農(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)狀及作物對灌溉的響應(yīng)機制

徐 晨，邊少鋒，張麗華，趙洪祥，譚國波，閆偉平，孫 寧，李 斐，李 前，張治安

（1.吉林省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長春130033；2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水公主嶺科學實驗站，吉林公主嶺136100；3.吉林農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，長春130118）

在干旱與半干旱地區(qū)，為了農(nóng)作物的正常生長發(fā)育和產(chǎn)量提高，需及時為農(nóng)作物補充足夠水分，灌溉就是為農(nóng)作物補充所需水分的一種重要技術(shù)措施[1]。在自然條件下，由于各地區(qū)氣候環(huán)境不同，易造成一個地區(qū)降雨量不足和分布不均，難以滿足農(nóng)作物對水的需求，因此，需要人為地進行灌溉，以補充降雨不足。研究作物對灌溉的響應(yīng)機制，有利于了解作物是如何在灌溉條件下生長發(fā)育，本文對國內(nèi)外的灌溉現(xiàn)狀進行分析解讀，并對作物應(yīng)對灌溉的生理響應(yīng)機制進行分析，旨在為農(nóng)業(yè)灌溉和作物在灌溉條件下的生理響應(yīng)機制研究提供理論依據(jù)。

1 世界與我國農(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)狀

當今世界，水資源是一種不可替代資源，我國因人口增長和社會經(jīng)濟的發(fā)展，對于水的需求在不斷增加。據(jù)調(diào)查，世界上有80 個國家和地區(qū)，占全球40%的人口都面臨水資源短缺的危機。預計10 a 后，世界上會有50%的人口生活在缺水地區(qū)。水資源缺乏的國家從20 世紀80年代就開始發(fā)展節(jié)水產(chǎn)業(yè)，以應(yīng)對水資源缺乏所帶來的經(jīng)濟、社會效益的下降。節(jié)水灌溉是世界灌溉技術(shù)發(fā)展的趨勢，是緩解水資源危機和實現(xiàn)高效、精準農(nóng)業(yè)的必然選擇。各國因國情、地理條件和氣候條件所造成的差異均不相同。以色列是一個極度缺水的國家，人均水資源占有量僅為365 m3。為了更好地利用稀缺的水資源，以色列全國進行灌溉的農(nóng)田大部分均采用了噴灌和滴灌等自動化、現(xiàn)代化的灌溉方式，使全國農(nóng)田的灌溉水平均利用率達90%以上[2]，并在全國灌溉水用量不增加的情況下將農(nóng)作物的產(chǎn)量提升了12 倍。Ghermandi 和Messalem[3]認為，通過海水淡化的方式替代微咸水灌溉，可減少微咸水灌溉的局限性，對比反滲透海水淡化，納濾膜在農(nóng)業(yè)灌溉中對作物產(chǎn)量有著促進作用，并且減少地下水的抽取。Jueschke 等[4]認為，使用經(jīng)過處理的廢水，可增加干旱與半干旱地區(qū)水分的利用效率。法國的水資源分布極為不均，水資源虧缺現(xiàn)象時有發(fā)生，Yoro 等[5]開創(chuàng)了一種定價系統(tǒng)，利用這一系統(tǒng)分析農(nóng)民收入和灌溉量，減少因水資源分配不均造成的農(nóng)作物產(chǎn)量下降。美國有很好的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，他們將傳統(tǒng)的溝灌改變?yōu)榈喂嗷驀姽嗟裙喔确绞剑o害化處理生活污水，讓其二次利用。同時，利用自動控制系統(tǒng)建立灌區(qū)配水制度，提高配水效率，使用單位水量的效益全面提高。最后，他們進行農(nóng)業(yè)灌溉的調(diào)配，將灌溉農(nóng)業(yè)由水資源緊缺的地區(qū)向水資源豐富的地區(qū)調(diào)配。Noel 和William[6]發(fā)現(xiàn)占美國西部地區(qū)1/4 的土地面積經(jīng)過灌溉的農(nóng)田所獲得經(jīng)濟效益，占整個地區(qū)所獲得經(jīng)濟效益的3/4，灌溉提高了該地區(qū)農(nóng)作物的生產(chǎn)效率。

