五农田水利

学科发展方向农田水利学科研究的主要内容是农业水资源的高效利用，以提高灌溉（降）水利用率和利用效率、水资源再生利用率和保护农田水土环境为核心，以灌溉（降水）-土壤水-作物水-光合作用-干物质积累-经济产量形成的循环转化过程和区域农田水循环过程为主线，从田间水分调控、作物耗水生理调节、水肥高效利用等挖掘节水潜力的措施以及农业节水对区域农田生态系统产生的潜在影响出发，重点开展与农田水分高效利用及调控、田间节水灌溉与水肥高效利用、农业节水下的区域水土环境响应评估与调控等相关的应用基础研究与关键技术及产品研发，研究农田灌溉水循环和农田生态系统耗水中的水分运动与交换、溶质运移与转化、根系发育与植物生长、能量交换等过程间的相互关系及各界面间的转化机理与规律，探索在上述环节中有效提高水分转化效率和生产效率的途径和区域农田水土环境对节水灌溉的响应过程，利用现代高新技术开展农业节水关键技术研究以及节水新设备的研发和新材料的创制。1.2跟踪调研方向根据农田水利学科发展方向，本学科国内外发展动态跟踪调研的主要方向包括：（1）作物水肥高效利用与调控1）农田作物耗水规律与尺度效应2）非充分灌溉与调亏灌溉3）农田水肥耦合与调控（2）灌溉水管理与田间节水技术1）灌区水管理技术2）地面灌溉技术3）喷、微灌技术）农业高效用水评价指标与方法（3）农田排水与水环境1）排水再利用2）控制排水与水环境改善3）灌溉-排水-湿地系统4）非点源污染控制5）区域水盐调控2调研背景概述（1）国际著名学术期刊中有影响的学术论文（2000～2007年）AgricultureWaterManagement(农业水管理)AgriculturalandForestMeteorology（农林气象）TransactionsoftheASAE（美国农业工程师协会学报）IrrigationScience（灌溉科学）IrrigationandDrainage（ThejournalofICID）(灌溉与排水)AppliedEngineeringinAgriculture(农业应用工程)JournalofIrrigationandDrainageEngineeringASCE（美国农业工程师协会灌溉排水期刊）日本农业土木工程学报WaterScienceandTechnology（水科学与技术）WaterEngineering&Management（水工程与管理）WaterEnvironmentResearch（水环境研究）（2）国际学术会议关注焦点议题和重要报告（2000~2007年）ICIDConference2000~2007（国际灌排委员会2000~2007年会）CIGRConference2007（国际农业工程委员会2000~2007年会）重点：会议焦点议题和Keynotespeech（3）国际著名学术机构、大学与研究院所昀新研究成果美国加州大学（UniversityofCalifornia,LosAngeles；）、Davis分校美国爱德华州立大学（UniversityofIdaho）荷兰瓦赫宁根大学（UniversityofWageningen）国际水管理学院（InternationalWaterManagementInstitute）加拿大麦吉尔大学（McgillUniversity）（4）相关领域著名学者的论文和昀新研究成果RichardG.Allen(UniversityofIdaho爱德华州立大学）DavidMolden(IWMI国际水管理学院)PereiraL.S.(InstituteofAgriculture,TechnicalUniversityofLisbon里斯本技术大学高等农学院)3本学科发展新动向和值得关注点随着全球性水资源供需矛盾的日益加剧，世界各国特别是发达国家都把发展农业高效用水作为现代农业可持续发展的重要措施，将提高灌溉（降）水利用率、作物水分利用效率、水资源再生利用率过程中存在的关键问题作为农业高效用水学科的研究重点和目标。