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年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目国家重点基础研究发展计划课题国家高技术研究发展计划课题国家自然科学基金重点项目作者简介康绍忠男湖南桃源人博士教授主要从事农业节水与水资源可持续利用研究文章编号基于生命需水信息的作物高效节水调控理论与技术康绍忠杜太生孙景生丁日升中国农业大学中国农业水问题研究中心北京中国农业科学院农田灌溉研究所河南新乡摘要在分析我国水资源紧缺状况与农业节水发展趋势的基础上依据作物生长冗余调控与缺水补偿效应理论根冠通讯理论作物控水调质理论和有限水量昀优分配理论分析了基于生命需水信息的作物高效节水调控的理论基础对作物生命需水信息的采集与监测方法及时空尺度转换技术进行了探讨概括出了基于生命需水信息的作物高效节水调控技术八个方面的研究内容分析了基于生命需水信息的作物高效节水调控理论与技术研究的难点和创新点以及进一步研究的趋向关键词作物生命需水信息高效节水调控理论基础技术体系研究进展中图分类号文献标识码理论基础我国农业节水的昀大潜力在田间通过各种田间节水措施提高作物水分生产效率是节水农业发展的关键也是节水灌溉发展的基础田间是水分转化的场所灌溉水输送到田间转化为土壤水后才能为作物所利用昀终转化为经济产量作物吸收的水分中仅有用于植物器官的形成其它绝大部分水分以叶片蒸腾和棵间蒸发的方式向大气散失因此田间蒸发蒸腾耗水是农业生产耗水的主要形式从当前世界发达国家农业节水的发展趋势来看传统的仅仅追求单产昀高的丰水高产型农业正在向节水高效优质型农业转变作物灌溉也由传统的丰水高产型灌溉向节水优产型非充分灌溉转变目前人们已更多的考虑如何挖掘植物自身的生理节水潜力和创造高效用水环境即利用作物遗传和生态生理特性以及干旱胁迫信号的响应机制通过时间生育期或空间水平或垂直方向的不同根系区域上的主动的根区水分调控减少田间的蒸发蒸腾损失以达到节水高效优质的目的基于生命需水信息的作物高效节水调控理论与技术正是实现上述目标的重要基础和有效途径作物生长冗余调控与缺水补偿效应理论作物在其生长发育方面存在着大量的冗余包括株高叶面积分蘖或分枝繁殖器官甚至细胞组分和基因结构等而且这种冗余随着辅助能量如水肥的增加而增大生长冗余本是作物适应波动环境的一种生态对策以便增大稳定性减少物种灭绝的危险但这种固有的冗余特性在人类可以对环境施加影响并对物种加以保护的条件下则变成了高产栽培中的巨大浪费和负担植物生理学家研究提出的作物生长冗余理论同化物转移的库源学说以及缺水对禾谷类作物不同生理功能影响的先后顺序细胞扩张气孔运动蒸腾运动光合作用物质运输从分子水平上为作物不同生育期亏缺调控灌溉定量化和可操作化的深层次研究提供了理论基础合理的灌溉能够调控作物根系生长发育使茎根叶各部分不产生过量生长控制作物各部分的昀优生长量维持根冠间协调平衡的比例可以实现提高经济产量和水分利用效率的目的此外适时适度的亏水不仅可以有效地控制营养生长使更多的光合同化产物输送到生殖器官而且节省了大量工时便于田间的栽培管理及密植度的进一步增加任何一种节水方法在达到节水目的的前提下必须保证对产量不会产生太大的影响现代节水高效灌溉的技术瓶颈就在于如何通过系统的生命水分信息监测与诊断对作物耗水状况进行昀优调控从而昀大限度的充分利用作物在经受水分胁迫时的自我保护作用和水分胁迫解除后的补偿作用大量研究表明水分胁迫并非完全是负效应特定发育阶段有限的水分胁迫对提高产量和品质是有益的植物在水分胁迫解除后会表现出一定的补偿生长功能适度的水分亏缺不仅不降低作物的产量反而能增加产量提高因此在作物生长发育的某些阶段主动施加一定程度的水分胁迫能够影响光合同化产物向不同组织器官的分配以调节作物的生长进程例如我们在陕西长武对玉米进行的调亏灌溉试验苗期和拔节期均中度调亏和苗期重度调亏拔节期中度调亏处理可在保持相同产量水平下使玉米水分利用效率显著提高根冠通讯理论根冠通讯理论为在作物不同根系空间上进行亏缺调控灌溉提供了理论基础世纪年代以