作物灌溉制度和土壤水分控制技術研究進展

于 洋，侯新月，丁 乾，袁安麗，高 月，馮江寧，金 秋

(1. 黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150000；2. 南京市滁河河道管理處，江蘇 南京 210048；3. 黑龍江省綏化市發(fā)展和改革委員會，黑龍江 綏化 152000；4. 福建農(nóng)林大學園藝學院，福建 福州 350000；5. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210000)

中國是嚴重缺水國家，人均水資源處于13個最匱乏國家之一[1]。一直以來，農(nóng)業(yè)用水占全國總用水量的比重超過50%，探索如何節(jié)約農(nóng)業(yè)用水是保護水資源、促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關鍵問題。適宜的灌溉制度或土壤水分控制條件不僅是節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的重要途徑，同時也是影響作物生理生長和產(chǎn)量品質的重要因子[2-3]。本文圍繞當前灌溉制度制定和土壤水分調控的主要方法，介紹相關的研究進展，并提出未來前進的主要方向，以期為農(nóng)業(yè)水管理精準化提供科學依據(jù)。

1 基于灌溉(水)定額確定灌溉制度

灌水定額是指農(nóng)田一次灌水水量，灌溉定額指各次灌水量的總和。已有不少研究通過直接制定灌溉(水)定額的方法實現(xiàn)節(jié)水灌溉，制定依據(jù)主要為當?shù)貙嶋H灌溉經(jīng)驗，在經(jīng)驗灌溉(水)定額上下設計不同梯度。忠智博[4]研究了北疆地區(qū)棉花的灌溉制度和水肥耦合策略，設計4種灌水量：5250 m3/hm2、4500 m3/hm2、3750 m3/hm2和3000 m3/hm2，并確定施氮量為262.5 kg/hm2、灌水量為3750 m3/hm2是最優(yōu)水肥制度。黃龍[5]瞄準陜西半干旱地區(qū)降雨匱乏、時空分布不均的問題，設計不同灌水定額，研究不同定額下獼猴桃的需水耗水規(guī)律、水分利用效率和產(chǎn)量品質的差異。白有帥[6]以60 m3/667 m2灌水定額為對照，設計不同滴灌定額：30 m3/667 m2、35 m3/667 m2、40 m3/667 m2和45 m3/667 m2，研究不同灌溉制度對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量品質的影響及機理，明確40～45 m3/667 m2為民勤干旱綠洲區(qū)膜下滴灌下玉米最適宜的灌水定額范圍。侯毛毛[7]等通過直接確定灌水定額的方法，研究了不同水分條件(灌水定額15 mm、18 mm、21 mm)和不同生物有機肥施用量下的水肥耦合效應；在煙草灌溉制度和水肥協(xié)同方面的研究也采用了直接確定灌水定額的方法，總灌溉量梯度的制定依據(jù)的是當?shù)貙嶋H降雨量[8-9]。

直接確定灌溉(水)定額的方法較為簡單，但其缺點是需要進行一定的前期試驗。通過ET、田間持水量、土壤水基質勢、葉水勢等方法制定灌溉制度雖然在前期計算上略為復雜，但計算或測定結果可以直接投入應用。

2 基于作物需水量確定灌溉制度

作物蒸騰量和棵間蒸發(fā)量的總和為騰發(fā)量，也稱為作物需水量(ET)。ET計算目前常用彭曼法，氣象數(shù)據(jù)充足時先用彭曼公式計算得出參考作物騰發(fā)量，再與各生育階段作物系數(shù)相乘求得ET。根據(jù)ET制定灌溉方案已不乏報道。喬鵬[10]以區(qū)域目標ET和耕地保護為目標，采用ET法，計算得出吐魯番農(nóng)業(yè)耗水應當控制在4.97億m3，農(nóng)業(yè)取水量應控制在7.69億m3內。李超[11]針對北京設施辣椒栽培水肥管理不科學的現(xiàn)狀，設計70%ET和90%ET兩種灌溉水平，配合兩種施氮水平，探索水肥耦合制度，結果表明70%ET結合120 kg/hm2施氮量可作為節(jié)水、提質和保產(chǎn)的水肥方案。顧哲[12]在句容開展試驗，以圣女果為對象，構建了基于ET和水量平衡算法的實時精準決策專家系統(tǒng)，預測結果平均誤差僅為1.1%，總趨勢與實際測定結果一致，可為提高用水效率提供有益參考。田園[13]介紹了農(nóng)業(yè)節(jié)水一期項目(世界銀行貸款項目)實施ET管理取得的進展，認為ET管理是一種集工程、農(nóng)業(yè)和管理為一體的綜合節(jié)水措施，有利于達到水資源可持續(xù)利用的目標。閆華[14]采用灌溉自動控制技術，使用戶通過無線終端可收取到ET值，并根據(jù)ET值制定灌溉制度，灌溉過程簡單、高效，實踐表明葡萄果園節(jié)水30%以上，且增產(chǎn)效益顯著。總體來看，采用ET制定灌溉制度的方法已日趨成熟，根據(jù)實際情況形成的改進彭曼公式也有不少報道，但作物系數(shù)的確定仍是其中的研究難點和研究熱點。

