基于優(yōu)化灌溉制度模擬的作物對(duì)地下水利用研究進(jìn)展

章啟兵 劉 猛 王 輝

一、引言

“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路賦予了新時(shí)期治水的新內(nèi)涵、新要求、新任務(wù)。節(jié)水優(yōu)先是新時(shí)期治水工作必須始終遵循的根本方針。這是在吸取世界各國(guó)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)我國(guó)國(guó)情水情深刻分析研究后作出的科學(xué)選擇。為推進(jìn)實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，確保實(shí)現(xiàn)水資源開(kāi)發(fā)利用和節(jié)約保護(hù)的主要目標(biāo)，嚴(yán)格用水總量控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污“三條紅線”，著力挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，迫切需要改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式。要實(shí)現(xiàn)節(jié)水型農(nóng)業(yè)需從過(guò)去充分滿足作物豐產(chǎn)灌溉用水的舊觀念中走出來(lái)，圍繞優(yōu)化灌溉制度等方面研究農(nóng)田灌溉的經(jīng)濟(jì)用水問(wèn)題，以便能在向農(nóng)田供給總灌溉水量一定的條件下，通過(guò)灌溉水量的合理分配，獲得最大的效益，或者在獲得同等效益時(shí)使耗費(fèi)的灌溉水量最小。

在土壤—植物—大氣連續(xù)體SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continum）中作物對(duì)地下水的吸收利用是其中重要環(huán)節(jié)，作物對(duì)地下水利用是地下水通過(guò)土壤毛管作用向作物根系層運(yùn)動(dòng)被作物所利用的那部分騰發(fā)量，主要與地下水埋深、土壤質(zhì)地等因素有關(guān)，影響因素多且相互間的關(guān)系比較復(fù)雜。在地下水埋深較淺的地區(qū)，土壤—植物—大氣連續(xù)體中的水分因自然和人為作用必然要和地下水發(fā)生聯(lián)系，不同埋深地下水對(duì)土壤水分分布和農(nóng)作物產(chǎn)量、水分利用效率等有著不同程度的影響。定量研究地下水對(duì)SPAC系統(tǒng)水分過(guò)程、生物過(guò)程和能量過(guò)程等的作用和影響，對(duì)于深入分析包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律和科學(xué)利用地下水、制定合理優(yōu)化的灌溉制度方案以及農(nóng)田水資源調(diào)控等具有重大的科學(xué)意義。本文從優(yōu)化灌溉模型、作物對(duì)地下水利用等關(guān)鍵技術(shù)方法方面總結(jié)現(xiàn)有的成果和相關(guān)研究趨勢(shì)，為地下水淺埋區(qū)節(jié)水灌溉模式、農(nóng)田水資源調(diào)控等領(lǐng)域的研究提供參考和思路。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