后的大量研究表明植物在叶片水分状况无任何变化之前其地上部对土壤干旱就已经有了反应这种反应几乎与土壤的水分亏缺效应同时发生由此可见当土壤水分下降时植物必定能够感知根系周围的土壤水分状况并以一定方式将信息传递至地上部从而调节生长发育的机制使地上部做出各种反应可以简单设想处于相对较干燥土壤中的部分根系会产生某些化学信号这些信号在总的水流量和叶片水分状况尚未发生变化时就传递到地上部发挥作用随着土壤继续变干越来越多的根系产生更大强度的化学信号物质从而使植物地上部能够随土壤水分的可利用程度来调整自身的生长发育和生理过程现在人们已经普遍接受气孔导度受土壤含水量控制是通过根的化学信号而不是依赖于叶水势这一观点根系化学信号是植物体内平衡和优化水分利用的预警系统国内外学者对干旱条件下根源化学信号的类型产生与运输进行了大量的研究发现土壤干旱时根系能够合成并输出多种信号物质这些信号能够以电化学波或以具体的化学物质而从受干旱的细胞中输出它能够从产生部位向作用部位输送尽管调控地上部的根源信号物质有很多但昀普遍研究昀多也昀令人信服的是脱落酸大量研究表明根系受到干旱胁迫时能迅速合成其含量因植物种类不同而成几倍甚至几十倍的增加而且根系合成的量与根系周围的水分状况密切相关和的研究结果说明根系含量可作为测量根系周围土壤水分状况的一个指标梁建生等人的试验结果也证明了这一点而且进行复水处理干旱诱导合成的即迅速降到对照水平等研究玉米和银合欢木质部浓度与根系含量间的关系时观察到两者间存在近线性关系表明木质部浓度可以作为根源的定量指标并用以直接反映根系感应土壤环境的能力以上这些结果均表明具有控制气孔感知土壤水分可利用状况调控植物营养生长与生殖生长从而实现昀优化调节的作用从这一意义上讲根系化学信号物质的合成是根系对土壤不良环境做出的即时响应据此作者提出了以刺激作物根系吸水功能和改变根区剖面土壤湿润方式为核心以调节气孔开度减少奢侈蒸腾提高水分利用效率大量节水而不减产或提高品质为昀终目的的根系分区交替灌溉简称理论与技术并在甘肃民勤进行了连续多年的田间试验结果表明应用根系分区交替灌溉技术可以以不牺牲产量为代价实现产量和水分利用效率的同步提高作物控水调质理论作物品质与品种施肥气候水分生长环境等多种因素有关而水分是实现对作物品质改善的媒体和介质有关研究表明在作物某些生育阶段通过控制水分改善植株代谢促进光合产物的增加可以改善产品品质例如灌水虽然增加了西红柿产量却降低了果实内糖有机酸等可溶性含量在桃树营养生长季节仅维持较低水平的土水势而在果实膨大期实行频繁的灌水结果节约了大量的用水量也改善了水果的品质陈秀香等研究了个水分处理条件下加工番茄的产量和果实品质结果表明加工番茄的产量品质与土壤含水量密切相关灌前过高或过低的土壤含水量会影响产量及茄红素可溶性固形物可溶性糖可溶性酸等品质指标灌前土壤相对田间持水量为处理的加工番茄产量昀高品质较好水分利用效率昀高既能实现高产高效又可达到节水灌溉的目的杜太生在甘肃河西干旱荒漠绿洲区的田间试验结果也表明采用根系分区交替灌溉技术灌水定额为时隔沟交替灌溉棉花的霜前花产量较常规沟灌提高了灌水定额为时交替滴灌的霜前花产量较常规滴灌提高了该技术明显增加了棉花纤维长度改善了皮棉品质作物有限水量最优分配理论在供水不足的条件下把有限的水量在作物间或作物生育期内进行昀优分配允许作物在水分非敏感期经受一定程度的水分亏缺把有限的灌溉水量灌到对作物产量贡献昀大的水分敏感期所在的生育阶段以获得昀大的总产量和效益即解决有限水量在生育阶段的昀佳分配问题因此要确定出各生育阶段缺水对产量的影响尽可能减少在对作物产量昀敏感的生育阶段内的缺水使减产降低到昀低程度同时对相同时段生长的作物减产系数昀高的要优先供水允许牺牲局部以获得总产量昀高或纯收益昀佳该理论主要包括不同作物缺水敏感指数的确定作物水分一产量模型以及优化灌溉模型等内容截止目前虽然对非充分灌溉条件下的作物水分一产量模型进行了大量的研究工作并相继提出了加法模型乘法模型及加乘混合模型等但它们大多是缺乏物理意义的统计回归分析模型且水分敏感系数或指数在不同地区和同一地区不同水文年间的变化较大关于有限灌溉水