3 基于土壤水分下限確定灌溉制度

3.1 田間持水量水分控制方法

土壤田間持水量指土壤中去除重力水外的最大懸著水量，反映土壤持水性能。通過將不同田間持水量百分比作為土壤水分控制下限，確定最優(yōu)下限從而制定灌溉制度，也是當前常見的方法。王文娟[15]在東北節(jié)能型日光溫室下開展灌溉試驗，設計番茄不同灌水控制下限，結果表明苗期土壤水分下限控制在田間持水量的70%～75%對株高、莖粗等農(nóng)藝指標的提升有正向作用；開花著果期和結果盛果期分別控制60%～65%和80%～85%對番茄生長最有利，同時果實可溶性糖含量、維生素C含量、糖酸比最高；番茄生長后期適當水分虧缺處理有助于提升果實可溶性蛋白。毛海穎[16]以土壤飽和含水率為依托，設置飽和含水率的90%、70%、60%、50%和40%作為不同灌溉梯度，確定60%飽和含水率為最優(yōu)栓皮櫟幼苗灌溉水平，通過研究統(tǒng)計出苗木節(jié)水單株年灌溉定額為13.526×103mL/株，為苗木精準培育奠定了理論和實踐基礎。一般認為，以田間持水量為依據(jù)確定的控水下限在實際應用中更具普適性。

3.2 土壤基質勢水分控制方法

土壤水基質勢是在非飽和條件下，由土壤基質的吸附力和毛管力共同作用產(chǎn)生的勢能。作為土壤水勢的重要組成部分，基質勢對非飽和水分運動和保持有重要影響[17]?，F(xiàn)階段研究結果表明，灌溉指標的選擇與壓力勢無關，含鹽量較少的土壤溶質勢也可忽略不計，因此適宜灌溉條件與土壤基質勢直接相關[17]。目前測定土壤基質勢的方法包括電阻法、干濕計法、濾紙法、張力計法和熱傳導法等。成厚亮[18]探究了生育階段不同基質勢對南疆棉花生長發(fā)育的影響，并建議試驗區(qū)采用適宜的土壤基質勢為-30 kPa。萬書勤[19]詳細介紹了基于剖面20 cm深度土壤基質勢的設施土壤水分監(jiān)測技術，證明滴頭下方20 cm深度土壤基質勢對于0～100 cm深度土壤水分的剖面分布有重要影響。

4 基于葉水勢確定灌溉制度

水分廣泛存在于植物體內，是其不可缺少的組成部分，水分直接參與植物體內的生物化學反應。植物體內，水勢是能直接反映水分豐缺的指標，植物組織水勢越低表明植物吸水能力越強，相反，水勢越高，吸水能力越弱[20]。因此，植物水勢可以作為合理灌溉的生理指標。徐林娟[21]以水稻為材料，開展了以葉水勢為灌溉指標的節(jié)水體系研究，結果表明，水稻葉水勢和土壤容積含水率的相關性達到顯著水平，土壤水分虧缺和濕潤狀態(tài)下水稻葉水勢差異顯著，這種差異隨著水分虧缺的加重有增大趨勢。吳立峰[22]提出了基于葉水勢的棉花灌溉指標選擇方法，通過設置不同灌溉和施肥處理，研究了不同滴灌施肥處理對棉花產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的影響，結果表明，411 mm是適宜的棉花灌溉量。葉水勢作為能直接反映植物體內水分虧缺的指標，目前在科研和生產(chǎn)上的使用相比ET法、田間持水量法要少很多，原因可能包含兩個方面：(1)定期測定植物葉水勢在生產(chǎn)上較為不便，難以推廣，自動監(jiān)測系統(tǒng)又存在價格昂貴的問題；(2)葉水勢法存在滯后性，當通過葉水勢發(fā)現(xiàn)植物體內水分虧缺時，虧缺已經(jīng)發(fā)生，再進行補充灌溉則與植物的實際需求不符。

5 結 語

灌溉定額法、作物需水量(ET)法、田間持水量水分控制法、土壤基質勢水分控制法和葉水勢法等方法均在科學研究與實際生產(chǎn)中有一定應用。值得注意的是，分不同階段精準灌溉控制在推廣上將存在較大難度，農(nóng)民更愿意使用簡單易上手的方法。因此，灌溉制度、土壤水分調控結合價格相對低廉的自動灌溉裝備、自動灌溉決策系統(tǒng)、app智能終端等將是未來的發(fā)展大方向。