我國是世界上13 個最貧水國之一，水資源較為貧乏。我國的人均水資源占有量僅相當于美國的1/5，約為2 100 m3[7]。我國水資源缺乏的地區(qū)主要分布于東北、西北和華北地區(qū)，這里的耕地面積占全國耕地總面積的38%[8]，如果缺乏必要的灌溉措施，西北地區(qū)大部分土地的農(nóng)作物無法正常生長，華北和東北地區(qū)的糧食產(chǎn)量會受到很大影響，難以高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。發(fā)達國家農(nóng)田灌溉水的有效利用系數(shù)可達0.80，我國這項系數(shù)僅為0.53，遠低于發(fā)達國家的平均水平[9]。近年來，我國農(nóng)田有效灌溉面積在穩(wěn)步增長，由2010年的5 965 萬hm2增加到2014年的6 454 萬hm2；耕地面積中農(nóng)田有效灌溉面積的比重也在增加，由2010年的44.10%增加到2014年的47.80%。我國的節(jié)水灌溉工程面積的年復合增速達到1.50%，由2010年的2 731 萬hm2增加到2014年的2 902 萬hm2，有效灌溉面積中節(jié)水面積所占的比重呈波動的變化趨勢，2012年達到50 %，其余各年份在45%上下波動。我國有50%的耕地面積沒有灌溉設(shè)施，作物的用水完全依靠雨養(yǎng)，近50%的有效灌溉面積中仍大量使用著溝灌的方式進行灌溉。由于我國水資源的缺乏，大力發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。王九全等[10]在咸水與微咸水在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用進行了研究，通過對咸水灌溉后的農(nóng)田土壤質(zhì)量、作物的響應(yīng)機制的研究，發(fā)現(xiàn)通過覆膜滴灌的推廣和開發(fā)，可為我國半干旱區(qū)作物種植有效利用咸水與微咸水提供有效手段。齊志明等[11]通過對清、污水灌溉對玉米生長發(fā)育進行了研究，發(fā)現(xiàn)污水灌溉仍然會對玉米的產(chǎn)量造成影響，但如果使用無肥化處理，產(chǎn)量會比正常施肥的處理高5.2%。彭世彰等[12]對水稻的灌溉模式進行了研究，發(fā)現(xiàn)通過控制灌溉，水稻生育期內(nèi)的田間耗水量大大下降，蒸騰量也隨之減少，同比傳統(tǒng)的淺水灌溉模式，灌溉量同比減少52%，產(chǎn)量也得到了有效提升。江曉東等[13]從耕作方式入手，通過旋耕還田的方式能夠增加土壤的貯水量、提高作物水分利用效率和作物產(chǎn)量，這種方式可有效提高土壤的硝態(tài)氮含量，減少因降水和地表徑流造成的硝態(tài)氮流失。

2 作物對灌溉的響應(yīng)機制

2.1 作物產(chǎn)量對灌溉的響應(yīng)機制

土壤水分是玉米生長發(fā)育過程中關(guān)鍵因子之一，對玉米的產(chǎn)量及產(chǎn)量的形成具有關(guān)鍵作用[14,15]。對缺水的地區(qū)來說，灌溉已成為農(nóng)作物生長不可或缺的關(guān)鍵因素之一[16,17]，灌溉的多少強烈地影響著玉米的產(chǎn)量，玉米的產(chǎn)量隨著灌水量的增加呈線性增加，水分利用效率隨灌水量的增加而降低[18]。Adamu等[19]發(fā)現(xiàn)，全生育期進行灌水和早期與中期進行及時的灌溉，后者更有利于經(jīng)濟效益，所得到的玉米產(chǎn)量基本一致。Sampathjymar 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，玉米在不改變種植方式和灌水量的前提下，采用補虧灌溉替代普通灌溉的方式，在玉米的產(chǎn)量、凈收益和經(jīng)濟效益成本比上均較高。Belder 等[21]發(fā)現(xiàn)交替浸沒-非浸沒灌溉系統(tǒng)在節(jié)省了15%灌溉用水的同時維持了洼地水稻的產(chǎn)量，此種方式可節(jié)約水資源。Ali 等[22]對小麥進行了相似的研究，他們發(fā)現(xiàn)，在小麥的不同生育期水分虧缺1～2次時，其產(chǎn)量與水分充足的處理相比無顯著性差異，使用交替灌溉措施所達到的經(jīng)濟效益最高，在維持作物產(chǎn)量前提下減少了水分流失。在經(jīng)濟作物的研究中，利用新的灌溉技術(shù)是維持作物產(chǎn)量的一種方式，Sarker 等[23]對番茄采用交替濕潤和干燥犁溝灌溉的方式，產(chǎn)量同比傳統(tǒng)壟溝溝灌無顯著性差異，利用此種方式可以提升番茄的水分利用效率，降低番茄的效益成本。

