为代表的乘法模型和以Blank、Stewart为代表的加法模型[22].由于作物在某个生育阶段缺水时,不仅对该阶段产生影响,而且还会影响到以后各阶段,最终导致产量的降低.因此乘法模型在物理意义上要比加法模型优越.陈亚新[6]就这两种模型的外观有效性、建模假设、敏感指标的确认、两种模型间敏感指标的对应关系以及在应用中常遇到的主要问题做过专门论述.

4农业高效用水的土壤学基础研究

作物耗水的来源是降水、地表水和地下水,而真正为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转化中,土壤水是“五水”转化的纽带.近年来,我国重点进行了土壤适宜含水量和土壤干旱下限指标等方面的研究.我国西北地区黄土的水分物理学研究表明[15],其水分特征曲线在接近田间持水量处,水分有效性下降很快,而在田间持水量40%~80%范围内,土壤水分为作物利用的有效性下降非常缓慢.在此范围以内的土壤水分对作物吸收影响几乎同等有效(其能态指标接近).这类土壤从田间持水量的70%降低到50%时,其叶水势并不明显下降.而当叶片渗透势和含水量降低到40%以下时,才与70%供水植株的叶片表现有明显差异.

这表明在西北干旱和半干旱的黄土地区,土壤水分的有效性与植物根系吸水率相关,保持低含水量水平,不会使作物遭受明显干旱而大幅度减产.华北地区的研究表明[5],光合作用对土壤水分有一临界反应,当土壤水分低于田间持水量的65%~69%时,随着土壤水分的提高光合速率增大,若超出此临界值,光合速率将随土壤含水量的增加而降低;而蒸腾与土壤水分一直呈线性相关,因此以光合作用的临界湿度作为节水灌溉的田间土壤水分控制标准,不仅可控制蒸散量,而且还有利于作物生长和高产,显著提高作物水分生产效率.这些研究的适宜土壤水分指标显著区别于过去的70%田间持水量或以上的结论,为低定额的农业供水提供了土壤水分物理学的重要依据.

5农业高效用水的生理生态基础研究

在水分与作物产量的关系上,过去一直认为,任何时期、任何程度的水分亏缺都将造成作物减产.但近年研究表明,作物在适度水分亏缺的逆境下,对于有限缺水具有一定的适应性和低抗效应[42].早期适度水分亏缺不一定使产量显著降低,在某些作物上有利于增产,并使作物水分利用效率显著提高[45].禾谷类作物上的试验表明,苗期-拔节前,轻度-中度干旱后复水在生理生长和产量上可产生良好效果,对谷子而言,同化产物增长超过一直充足供水处理(包括光合速率、叶绿素含量、叶面积),同时,光合增加显著超过了蒸腾增加,显著提高了水分利用效率;对盆栽高粱而言,拔节前处于轻度至中等程度水分亏缺随后复水的处理,与一直处于充足供水的对照相比,产量提高了15.5%,水分利用效率提高了25.8%,且复水后保持了较高的水势和较低的渗透势,其光合和气孔导度也超过对照;对春小麦而言,田间试验拔节前浇水600m3•hm-2,为充足供水量的25%,产量则达到了充分供水的75%,水分利用效率达到最大值的95%,对土壤储水的利用率也提高了62%.上述结果说明,一定生育阶段一定程度的水分亏缺可使禾谷类作物在节约大量用水的同时获得较高产量[32].

已有资料表明,水分亏缺对与产量形成相关的各个生理过程的影响程度和顺序不同.叶片伸长对缺水最敏感,物质运输则最为迟钝,不很严重的干旱反而对物质运输有促进作用.在轻度干旱条件下,叶片生长受抑制,而光合则未受影响,复水后反而略有升高;适度干旱情况下,小麦籽粒对花期光合产物的利用率高于正常供水处理.在从轻度到严重的缺水过程中,缺水对禾谷类作物不同生理功能影响的先后顺序为细胞扩张>气孔运动>蒸腾运动>光合作用>物质运输[33].不同作物和品种对水分亏缺的反应不同,这集中表现在其水分利用效率的差异上.一般认为,水分利用效率是品种抗旱增长的典型性状,是可遗传的,可以通过引种或选育具有高水分利用率的抗旱或耐旱品种达到节水的目的[27,43].研究证明,作物种间WUE(水分利用效率)存在很大差异,通常可达到2~5倍.作物品种间WUE虽然不如作物种间差异大,但也很显著.小麦不同品种的WUE可相差40%.由于CO2同化方式的差异,C4作物的WUE比C3作物高出2~3倍,现在正尝试用分子生物技术来转变C3作物的碳代谢途径,尽管这种遗传工程难度很大,但C3~C4中间作物品种的存在已证明了实现它的可能性[40].选育水分利用率高的品种,需要一种有效的筛选指标,目前开始发展的13C丰度理论,为抗旱丰产育种提供了新思路和新方法[9,10,12].