1.優(yōu)化灌溉制度模型研究進(jìn)展

優(yōu)化灌溉制度是將一定灌溉水量在作物各生育階段進(jìn)行合理分配的多階段決策過(guò)程，確定作物優(yōu)化灌溉制度的模型方法有線性規(guī)劃（LP）、非線性規(guī)劃（NLP）、動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）、隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃（SDP）、模糊動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型（FDP）、大系統(tǒng)遞階模型等。DP模型一般將階段初可用灌溉水量與土壤含水率作為狀態(tài)變量，各階段灌溉水量為決策變量，SDP模型在該基礎(chǔ)上將降雨等不確定因素作為隨機(jī)變量處理。張展羽等基于Morgan模型，用二維DP模型求解了冬小麥的最優(yōu)灌溉制度。崔遠(yuǎn)來(lái)等以作物水分生產(chǎn)函數(shù)為依據(jù)，用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃（SDP）模擬凈灌水量在作物各個(gè)生育階段的最優(yōu)分配，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一作物灌溉制度的優(yōu)化。付強(qiáng)等以改進(jìn)的加速遺傳算法（RAGA）與多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃法（DP）相結(jié)合，建立了遺傳動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型（RA-GA-DP），解決了在求解作物非充分灌溉制度優(yōu)化過(guò)程中陷入局部最優(yōu)而難于得到真正最優(yōu)解的問(wèn)題。模擬優(yōu)化模型及水量平衡模型也應(yīng)用到灌溉制度的模擬和評(píng)價(jià)中，尚松浩在水量平衡模型及作物生產(chǎn)函數(shù)的基礎(chǔ)上建立了作物灌溉制度的模擬優(yōu)化模型，并利用單純形搜索法求解北京地區(qū)冬小麥返青后的最優(yōu)灌溉制度。溫季等為了考慮隨機(jī)因素（氣象因素等）對(duì)冬小麥灌溉的影響，用時(shí)間序列方法建立了蒸發(fā)蒸騰量的隨機(jī)模型，并將其導(dǎo)入田間水量平衡方程，推導(dǎo)出冬小麥灌溉的隨機(jī)模擬模型。陳皓銳等提出冬小麥根層土壤水量平衡的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，為獲取冬小麥根系層水量轉(zhuǎn)化情況，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模思想和Vensim軟件構(gòu)建了冬小麥一維逐日土壤水量平衡模型。模型將2m土層概化為十個(gè)串聯(lián)的水箱，計(jì)算了灌溉降雨后的土壤水分下滲、土壤蒸發(fā)、作物蒸騰、毛管上升補(bǔ)給和水分重分配等物理過(guò)程。章啟兵采用離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃法（DDDP）建立安徽淮北平原區(qū)主要旱作物優(yōu)化灌溉制度模型。湯廣民等依據(jù)安徽水科院新馬橋農(nóng)水綜合試驗(yàn)站作物水分生產(chǎn)函數(shù)專項(xiàng)試驗(yàn)資料建立了小麥等4種主要農(nóng)作物的作物—水模型和作物優(yōu)化灌溉制度的數(shù)學(xué)模型，分析確定了經(jīng)濟(jì)灌溉定額以及優(yōu)化灌溉的節(jié)水增產(chǎn)效果。

2.作物對(duì)地下水利用研究進(jìn)展

由于地表蒸發(fā)和作物蒸騰作用，淺埋地下水能補(bǔ)給土壤一定的水量以滿足作物根系吸水。地下水補(bǔ)給土壤的水量或作物對(duì)地下水的利用量實(shí)際是指在有作物覆蓋情況下的潛水蒸發(fā)。此部分水量從不能被作物直接利用的地下水轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀蛔魑镂绽玫耐寥浪?，將減少灌溉定額，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，對(duì)擬定灌溉制度等具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)地下水埋深較淺的黃淮海平原地區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)也具有重大的實(shí)際意義。