我國關(guān)于作物產(chǎn)量對灌溉的響應(yīng)研究主要集中在我國西部干旱與半干旱地區(qū)，這里常年缺少降雨，灌溉是保證作物產(chǎn)量的關(guān)鍵性因素。Kang 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，適當限制灌溉可以提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率。新疆地區(qū)常年缺水，李佳佳等[25]設(shè)置了3 個灌水量級，分別為4 200、4 800 和5 400 m3/hm2，與當?shù)剞r(nóng)民習慣的常規(guī)灌水量6 000 m3/hm2的試驗區(qū)相比，5 400 m3/hm2的試驗區(qū)在產(chǎn)量上下降的百分率最小，從經(jīng)濟適用的角度來看，5 400 m3/hm2可以成為適宜新疆地區(qū)的最佳灌水量。崔福柱等[26]在山西省研究發(fā)現(xiàn)，隔行溝灌的方式所獲得產(chǎn)量僅次于膜上灌溉，但付出的成本較少，取得的經(jīng)濟效益最高。溝灌的方式雖然老舊，但仍然是我國干旱與半干旱地區(qū)玉米缺墑時最主要的灌溉方式。王艷等[27]研究認為，將土壤含水量降低至田間持水量50%處理，經(jīng)灌溉土壤水分達到田間持水量的75%時，植株在產(chǎn)量和形態(tài)指標上均有較好的表現(xiàn)。不同的灌溉制度也會顯著影響玉米的產(chǎn)量，劉玉潔等[28]設(shè)置了灌水次數(shù)和灌水定額2 種灌溉制度，發(fā)現(xiàn)玉米全生育期灌水次數(shù)達到5次對玉米產(chǎn)量的影響最大，灌水定額的變化對產(chǎn)量的影響相對較小，這說明了及時灌溉的重要性。近年來，我國廣泛推廣噴灌，趙偉霞等[29]發(fā)現(xiàn)，與定量噴灌相比，采用變量噴灌的方式，冬小麥與夏玉米的株高、葉面積指數(shù)、地上部的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量均未達到顯著水平，變量噴灌可根據(jù)當?shù)孛磕杲涤炅亢驼舭l(fā)量的不同進行設(shè)置，以減少水資源的浪費。在秸稈還田條件下，采用不同的灌溉方式也可以提高水資源利用效率，趙宏亮等[30]發(fā)現(xiàn)，水稻產(chǎn)量和自然降水水分利用率在間歇灌溉模式條件下達到最高，灌溉水利用效率在控制灌溉條件下達到最高。

2.2 灌溉條件下作物的養(yǎng)分積累、吸收和轉(zhuǎn)運規(guī)律

籽粒產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是作物的干物質(zhì)積累過程，增加干物質(zhì)量并使干物質(zhì)盡可能多的分配到籽粒中是增產(chǎn)作物產(chǎn)量的最有效方式[31]。有研究結(jié)果表明[32]，玉米植株干物質(zhì)和養(yǎng)分積累隨生育期延長而持續(xù)增加，整個生育期的變化動態(tài)呈“S”形。Bonato 等[33]利用模型模擬了玉米各器官碳、氮累積動態(tài)和分配規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土壤水分、肥力狀況對光合產(chǎn)物、氮素累積和再分配影響較為顯著。Aggarwal 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，當土壤中水分不足時，玉米的干物質(zhì)積累量會受到較大的抑制，進而影響作物的產(chǎn)量形成。土壤中水分缺失可促進氮素由植株向籽粒轉(zhuǎn)移，從而提高籽粒的氮含量[35]。Yang 等[36]研究認為，在小麥開花期后適度干旱有利于葉、莖、鞘等營養(yǎng)器官的光合產(chǎn)物增加，氮素的積累和轉(zhuǎn)運速度加快。王麗梅[37]等發(fā)現(xiàn)，充分供水可顯著提高玉米營養(yǎng)器官的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量，生育后期的水氮調(diào)控是玉米高產(chǎn)高效管理的關(guān)鍵。鄭成巖等[38]研究發(fā)現(xiàn)，灌水的處理顯著地增加了小麥植株氮素積累量和花后氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率，隨著灌水量的增加，小麥成熟期植株氮素總積累量和花后轉(zhuǎn)運量均呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。灌溉水的溫度對作物養(yǎng)分的積累會造成一定的影響，Zhao 等[39]在田間采用特定的移栽、除草和植株養(yǎng)分管理辦法時，減少了水稻的灌溉量。這種水稻強化管理模式可減少25.6%的用水，并顯著提高水稻的灌溉水利用率，籽粒中與植株中的N、P、K 含量也顯著提高。Djaman 等[40]研究發(fā)現(xiàn)，采用不同的灌溉制度也會影響?zhàn)B分吸收，隨著灌溉量的增加，玉米植株的養(yǎng)分吸收能力也在增加，當灌溉量為充分灌溉量的60%和75%時，植株吸收養(yǎng)分的效率更高，速度更快。

