農(nóng)田水分生態(tài)過(guò)程與調(diào)控研究進(jìn)展

張紅芳+高輝+胡兵輝

摘 要：掌握水分調(diào)控方式對(duì)于農(nóng)田的有效耕作具有重要的意義。作物水分的消耗主要用于葉片的蒸騰和光合作用，把握這2個(gè)重點(diǎn)對(duì)于節(jié)水模式和灌溉方式具有一定的指導(dǎo)意義。該文綜述了農(nóng)田土壤水分生態(tài)過(guò)程及其調(diào)控，植物水分生態(tài)過(guò)程及其調(diào)控，土壤-植物-大氣連續(xù)系統(tǒng)水分生態(tài)過(guò)程及其調(diào)控，并展望了作物根系吸水作用和耐旱植物的培育，為今后農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；水分；生態(tài)過(guò)程；調(diào)控

中圖分類(lèi)號(hào) S274.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）24-12-04

The Research Progress of Farmland Water Ecological Process and Control

Zhang Hongfang et al.

（1College of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming 650224，China）

Abstract：Water deside way is a great significance to the effective cultivation of farmland.Crop water consumption is mainly used for leaf transpiration and photosynthesis，grasp the two key for water saving irrigation patterns and has a certain guiding significance. This paper summarized the farmland soil water ecological process and its regulation，plant water ecological process and its regulation，the soil-plant-atmosphere continuous system water ecological process and its regulation，and put forward to analyze the water effect of crop root，breeding of drought-enduring plant，and provide theoretical basis for agricultural sustainable development in the future.

Key words：Farmland；Moisture；Ecological process；Regulation

1 前言

氣象條件影響著作物的分布、生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的形成，而水分條件是決定農(nóng)業(yè)發(fā)展類(lèi)型的主要條件。干旱是危害農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的第一災(zāi)害，連年的旱情已使很多莊稼地顆粒無(wú)收，造成不可估量的損失。近幾年由于干旱發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍廣、后延影響大，成為影響我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，尤其是2010年西南高原地區(qū)遭遇了百年一遇的特大旱災(zāi)，對(duì)群眾生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展造成了嚴(yán)重影響，給農(nóng)業(yè)為主的中國(guó)造成了巨大的損失。同時(shí)，氣候干旱加劇了土地荒漠化進(jìn)程，對(duì)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)非常不利。水資源是影響農(nóng)業(yè)最重大的因素，因?yàn)檗r(nóng)業(yè)是世界上水的最大需求者，從地球的河流、湖泊和地下畜水層提供的2/3以上的水用于灌溉。但是由于對(duì)水資源的有限性認(rèn)識(shí)不足，加上我國(guó)水資源的無(wú)償使用，造成我國(guó)水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)灌溉用水的有效利用系數(shù)只有0.4左右，每年經(jīng)水利工程蓄引的水量約5 000×108m3，有60%的水量在配水的田間灌溉過(guò)程中被浪費(fèi)，所以農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力很大[1]。

當(dāng)前農(nóng)業(yè)正面臨巨大的挑戰(zhàn)，相關(guān)部門(mén)應(yīng)該采取措施保護(hù)森林，保護(hù)耕地，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，保證水分利用率的最大化。本文綜述了農(nóng)田水分的生態(tài)過(guò)程及其調(diào)控方式、植物水分生態(tài)過(guò)程及其調(diào)控以及土壤-植物-大氣連續(xù)系統(tǒng)（SPAC）水分生態(tài)過(guò)程和調(diào)控的研究進(jìn)展，進(jìn)而提出農(nóng)田水分有效利用的重點(diǎn)方向，以期為旱區(qū)農(nóng)田高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2 農(nóng)田水分生態(tài)過(guò)程研究

2.1 土壤水分生態(tài)過(guò)程 水不但是作物生長(zhǎng)最重要的物質(zhì)之一，而且是作物吸收營(yíng)養(yǎng)元素的載體。水分是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因子，水對(duì)作物產(chǎn)量的影響主要表現(xiàn)在對(duì)光合作用和呼吸作用的影響上。作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中光合作用直接耗用的水分不足農(nóng)作物耗水量的1%，99%以上的水分都是由作物蒸騰和棵間土壤蒸發(fā)所消耗[2]。而干旱半干旱地區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題是在減少無(wú)效蒸發(fā)和徑流、集約利用降水資源、增加降水有效利用量的基礎(chǔ)上，提高植物本身的水分利用效率[3]。