在地下水淺埋地區(qū)，地下水可通過(guò)毛管上升而補(bǔ)給包氣帶土壤，作物根系的吸水作用大大加快地下水向包氣帶土層水分運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度。地下水通過(guò)影響作物的根系生長(zhǎng)，進(jìn)而影響作物的根冠關(guān)系和灌層的光合作用，對(duì)作物的水分利用效率和作物產(chǎn)量發(fā)生作用。Wesseling等認(rèn)為地下水過(guò)淺時(shí)減少了根系的氧氣供給，從而限制了作物的養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)。Shin對(duì)地下水埋深為0.30m、0.60m、0.85m時(shí)甜高梁的生長(zhǎng)研究表明，甜高梁的產(chǎn)量與地下水埋深成負(fù)相關(guān)關(guān)系。一些研究表明對(duì)于地下水作用下作物產(chǎn)量和地下水埋深之間存在一個(gè)最優(yōu)的地下水埋深，這一最優(yōu)地下水埋深是作物、土壤和氣候的函數(shù)。Hiler等對(duì)不同地下水位埋深時(shí)高粱的產(chǎn)量研究表明地下水位埋深為0.90m時(shí)高粱產(chǎn)量最高。Cavazza等發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.25m時(shí)，冬小麥產(chǎn)量最高，地下水埋深大于1.25m時(shí)，如果不進(jìn)行人工灌溉，冬小麥產(chǎn)量會(huì)降低。楊建鋒就淺地下水埋深區(qū)潛水對(duì)SPAC系統(tǒng)作用進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明，在地下水埋深較淺的地區(qū)，潛水參與和影響了SPAC系統(tǒng)的水分、生物、化學(xué)等過(guò)程。潛水通過(guò)控制土壤水分分布影響冬小麥根系發(fā)育和冬小麥產(chǎn)量，對(duì)于冬小麥，在沒(méi)有灌溉的條件下，存在著一個(gè)最優(yōu)地下水位埋深，約在1.5m左右。陳建耀等利用大量水平衡因子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就潛水蒸發(fā)量對(duì)蒸散的貢獻(xiàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明潛水蒸發(fā)與作物蒸散發(fā)的關(guān)系非常復(fù)雜，當(dāng)?shù)叵滤粸?.89～2.65m，潛水蒸發(fā)對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)份額平均約為17%。王曉紅等通過(guò)開(kāi)展不同地下水埋深條件下冬小麥和玉米全生育期潛水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，探討淺埋深地下水對(duì)作物生長(zhǎng)規(guī)律的影響。實(shí)驗(yàn)表明，在地下水淺埋地區(qū)地下水對(duì)作物的生長(zhǎng)過(guò)程有著明顯的影響作用。地下水埋深的不同導(dǎo)致了主根的下扎深度和側(cè)根與分枝根在不同層次上的分布密度有很大差異，地下水通過(guò)影響作物的根系生長(zhǎng)，進(jìn)而影響到作物耗水規(guī)律、作物的水分利用效率及作物地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育。張朝新利用安徽省水科院五道溝實(shí)驗(yàn)站地中蒸滲儀觀測(cè)設(shè)備對(duì)旱作物對(duì)地下水利用進(jìn)行了研究，表明作物對(duì)地下水利用量是非?？捎^的，從多年平均值來(lái)看，在適宜生長(zhǎng)的地下水埋深的范圍內(nèi)，早作物對(duì)地下水利用量一般占蒸發(fā)蒸騰量的50%～70%，其中小麥占60%～85%，黃豆占50%～87%，玉米占60%～87%。楊鵬年等研究了淺層地下水對(duì)灌溉的補(bǔ)償效應(yīng)，利用Hydrus軟件對(duì)不同地下水埋深下膜下滴灌棉花生育期耗水量進(jìn)行了模擬。研究揭示地下水對(duì)棉花的耗水具有一定的補(bǔ)償作用，地下水埋深越淺，灌溉定額越小。

三、研究展望

以往優(yōu)化灌溉制度主要研究一定的水量如何在作物的生育期進(jìn)行合理分配，以實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量最大或效益最高的目標(biāo)。農(nóng)作物優(yōu)化灌溉制度及水資源優(yōu)化分配模型研究中存在僅考慮經(jīng)濟(jì)效益而忽略生態(tài)環(huán)境效益、農(nóng)業(yè)用水效率較低、模型中指數(shù)取值研究不足等問(wèn)題，今后在農(nóng)作物水資源優(yōu)化分配模型的相應(yīng)研究中，應(yīng)考慮多目標(biāo)規(guī)劃模型及生態(tài)影響目標(biāo)，在優(yōu)化灌溉制度模型中嵌套作物對(duì)地下水利用模型，并運(yùn)用決策支持系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行水資源優(yōu)化，發(fā)展多作物優(yōu)化組合及優(yōu)化配水模型，從而為確定區(qū)域節(jié)水模式和水資源承載能力及生態(tài)環(huán)境改良提供更加科學(xué)合理的依據(jù)。因此，今后應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