6农业高效用水的灌溉理论研究

19世纪初,农业是以“丰水高产型”的充分灌溉为特征的,它的特点是适时适量地满足作物的需水要求,追求的是单位面积的高产而较少考虑水的效益.20世纪70年代初,充分灌溉理论发展到了最高峰,但也逐渐暴露出用水量大、效益低等缺陷[17].近年来,一种和“丰水高产型”的充分灌溉理论相对应,以有限亏缺效应为指导的非充分灌溉理论在农业灌溉的具体实践中初步产生,并逐渐受到人们的重视.非充分灌溉是指灌溉水源有限,不能充分满足作物需水量的条件下,如何把有限的水最优分配至不同作物及作物的各个阶段,追求的不是单位面积的产量最高,而是整个地区的总体增产[7].非充分灌溉最早出现于美国中部和南部干旱大平原,而后推广到美国西部干旱和半干旱地区.加利福尼亚中央河谷灌区,从1969~1977年对6种作物进行了为期9年的充分灌溉与非充分灌溉的对比实验.1981年由Marshall和Brian提出了非充分灌溉条件下可靠的产量模式与灌溉水的最优化管理问题.

80年代中期,我国开始进行专门试验探索非充分灌溉问题,分别在春小麦、玉米和水稻上开展了非充分灌溉试验研究[21].非充分灌溉以按作物的灌溉制度和需水关键期进行灌溉为技术特征,目前发展已比较完善,技术体系也比较成熟,得到了大面积的推广应用.调亏灌溉是澳大利亚持续灌溉农业研究所Tatura中心于20世纪70年代中期提出的一种新的灌溉理论[36].它主要是根据作物的生理生化作用受到遗传特性或生长激素影响的特征,在作物生长发育的某一阶段施加一定程度的有益亏水度,调节其光合产物向不同组织器官分配的倾斜,从而提高所需收获的产量而舍弃营养器官的生长量和有机物质的总量,达到节水增产的目的.其关键在于从作物的生理角度出发,根据其需水特征进行主动的调亏处理.调亏灌溉开辟了一条最佳调控水-土-植物-环境的有效途径,不失为一种更科学、更有效的新的灌水策略.国际上调亏灌溉的研究多在果树上进行[3,50].大田作物的研究国内刚刚起步[18,52].

调亏灌溉以按作物一定时期一定程度的亏水灌溉为技术特征,目前发展还不完善,不同作物的最佳调亏阶段、调亏程度(水分亏缺的下限与历时)以及与调亏灌溉技术相配套的作物栽培技术体系还有待于进一步研究.基于节水灌溉技术原理与作物感知缺水的根源信号理论而提出的控制性分根交替灌溉理论[19],其基本概念与传统灌水方式有着明显的不同.它追求的不是田间作物根系层的充分和均匀湿润,而强调从根系生长空间上,改变其土壤湿润方式,人为控制或保持根区土壤在某个区域干燥,交替使作物根系始终有一部分生长在干燥或较干燥的土壤区域中,限制该部分根系吸水,让其产生水分胁迫信号传递至叶气孔,形成最优气孔开度,而使一部分生长在湿润区的根系正常吸水,减少作物奢侈的蒸腾耗水和棵间全部湿润时的无效蒸发,达到以不牺牲作物的光合产物积累而大量节水的目的.人工气候室内进行的玉米分根交替供水试验表明,在光合产物不减少的前提下,比全面积均匀供水方式节水34.0%~36.85%.由此设计的玉米控制性分根交替隔沟灌溉技术在甘肃民勤县的应用表明,在保持高产水平下,比常规地面灌水技术节水33.3%[16].这种灌水新思路的提出,对改进传统灌水方式,实现节水理论与技术的突破具有重要的理论和现实意义.控制性分根交替灌溉以作物根系的交替灌溉为技术特征,需要进一步深入研究的问题包括最佳田间灌水技术方案、开发适于分根控制性交替灌溉的新兴灌水器以及与之配套的作物栽培技术体系等.

7展望

综观已取得的成果及存在的问题,未来农业高效用水理论将在以下几方面深入开展研究:

(1)界面研究.与节水有关的蒸发、蒸腾、下渗、根系吸水等发生在土壤-大气、作物-大气、土壤-地下水、土壤-根系等界面上,加强界面上水热通量规律及其与环境生态条件关系的研究,并寻找调控界面过程水热通量的有效措施,将成为未来农业高效用水研究的热点之一.

(2)土壤水动力学研究.土壤水是“五水”转化的纽带,对作物供水状况的一切调控措施最终的作用区域是根系层的土壤水.土壤水动力学理论是实施土壤水分调控的基础.广泛开展不同土壤不同的水分能态对于不同作物在不同生育期的可利用性和对作物光合作用、蒸腾作用的影响,研究不同灌溉技术的水分、热量、养分在土壤中的运移规律,是合理调控土壤水热状况,加强土壤水肥管理,实现农业高效用水的关键.

(3)生物节水研究.目前通过生物学技术已可以把某些抗旱耐盐基因移植到人们需要的植物上,并获得了令人振奋的结果,但仍需在与节水相关的生物代谢、信号传导、基因定位及遗传资源的筛选鉴定、基因分离等方面加强研究.

(4)缺水逆境研究.加强作物在水分亏缺逆境条件下的反应机制及胁迫释放后的反冲机制研究,为在作物生育期内合理分配有限的可供水量提供理论依据.