在作物间和作物生育期不同生育时段间的优化分配问题国外在编制不同亏水度作物生长模拟模型的基础上将作物水分产量模型广泛地应用于灌溉系统的模拟提出了各种不同配水计划的预测效果制定了相应的作物非充分灌溉模式与实施操作技术国内在这方面虽然也做了大量的研究工作但大多数的优化配水结果多是针对某一具体作物或灌区目前尚未形成较通用的非充分灌溉设计软件更无基于网络面向基层水管人员或农户使用的非充分灌溉设计软件缺乏与实施非充分灌溉制度相适应的低定额灌溉的先进地面灌水方式及相应配套设备与产品的研究和开发作物生命需水信息的获取方法与时空尺度转换目前作物生命需水信息的采集与诊断方法在叶片尺度上主要有气孔计法剪枝称重法等单株与群体尺度上有蒸渗仪法整株容器法同位素示踪法风调室法以及热脉冲法农田尺度上主要有水量平衡法波纹比能量平衡法空气动力学法涡度相关法在区域尺度上主要是遥感监测法而作物生命需水量的计算方法主要有直接计算法蒸发皿法产量法多因素法和间接计算法即通过参考作物需水量计算实际作物生命需水量的方法其中参考作物需水量的计算方法有布莱尼克雷多法水汽扩散法能量平衡法综合法等其中应用昀为普遍的是计算模式近年来基于热平衡和热扩散原理的茎流测定技术凭借其不破坏植物生长可以连续监测自动化水平较高可靠准确等特点有了长足的发展该方法主要包括热脉冲法热平衡法和热扩散法目前技术成熟而且使用较广泛的是热脉冲技术波纹比能量平衡法是从能量平衡的角度研究作物生命需水过程其理论基础是地面能量平衡方程与近地层梯度扩散理论应用结果表明该方法的测量误差一般在之内但对于极端干旱条件水汽压的测定探头必须具有很高的观测精度才能取得较好的测定结果而且当研究区域存在感热平流时就会在水平方向上产生不可忽略的潜热平流虽然国外对局部平流进行了大量的研究但目前提出的修正公式都过于简单所需参数不易测定而且不同地区间存在一定的差异因此需要建立适合干旱地区的具有较强物理意义的平流修正公式随着观测传感器精度的提高涡度相关法用于作物需水量测量的研究也逐渐增多但由于涡度相关法需要均匀的下垫面和平坦的地形条件加之设备设计复杂造价较高因而在推广和应用上仍受到一定的限制利用遥感卫星监测作物生命耗水过程可以提供直观的大范围数据它的优点在于能够将作物需水量在空间上的差别监测出来而且比人工观测取得资料及时克服了人工测量中存在的以点代面所产生的误差而且能提供每个卫星可视像元的信息以及不同土地利用类型和不同作物类型的信息近年来利用卫星遥感资料反演的方法除简单的统计模型外都是一些物理模型而且繁简程度彼此差别很大但各种模型都有共同之处即都需要首先利用遥感反演地面反照率和地表温度再根据地表能量平衡方程求得地表可利用能量然后或者利用简单的参考作物需水量计算公式计算或者进而推算感热通量再利用能量平衡方程计算作物生命需水信息涉及的时空范围十分广泛在空间上小到水分子在植株器官中的运动大到整个国家甚至全球的作物需水状况其跨度达十几个数量级在时间上从短到几旬甚至几天几小时的作物阶段需水量大到成百甚至上千年的作物需水状况其时间尺度跨越也较大同时由于不同时空尺度范围内气候地形植被或土地利用土壤水分状况等影响作物需水的因子具有随机性和不确定性作物生命需水也表现出较强的时空异质性致使大尺度作物需水研究成果不能是小尺度作物需水研究成果的简单叠加而小尺度研究成果亦不是大尺度研究成果的简单插值或分解因此很多学者一直在探索研究作物生命需水的时空分布特征作物生命需水的采样策略及由点到面的尺度转换技术由于技术设备人力财力等的限制作物生命需水及其影响因子的测定通常只能在短时间小范围测定同时影响作物生命需水的主要因子如区域的土壤类型气候等存在时空异质性使得某一尺度下作物生命需水信息具有较高的尺度依赖性在某一尺度上建立的模型或方法一般不能移植到高一级或低一级时空问题中求解致使小尺度田间站点数据的各类作物生命需水计算方法运用于大尺度长时间上将产生较大误差因此研究如何以较小的代价获
本文标题:基于生命需水信息的作物高效节水调控理论与技术
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