虧缺灌溉的國外研究進展

鄒小陽，肖克飚，胡封兵

(1.廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530000；2.中科院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

隨著世界人口迅速增長，對農(nóng)作物產(chǎn)量的需求不斷提升[1]。但目前可供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的淡水資源呈減少趨勢。因此，提升作物水分生產(chǎn)力勢在必行[2]。此前的國外研究集中于如何最大限度提高作物總產(chǎn)量。近年，國外研究逐漸關(guān)注限制農(nóng)作物產(chǎn)量增加的限制因子，如土地資源和水資源等。干旱半干旱地區(qū)，水分是限制作物生長的主要因素，研究發(fā)現(xiàn)虧缺灌溉(DI)適宜在干旱半干旱地區(qū)推廣使用[3- 5]。本文總結(jié)了國外關(guān)于虧缺灌溉的研究成果，并分析了作物水分生產(chǎn)力模型在評估和設(shè)計虧缺灌溉方案中的作用，以期為我國虧缺灌溉的未來研究方向提供參考。

1 虧缺灌溉

1.1 虧缺灌溉概念

虧缺灌溉是指作物在干旱敏感期的一種優(yōu)化灌溉方法。若降水可滿足作物最基本的水分供應(yīng)，虧缺灌溉量可適當減少，甚至無需灌溉。水分限量供應(yīng)僅適用于耐旱物候階段，通常是營養(yǎng)生長階段和晚熟階段。因此，在整個作物生長周期內(nèi)，灌溉總量與灌溉需求不成正比。雖然這不可避免地導(dǎo)致植物受干旱脅迫而產(chǎn)量減少，但虧缺灌溉能最大限度提高水分生產(chǎn)力。因此，虧缺灌溉目標是穩(wěn)定作物產(chǎn)量，使水分生產(chǎn)力最大化而非產(chǎn)量最大化[6]。

作物的干旱耐受性與作物基因型及物候期有關(guān)，因而各類作物存在較大差異。虧缺灌溉需準確了解作物在不同生長階段對干旱脅迫的反應(yīng)[7]，并全面評估作物在虧缺灌溉條件下產(chǎn)量減少形成的經(jīng)濟影響[8- 9]。在水資源匱乏地區(qū)，作物水分生產(chǎn)力最大化產(chǎn)生的成本遠低于產(chǎn)量最大化所需成本。

1.2 虧缺灌溉國外應(yīng)用情況

虧缺灌溉源于美國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，美國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以現(xiàn)代化灌溉技術(shù)研究為基礎(chǔ)，節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化迅猛發(fā)展，虧缺灌溉技術(shù)得到了大面積推廣。據(jù)最新統(tǒng)計，美國虧缺灌溉面積占節(jié)水灌溉總面積約25.62%。

以色列作為全球節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)最發(fā)達的國家之一，追溯到1953年，以色列即開始嘗試節(jié)水灌溉技術(shù)，解決了國家水資源分布不均問題。以色列是最早提出虧缺灌溉初始定義的國家，20世紀90年代，以色列大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，虧缺灌溉是以色列干旱地區(qū)的主要節(jié)水灌溉技術(shù)，并在國內(nèi)干旱地區(qū)推廣。

1.3 不同作物的研究結(jié)果

1.3.1季節(jié)性作物水分生產(chǎn)函數(shù)

Tarkalson等[10]和Oweis等[11]研究發(fā)現(xiàn)，是否灌溉或作物耐受干旱脅迫的水平在不同物候階段之間無顯著差異，而不同區(qū)間的范圍存在差異。不同研究得出的曲線形狀不同，這可能是由于一些實驗設(shè)計中的干旱脅迫范圍小于相對土壤蒸發(fā)范圍[23]，或者某些區(qū)間用一系列近似的線性函數(shù)擬合而來。

Hanson等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱地區(qū)，虧缺灌溉比僅依靠降雨更有效，作用大小取決于可用的雨量是否達到最低的水分要求。在極端情況下，虧缺灌溉才能滿足達到最大的水分生產(chǎn)率的要求，即第四區(qū)間不存在，且線性部分具有縱軸負截距的情況下。