2.3 灌溉對作物生理特性的影響

水是作物光合作用過程中不可缺少的因子，當作物遭受水分脅迫時，葉片的氣孔會暫時關(guān)閉，以減少水分的蒸發(fā)。鄭勝華等[41]研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫能夠降低葉片的光合作用能力，導致葉片氣孔部分關(guān)閉。Meng 等[42]研究表明，適宜的灌水量有利于玉米葉片凈光合速率、氣孔導度以及蒸騰速率維持在一個較高的水平，有利于玉米產(chǎn)量形成和干物質(zhì)積累。董浩等[43]認為，拔節(jié)期進行灌水的小麥旗葉葉片的凈光合速率、光系統(tǒng)II 最大光合效率以及光化學效率均高于其他處理。Laranjo 等[44]發(fā)現(xiàn)，不同杏仁品種通過灌溉在上午11∶00 時凈光合速率達到全天中的最高值，而在沒有灌溉的條件下上午9∶00時就達到最高值，沒有灌溉處理的杏仁的凈光合速率隨著日照時間的推移和溫度的升高呈下降的變化趨勢。光合作用的研究關(guān)系到農(nóng)作物的產(chǎn)量形成，Wang 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥的葉面積、籽粒產(chǎn)量與穗位葉的凈光合速率呈正比，通過灌溉獲得的冬小麥穗位葉光合作用能力也顯著增加。

葉綠素熒光參數(shù)是判斷作物是否遭受水分脅迫的重要生理參數(shù)，Batra 等[46]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對綠豆的光系統(tǒng)II 穩(wěn)定性造成影響，未經(jīng)灌溉的綠豆品種在停止灌溉后第4天光系統(tǒng)II的電子傳輸速率顯著下降。林葉春等[47]發(fā)現(xiàn)，利用交替根區(qū)灌溉的方式更有利于裸燕麥保持旺盛的光合能力和光系統(tǒng)II活性，固定根區(qū)灌溉容易造成光系統(tǒng)II 結(jié)構(gòu)性受損，找出適合的灌溉方式對作物的產(chǎn)量形成尤為關(guān)鍵。

作物在干旱與半干旱地區(qū)常常會遭遇干旱，干旱脅迫會導致作物葉片和根系的生理特性受到影響[48,49]，作物細胞內(nèi)的自由基產(chǎn)生和消除的平衡遭到破壞，出現(xiàn)自由基的積累，引起細胞的膜脂過氧化[50]。作物的保護酶系統(tǒng)一定程度上能夠緩解因土壤水分不足而帶來的活性氧損傷，它主要是由超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶組成。Habibzadeh 等[51]研究發(fā)現(xiàn)，嚴重缺水和灌溉量較低處理的綠豆品種脯氨酸含量均顯著提高，土壤水分不足使綠豆體內(nèi)積累很多滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以抵御干旱脅迫帶來的傷害。Chen 等[52]發(fā)現(xiàn)，適度的灌溉和氮肥淺施可以提高棉花根系中硝酸還原酶和抗氧化酶的活性，同時也提高了全花期時光系統(tǒng)II 的光捕捉和光化學能轉(zhuǎn)換能力。土壤水分過多同樣會對作物的生理特性造成一定影響，Zhang 等[53]研究發(fā)現(xiàn)，高土壤水分脅迫會導致甜高粱體內(nèi)保護酶活性增加，并抑制甜高粱的生長。不同灌溉方式會對作物生理特性造成影響，李彪等[54]研究發(fā)現(xiàn)，通過時空調(diào)控灌溉的方式，可以大幅度提高水分利用效率，但小麥葉片積累了較多的脯氨酸。

3 結(jié) 論

節(jié)水灌溉技術(shù)依然是我國未來農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展的方向，作物的生長發(fā)育與節(jié)水灌溉之間存在著復雜的關(guān)系，進行節(jié)水灌溉對作物的影響機理研究是了解作物如何高效用水的基礎(chǔ)，只有充分了解它們之間的關(guān)系，才能利用好節(jié)水灌溉技術(shù)，為作物產(chǎn)量的穩(wěn)定提升打下良好的基礎(chǔ)。