在研究农业节水应用基础理论基础上，将现代高新技术与传统农业节水技术相结合，提升农业节水技术科技含量，加快由传统粗放农业向现代化精准农业转型的进程。当前农业高效用水学科的主要研究发展趋势与特征表现为：研究思路正从农业节水型向农业节水生态型转变；研究对象正从农田灌溉水循环过程扩展到农田灌溉生态水循环过程；研究内容正从以农业节水为中心的应用基础理论外延到农业节水与农田生态环境保护相结合的应用基础理论；研究尺度正从以点、小区、田块为基础的小尺度向农田、灌区、区域等中大型尺度扩展。另一方面，与农业高效用水相关的技术特征则主要体现在保障农业水资源高效利用与健康循环和区域生态环境安全前提下，重点对生物节水、精量灌溉、再生水开发利用、农田环境保护等关键技术及产品进行研究，强调对各类节水技术的集成配套与凝练提升，利用高新技术对传统节水技术与产品进行升级改造，通过开发绿色环保节能型节水产品，促进现有产品的升级换代和产业结构优化调整。农田作物耗水规律与尺度效应（1）农田生态系统中水分迁移模拟与区域作物需水的定量计算模型得到较快的发展国内外学者对微观尺度的土壤-植物-大气系统（SPAC）水分运移已进行了大量研究，但如何应用微观尺度的SPAC水分传输理论解决区域尺度水转化过程的描述仍然需要作大量的研究工作，这涉及到如何考虑土壤与植被的空间变异性以及水文地质条件的影响，把点上得到的模型扩展到面上。为了解决这一问题，有关农田表面参数的空间变异性、尺度转换、各部分介质的非线性相互作用等将是未来研究的难点。由于节水技术水平的提高和作物水分利用效率的改善，迫切需要研究农业结构调整、作物布局改变和非充分灌溉条件下的作物需水规律及其区域分布。而过去有关作物需水量的研究以单点和单一作物的计算模型较多，对于区域多种作物组合的需水量计算还缺少科学的方法。有关作物需水量的计算方法目前应用昀多的是Penman-Monteith法与作物系数法的结合，但此方法主要适用于单点的单一作物需水量计算，对于区域多种作物组合的需水量计算首先要根据不同代表点的气象观测资料计算代表点的需水量，然后用插值法绘制区域需水量的分布图，再根据代表点控制的面积用加权平均法确定区域需水量，这种传统方法很难克服气象因素和作物需水的空间变异所产生的计算误差，没有考虑多种作物组合中作物与作物间的交互作用。20世纪60年代后期遥感技术的应用为用能量平衡法计算区域作物需水量提供了可能，20世纪80年代以后，利用遥感作物冠层温度估算区域需水量分布的研究变得十分活跃，并在一些发达国家得到了大量的应用，如利用卫星遥感、水文模型和田间实测的作物耗水量数据发现它们之间有较好的一致性。但目前在应用上还存在一些技术问题，如陆地卫星热映像（TM）波谱参数和SWAT模型参数的定量对应关系等。该领域的进一步发展趋势是将单点的和单一作物的耗水估算模型研究扩展到区域尺度上多种作物组合下的耗水估算方法与模型研究。根据作物不同生育期的需水估算，使有限的水量被昀优地分配到作物各生育期内，进而研究和开发适合不同地区的灌溉模式。另外，由于作物高效用水理论的突破和节水调控新途径的开拓，需要考虑利用作物本身的生理功能挖掘其节水的潜力，减少作物的奢侈腾法量，传统的按能量平衡理论估算作物需水的方法和在充分湿润条件下获得的作物系数均遇到了严峻的挑战，迫切需要建立作物高效用水和非均匀湿润条件下的需水量计算方法及相应的作物系数值，以满足农业节水发展之需要。（2）区域水转化与农业水资源高效利用的结合研究得到了广泛重视农业与生态用水的科学配置中有关生态需水的计算方法主要从物理的水量平衡、水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等方面考虑，而且主要是针对现有生态系统或生态水文条件，没有考虑生态系统和水文过程的相互反馈作用以及不同遗传特性物种的水分生产力关系，还缺乏系统的建立在严谨的生理学、生态学和物理学理论及定量的数学方法基础之上的生态需水量计算方法。