1.作物根系吸水模型研究

構(gòu)建科學(xué)合理的根系吸水模型可定量化研究模擬植物根系吸水情景并準(zhǔn)確估算植物根系吸水量，根系吸水模型從機(jī)理上闡釋了根對(duì)土壤水分的吸收，能夠描述根區(qū)微域內(nèi)土壤水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也有助于深刻理解和描述植物的需水特性和水分來(lái)源。

根系在吸水過(guò)程中充當(dāng)重要角色，決定著作物持續(xù)吸水的時(shí)間和區(qū)域，控制著根吸收水分的速率在土壤剖面上的相對(duì)強(qiáng)度。無(wú)論根系是主動(dòng)還是被動(dòng)吸水，均需克服土壤阻力、土根界面阻力及根的徑向、軸向阻力，而這些阻力大小和分布與根系特性及生長(zhǎng)、分布狀況具有密切關(guān)系。此外，根系大小還會(huì)改變土壤有效含水量和臨界土水勢(shì)，從而影響作物利用水分狀況及抗旱能力。

在SPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)移是其中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，而在這個(gè)子系統(tǒng)中，水分運(yùn)動(dòng)定量描述的關(guān)鍵在于確定根系吸水率的大小及其在剖面上的分布。因此需加強(qiáng)微觀和宏觀尺度作物根系吸水模型的深入研究。

2.地下水與SPAC系統(tǒng)耦合機(jī)理研究

淺層地下水對(duì)SPAC系統(tǒng)的水分過(guò)程和生物過(guò)程都有著顯著的影響，淺層地下水參與和影響了SPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)移和能量分配的物理過(guò)程，作物生長(zhǎng)和根系發(fā)育的生物過(guò)程，農(nóng)藥化肥等化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移、轉(zhuǎn)化和積累的化學(xué)過(guò)程。SPAC系統(tǒng)應(yīng)向地下水含水層擴(kuò)展和延伸，將地下水含水層與土壤—植物—大氣連續(xù)體納入到統(tǒng)一體系中構(gòu)成地下水含水層—土壤—植物—大氣連續(xù)體（Groundwater aquifer-Soil-P1ant-Atmosphereontinuum，GSPAC）。構(gòu)建GSPAC系統(tǒng)的關(guān)鍵在于將地下水的作用耦合嵌入到統(tǒng)一模型中。開(kāi)展地下水與SPAC系統(tǒng)耦合機(jī)理研究，深入闡明淺層地下水參與SPAC系統(tǒng)水分過(guò)程、生物過(guò)程和化學(xué)過(guò)程的機(jī)理，能夠更加系統(tǒng)全面地掌握地表水文過(guò)程、含水層中地下水流動(dòng)過(guò)程以及農(nóng)田尺度下SPAC過(guò)程的相互影響。

3.地下水埋深對(duì)作物影響機(jī)理研究

地下水埋深影響作物土壤水分吸收和鹽份運(yùn)移，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況和最終產(chǎn)量。作物產(chǎn)量隨地下水埋深變化只是地下水對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)生作用的外在表現(xiàn)，問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是土壤水分布控制著作物干物質(zhì)的積累與分配和作物對(duì)水分的有效利用。開(kāi)展地下水埋深對(duì)作物根系土壤水分和鹽分運(yùn)移的影響、地下水埋深對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響、地下水埋深對(duì)作物產(chǎn)量的影響、地下水補(bǔ)給通量、根區(qū)土壤儲(chǔ)水量和作物騰發(fā)量關(guān)系等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，揭示地下水埋深對(duì)作物影響機(jī)理，在闡明機(jī)理的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)調(diào)控地下水埋深來(lái)協(xié)調(diào)作物根冠關(guān)系，提高作物水資源利用效率，促進(jìn)和優(yōu)化干物質(zhì)的積累和分配