土壤中的水分是由降雨、人工灌溉等決定的，這些水分通過(guò)土壤表層空隙進(jìn)入土壤深處，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為入滲。入滲到土壤中的水一部分貯存在根部，一部分排到深層，其余部分通過(guò)土壤蒸發(fā)和植物吸收排出土外。一般來(lái)說(shuō)，土壤可利用水在在永久萎蔫和田間最大持水量2個(gè)極值范圍之間[4-5]，超過(guò)這2個(gè)極值造成過(guò)旱或者澇災(zāi)，都是不利于植物生長(zhǎng)的。近幾年的研究重點(diǎn)主要是干旱問(wèn)題，因?yàn)楦珊祵?dǎo)致多地降雨量的減少，并且沒(méi)有儲(chǔ)水也談不上人工灌溉，即使有儲(chǔ)水人工灌溉也大大加重了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。所以近年來(lái)干旱區(qū)生態(tài)過(guò)程和格局的水文學(xué)機(jī)制的研究已成為生態(tài)環(huán)境研究前沿和需求熱點(diǎn)，如旨在深入了解干旱區(qū)自然和人為誘發(fā)的環(huán)境變化后果的歐洲荒漠化威脅地區(qū)的試驗(yàn)研究計(jì)劃（EFEDA），半干旱熱帶地區(qū)水文大氣先行行研究計(jì)劃（Hapex—Sahel）[6-8]。干旱地區(qū)土壤水分的蒸發(fā)量極大，而耕地的土壤水分含量不同主要是由于種植作物的耗水量決定的。農(nóng)田生產(chǎn)力的提高，土壤水分消耗量增加，一般情況旱地土壤剖面剩余含水率與產(chǎn)量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[9]，作物收獲后干燥的土壤剖面，只有在降水量較大時(shí)才可能恢復(fù)。

在水分關(guān)系中，土壤具有聚集、貯存、釋放水分供作物利用的作用，被稱(chēng)為“土壤水庫(kù)”。土壤水的聚集、貯存和釋放是借助土壤水分運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。土壤水運(yùn)動(dòng)規(guī)律雖然很復(fù)雜，但并不是雜亂無(wú)章、無(wú)規(guī)可循[10]。由于作物根系的影響，表層和深層的土壤水分是不同的，然而在作物生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，隨著耗水量的增大，上層土壤含水量的減少，深層土壤水通過(guò)根系的蒸騰拉力將不斷上升為作物所利用，所以深層土壤水分在作物的耗水中起著重要的補(bǔ)償作用。土壤含水量改變，蒸發(fā)也會(huì)隨之發(fā)生變化，棵間蒸發(fā)的大小主要受表層水分狀況的影響。高陽(yáng)等[11]研究表明土壤蒸發(fā)與表層土壤含水率關(guān)系較密切，不論哪種種植方式，降雨或灌水后隨著表層土壤含水率的增加，土壤蒸發(fā)也相應(yīng)增加，間作田的土壤蒸發(fā)較單作田增加得多；之后隨著表層土壤含水率的減小，土壤蒸發(fā)也隨之減小，間作田的土壤蒸發(fā)比單作田減小得慢。

2.2 植物水分生態(tài)過(guò)程 土壤水分作為作物可以利用的直接資源，與植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著密切的聯(lián)系。一方面土壤水分制約著作物群體的生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量形成，另一方面作物群體的大小又影響著土壤水分的變化。所以正確理解作物與水分的關(guān)系對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，尤其是旱區(qū)作物生長(zhǎng)。在旱區(qū)，降水是影響作物生長(zhǎng)的重要因子，作物水分適應(yīng)性的優(yōu)劣是提高水分利用效率的重要技術(shù)依據(jù)。有研究表明，不同地區(qū)采用不同的指標(biāo)，作物的水分適應(yīng)性有一定的差別，不同地區(qū)相同指標(biāo)也有差異[12]。

從光合作用的角度來(lái)說(shuō)，植物的葉片是進(jìn)行光合作用最主要的部位，而葉綠素是光合作用必不可少的載體，葉片中葉綠素的高低直接影響光合作用效果。根系通過(guò)滲透壓調(diào)節(jié)吸收土壤中的水分，經(jīng)過(guò)植物的導(dǎo)管運(yùn)輸水分到葉片，葉片經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)，將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，從而得到糧食產(chǎn)出。但是由于干旱水分脅迫下葉綠素含量降低，葉片光合能力減弱。大量的實(shí)驗(yàn)證明：光合作用對(duì)土壤水分的需要存在一個(gè)閾值，也就是土壤含水量低于這個(gè)閾值，水分作為光合作用的來(lái)源之一，因此水分缺乏主要是間接地影響光合作用下降。具體來(lái)說(shuō)，缺水使葉片氣孔關(guān)閉，影響CO2進(jìn)入葉內(nèi)，缺水使葉片淀粉水解，糖類(lèi)堆積，光合產(chǎn)物輸出緩慢，這些都會(huì)使光合速率下降[13-14]。當(dāng)然不僅光合作用需要消耗水，呼吸作用也要消耗水，這就需要維持水分供給與消耗的平衡。

從農(nóng)業(yè)意義上來(lái)說(shuō)，干旱作為一個(gè)累積的過(guò)程，它是因土壤中有效水分不能滿(mǎn)足土壤蒸發(fā)和作物蒸騰的需要而造成生理失調(diào)，從而產(chǎn)生危害的。作物種間存在滲透調(diào)節(jié)差異，這方面的研究已有很多報(bào)道，如高粱、玉米、小麥和甜菜在低水勢(shì)下葉膨壓可完全維持，而同等干旱下，向日葵只能維持部分膨壓，這就說(shuō)明不同作物適應(yīng)干旱有不同的結(jié)果，所以干旱條件下要慎重選擇作物種類(lèi)[15]。