此外，如何确定分布式区域水转化模型的有效结构、如何对农业水资源利用在分布式模型中进行有效表达、如何在野外对模型参数进行原位测定和对分布式模型的栅格参数率定，确定区域农业水资源多维调控的决策方法将是该领域研究的重点和难点。3.1.2非充分灌溉与调亏灌溉非充分灌溉（Insufficientirrigation）又称有限灌溉（Limitedirrigation）或亏缺灌溉（Deficitirrigation），是指灌水量不能完全满足作物需水要求的灌溉，即对作物进行适度的水分亏缺处理，并把节省下来的水用于满足更大面积上的作物，从而提高单方水的经济效益。作物在不同生育阶段对水分亏缺的敏感度是不一样的，因此不能将水分亏缺量在整个生育期内均匀分配，而是要对亏缺的时间以及亏缺量进行合理的控制即进行调亏灌溉（Regulateddeficitirrigation）。Fereres和Soriano（2007）在桃树的试验研究中对比了总灌水量相同时持续非充分灌溉（在整个生育期均匀亏缺）和调亏灌溉（只在果树膨大期亏缺）的差异，通过对产量和茎水势等指标的测试，得出总灌水量相同时调亏灌溉优于持续非充分灌溉。这项研究结果说明了进行调亏灌溉的必要性。调亏灌溉的概念由Chalmers等（1981）和Mitchell和Chalmers（1982）首先提出并将其应用于控制桃树的营养生长。调亏灌溉应属于非充分灌溉的范畴，特点是能从作物的生理角度出发，根据其需水特性进行主动的调亏处理。进入21世纪后，随着水资源的日益短缺，对非充分灌溉及调亏灌溉的研究进一步升温，近几年的研究工作主要集中在以下几方面：（1）将非充分灌溉应用于不同作物，通过研究作物产量的反应，探寻不同作物的合理调亏灌溉模式自非充分灌溉被提出以来，有关非充分灌溉对作物产量影响的研究是昀多的。但是由于不同作物对水分亏缺的时间、亏缺程度以及调亏方式的反应各异，而且同一种作物的反应也随着种植和气候条件等因素的变化而变化，因此非充分灌溉对作物产量的影响一直是研究的热点。Speer和Nagle等（2007）研究了非充分灌溉和分根区灌溉对芒果产量和品质的影响，结果表明非充分灌溉会引起产量的降低，对果实的品质没有影响；而分根区灌溉会使果实尺寸增加并能改善果实的品质。Rodrigo（2007）研究了调亏灌溉对甜菜生长的影响，结果表明水分胁迫能显著提高甜菜中的糖分含量，尽管调亏灌溉会使甜菜的产量降低，但糖产量和总收益不会减少。Goldhamer等（2006）研究了收获前、收获后和在整个生育期内均匀调亏灌溉对杏仁产量的影响，结果表明，在整个生育期内均匀调亏灌溉能够避免其它两种调亏灌溉方式引起的水分的较大波动，因此产量昀高。Gomez-Rico等（2007）对比了充分灌溉（100%ETc）、调亏灌溉和不灌溉对橄榄产量和品质的影响，结果表明，灌溉处理间的产量无明显差异，不灌溉处理的产量为灌溉处理的35%。与充分灌溉相比调亏灌溉对橄榄油的成分和品质也没有影响。Zhang等（2006）研究了调亏灌溉对干旱地区春小麦产量的影响。结果表明，相对于充分灌溉，调亏灌溉可以提高小麦的产量、生物量和水分利用率，另外，千粒重、穗长、穗重，穗数等指标也都得到改善。在孕穗后期和抽穗前期实施调亏灌溉时产量昀高。Fan等（2005）分别实测了小麦、水稻、棉花和玉米等作物的水分生产率（单方水的经济效益或产量），试验研究结果表明，相对于充分灌溉，非充分灌溉可以显著提高水分生产率。非充分灌溉在不同作物上的应用还很多，如杏仁（Goldhamer等，2000），开心果（GoldhamerandBeede，2004），柑橘（GoldhamerandSalinas，2000），杏树（Ruiz-Sa´nchez等.，2000），酿酒葡萄（McC