Tolk等[13]研究了美國不同干旱地區(qū)小麥對虧缺灌溉的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)虧缺灌溉較完全灌溉效果更好，且作物水分生產(chǎn)函數(shù)的線性區(qū)間在蒸發(fā)量最大時，水分生產(chǎn)率最大[14]。不同地區(qū)的扁豆[15]、綠豆[16]、大豆[17]和紅花[18]等作物的水分生產(chǎn)曲線呈拋物線，甜菜的水分生產(chǎn)函數(shù)呈線性或凸曲線；而不同干旱地區(qū)的玉米，其作物水分生產(chǎn)曲線呈線性[19]。

1.3.2不同干旱脅迫下的物候階段

本文從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度分析了虧缺灌溉的優(yōu)化方法。作物水分生長函數(shù)優(yōu)先考慮是否在最大水分需求量或蒸散量處達到最大水分生產(chǎn)率。Lovelli等[20]研究發(fā)現(xiàn)，單一的虧缺灌溉模式不適用于全部作物，且不同作物的干旱耐受水平與相應(yīng)的作物水分生長函數(shù)差異顯著。

Ilbeyi等[19]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用虧缺灌溉后，小麥在水分生存力增加的同時產(chǎn)量下降緩慢；相比僅依靠降雨，采用精確優(yōu)化灌溉的冬小麥產(chǎn)量增加65%；與降雨為主和完全灌溉相比，水分生產(chǎn)力增加1倍。在敘利亞和孟加拉國的研究也發(fā)現(xiàn)，虧缺灌溉對增加小麥的水分生產(chǎn)力具有重要作用。

玉米在不同物候階段對虧缺灌溉響應(yīng)較差，而采用完全灌溉的效果更好。Pandey等[21]研究了施肥量(N-rate)和虧缺灌溉對玉米的綜合影響，發(fā)現(xiàn)完全灌溉條件下的水分生產(chǎn)力最高，而水分缺乏造成玉米生長早期的營養(yǎng)缺乏，與不同氮肥水平的作物水分生長函數(shù)一致。

Webber等[14]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，僅使用完全灌溉所需水量的一半，能夠使藜麥產(chǎn)量穩(wěn)定在1.6t/ha的水平且具有優(yōu)良的粒度。其中灌溉只需在對干旱敏感的階段應(yīng)用，即作物播種、開花和早期灌漿時期。Iniesta等[22]發(fā)現(xiàn)，在討論樹木和深根作物中由于虧缺灌溉造成水分生產(chǎn)力大幅增加時，通常不考慮更深土層的土壤水分消耗。此外，虧缺灌溉對作物的其他影響如芒果果實大小也有正面影響。

1.4 虧缺灌溉的優(yōu)勢和制約因素

虧缺灌溉的主要優(yōu)點是最大限度提高水分利用率。盡管作物產(chǎn)量有一定減少，但作物的質(zhì)量(如糖含量，粒度)比降雨或完全灌溉處理更好。相對于產(chǎn)量最大化，通過虧缺灌溉最大化水分生產(chǎn)力可提高農(nóng)民經(jīng)濟收入。此外，虧缺灌溉單產(chǎn)可以穩(wěn)定在特定的水平，從而保證農(nóng)民的穩(wěn)定收入與更經(jīng)濟的生產(chǎn)規(guī)劃。相比完全灌溉，虧缺灌溉可降低農(nóng)作物生長區(qū)域的濕度，進而減少真菌病害風險。

減少作物生長周期灌溉水量可減少養(yǎng)分從根區(qū)浸出流失，從而改善地下水水質(zhì)和降低施肥需求。Garabet等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)性嚴重干旱脅迫下的作物在施用少量化肥時，仍可保持較高產(chǎn)量；過度施肥可能導(dǎo)致作物更易缺水，并導(dǎo)致收獲指數(shù)下降。Tarkalson等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在施用足夠的氮肥時，完全灌溉可提高作物產(chǎn)量；這表明不同虧缺灌溉方法適用于不同的最佳肥料水平。因此，在不同的作物管理因素中，虧缺灌溉是最有效的。通常虧缺灌溉和減少施肥會產(chǎn)生雙贏效應(yīng)，即同時應(yīng)用虧缺灌溉與優(yōu)化施肥水平增加的產(chǎn)量(WP較高)，高于分別應(yīng)用這兩個因素后產(chǎn)量增加的總和。