2.3 土壤-植物-大氣連續(xù)系統(tǒng)（SPAC）水分生態(tài)過(guò)程 水分經(jīng)由土壤到達(dá)植物根表皮、進(jìn)入根系后，通過(guò)植物莖到達(dá)葉再由葉氣孔擴(kuò)散到空氣層，最后參與大氣的湍流交換，形成一個(gè)統(tǒng)一的、動(dòng)態(tài)的相互反饋連續(xù)系統(tǒng)，也就是土壤-植物-大氣連續(xù)系統(tǒng)（SPAC）[16]。

土壤和根系是SPAC一個(gè)重要的分支，根系是植物的主要吸水器官，而且根吸水主要是主動(dòng)滲透和枝葉蒸騰的被動(dòng)吸水。影響根系吸水有很多因素，比如植物自身因素、土壤因素和大氣等外界因素。這個(gè)系統(tǒng)的各部分，如果土壤水分不是限制因素，那么吸水效率主要由大氣決定；如果土壤水分成為限制因素，那么吸水效率主要由土壤水分決定；作物因素主要決定吸水的時(shí)間。蒸騰作用存在與SPAC的另一個(gè)分支（葉-氣子系統(tǒng)中）。植物蒸騰絕大部分的水都是通過(guò)氣孔逸散到大氣中，但這個(gè)過(guò)程卻是中午最重要的生命活動(dòng)，它用來(lái)保證植物各個(gè)部位水分的獲得和保證礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的運(yùn)輸[15]。

在對(duì)于土壤-植物-大氣連續(xù)系統(tǒng)（SPAC）理論進(jìn)行的作物水分關(guān)系研究中，作物信息作為已知輸入，不能在模型中對(duì)水熱的變化做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這在一定程度上限制了SPAC的運(yùn)用；另外在作物生長(zhǎng)模擬中，土壤水分狀況需要已知，不能根據(jù)作物生長(zhǎng)做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)。而實(shí)際上，作物生長(zhǎng)與SPAC水熱狀況是互相影響的2個(gè)過(guò)程，土壤水分的虧缺限制了作物的生長(zhǎng)，降低了蒸騰量，蒸發(fā)蒸騰量與根系的變化反過(guò)來(lái)又影響了土壤水熱過(guò)程實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)與SPAC水熱運(yùn)移的耦合，就可以同時(shí)動(dòng)態(tài)模擬作物的生長(zhǎng)過(guò)程與SPAC統(tǒng)中的水熱運(yùn)移，使得這一領(lǐng)域的研究更為豐富[17]。近幾年由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著土壤物理學(xué)等學(xué)科的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，科學(xué)家們一直致力研究土壤與水、水和植物以及土壤、植物與水之間的相互關(guān)系，取得了較大進(jìn)展。

3 農(nóng)田水分生態(tài)調(diào)控研究

3.1 土壤水分生態(tài)調(diào)控 了解土壤的水分生態(tài)過(guò)程對(duì)于水分生態(tài)調(diào)控具有重要的意義。從宏觀(guān)上來(lái)說(shuō)，針對(duì)農(nóng)田水分較多的情況，應(yīng)當(dāng)及時(shí)挖溝排澇，避免植物受災(zāi)；針對(duì)干旱情況下，需采用挖掘小型水庫(kù)方式來(lái)積攢雨季水分，以備旱季使用，人工灌溉方式需要根據(jù)作物吸水模式采用噴灌、滴灌等方式，構(gòu)建農(nóng)田最優(yōu)的灌溉策略[18]。從微觀(guān)上來(lái)說(shuō)，在種植的時(shí)候就需要考慮節(jié)水高效種植，而間套種模式就是旱區(qū)節(jié)水最重要的一種。有研究表明，無(wú)論在單作條件下還是間作套種條件下，農(nóng)田的總灌水量基本相同。但不同種植模式的有效降水卻存在比較明顯的差異，改“一年一熟”為“一年兩熟”，以縮短農(nóng)田裸露時(shí)間減少水分的無(wú)效蒸發(fā)[19]。

間作套種在中國(guó)及非洲地區(qū)都具有悠久的歷史，大量事實(shí)也證明，合理的間套作不僅可以改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[20]，提高作物對(duì)養(yǎng)分的截獲[21]，而且可以提高農(nóng)田水分含量或水分利用效率，與傳統(tǒng)的單一種植方式相比，間作有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)[22-23]。所以在干旱地區(qū)，應(yīng)盡可能的采取間套種模式，達(dá)到節(jié)約水資源并且不背離增產(chǎn)增收的目的。實(shí)行間套作耕作措施，增加了地面覆蓋，間作作物蔭蔽行間，可以大大減少土壤水分蒸發(fā)，防止土壤板結(jié)，增加土壤入滲，減少水分流失量，提高水分利用率；同時(shí)還能充分利用土壤深層水分并分層利用土壤水分，從而延緩干旱時(shí)期，減少干旱程度。因此，研究間套作系統(tǒng)中的土壤水分對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)業(yè)發(fā)展有重要的意義[24]。