虧缺灌溉還可通過灌溉來控制播期，從而改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃。Oweis等[11]使用模型研究發(fā)現(xiàn)，由于作物生長周期控制的水平較高，而灌溉對氣候的敏感性較低，播種日期可以錯開，從而使供水量減少20%。因此灌溉系統(tǒng)邊緣地區(qū)的水分生產(chǎn)力顯著增長。Kipkorir等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在缺水條件下，高粱和玉米分別延遲開花7d和17d，成熟期延遲5d和12d。McMaster等[24]發(fā)現(xiàn)干旱會縮短小麥和大麥的作物生長周期。因此通過控制作物周期的長短，虧缺灌溉可以改善農(nóng)業(yè)活動規(guī)劃。

基于國外的研究成果，可知虧缺灌溉在運用中包含較多限制因素，實際使用中應(yīng)滿足以下條件：①仔細研究作物對干旱脅迫的反應(yīng)。對于最大水分生產(chǎn)力出現(xiàn)在較小范圍蒸發(fā)量時的作物，確定應(yīng)用虧缺灌溉的最佳時機較為困難。②在作物生長的敏感階段，應(yīng)通過灌溉完全滿足其需水量，而在區(qū)域尺度較大或在缺水期間情況并非總是如此。③應(yīng)始終提供最小量的灌溉用水，而這一條件在灌溉水資源匱乏的極端干旱地區(qū)不能保證。④應(yīng)采取措施避免鹽漬化，虧缺灌溉才能取得成功。

1.5 在缺水灌溉條件下提高水分生產(chǎn)率的原因

Fereres等[3]和Karam等[25]研究發(fā)現(xiàn)，虧缺灌溉提升水分生產(chǎn)力原因如下：減少土壤水分蒸發(fā)損失，避免特定物候階段的干旱脅迫對作物繁殖與營養(yǎng)之間生物量分配的負面影響(收獲指數(shù))，從而穩(wěn)定作物生殖器官數(shù)量。Pasquale等[26]研究發(fā)現(xiàn)，生物量的凈同化造成的水分生產(chǎn)力隨著干旱脅迫減輕或作物生長而增加；由于作物生長對蒸騰的保護行為，這種效應(yīng)十分有限；由于灌溉和施肥的共同作用，生物量的凈同化率使水分生產(chǎn)力增加，包括因施肥少和土壤肥力較低，灌溉減少的情況。

2 虧缺灌溉評價和規(guī)劃模型

通過野外田間試驗研究不同作物對虧缺灌溉方案的響應(yīng)存在較大難度，試驗成本昂貴，也無法全面控制影響作物生長的環(huán)境因素。且在不同物候階段對干旱脅迫的響應(yīng)差異可能導(dǎo)致作物水分生產(chǎn)函數(shù)分散。基于此，國外學者建立了虧缺灌溉的評價和規(guī)劃模型。

該模型可綜合評估影響產(chǎn)量的不同因素，得出不同條件下的最佳虧缺灌溉量。此外，模型可在不同的子模型中分解作物生產(chǎn)力，有助于闡明虧缺灌溉增加水分生產(chǎn)力的機理。通過對長時間序列氣候資料的多次分析可以促進隨機模型的發(fā)展，即使在全流域范圍內(nèi)。Sepaskhah等[8]通過額外考慮與降雨量相關(guān)的經(jīng)濟風險，為伊朗的小麥和棉花制定了灌溉量的概率分布模型。

由該模型得出的虧缺灌溉方案質(zhì)量的適用性，主要取決于描述作物生長和對灌溉水的產(chǎn)量反應(yīng)模型的有效性。Dogan等[27]發(fā)現(xiàn)，以大豆為研究對象，建立的虧缺灌溉模型精確性較差。在不同地點和不同作物上應(yīng)用模型時，應(yīng)注意在開發(fā)和校準特定模型時所使用的邊界條件。

3 結(jié)論

虧缺灌溉可有效解決干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水短缺的問題，維持作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性。目前國外學者對虧缺灌溉進行了大量研究，研究方法主要為田間試驗和計算機模型試驗。基于國外的虧缺灌溉研究成果，建議我國學者今后應(yīng)結(jié)合田間實驗與經(jīng)過校準驗證的作物水分生產(chǎn)力模型，進一步探明不同種類作物的虧缺灌溉方案，以發(fā)揮虧缺灌溉提升干旱地區(qū)農(nóng)作物品質(zhì)和水資源管理戰(zhàn)略中的重要作用。