2麻澤龍

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610065；2.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610066；3.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

引言

調(diào)虧灌溉(Regulated Deficit Irrigation，簡(jiǎn)稱RDI)是澳大利亞維多利亞州持續(xù)農(nóng)業(yè)灌溉研究所Tatura中心科學(xué)家Chalmers和Wilson等于20世紀(jì)70年代中期首次提出的，其基本思想是基于果樹(shù)(作物)生理生化作用受遺傳特性或生長(zhǎng)激素影響，在其生長(zhǎng)發(fā)育的某些階段主動(dòng)施加一定水分虧缺，從而影響其光合產(chǎn)物向不同組織器官的分配，提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量而舍棄營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)量及有機(jī)合成物總量、提高總產(chǎn)量、減少剪枝量、改善果實(shí)品質(zhì)。因此，RDI技術(shù)是在充分吸收植物生理學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)作學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)等學(xué)科研究成果基礎(chǔ)上，以發(fā)展節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)為目的的一種新節(jié)水技術(shù)[1]。

調(diào)虧灌溉是通過(guò)土壤中水的管理來(lái)控制植株根系的生長(zhǎng)從而操縱地上部分的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及其葉水勢(shì)；葉水勢(shì)可以調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)度，而氣孔開(kāi)度則對(duì)光合作用和水分利用起著重要作用。大量研究表明，同一果樹(shù)的不同組織和器官對(duì)水分虧缺的敏感性不同，細(xì)胞膨壓對(duì)水分虧缺最敏感，而光合作用和有機(jī)物由葉片向果實(shí)的運(yùn)輸過(guò)程敏感性次之。本文闡述了調(diào)虧灌溉的基礎(chǔ)理論，分析了調(diào)虧灌溉對(duì)作物以及農(nóng)業(yè)灌溉的影響，并總結(jié)了作物水分虧缺的判別指標(biāo)及其優(yōu)缺點(diǎn)；針對(duì)作物的具體生長(zhǎng)狀況及遙感等新技術(shù)在調(diào)虧灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用提出未來(lái)研究方向。

1 調(diào)虧灌溉基礎(chǔ)理論

1.1 根冠通信理論

已有研究表明，植物在土壤干旱時(shí)會(huì)發(fā)生各種生理生化和形態(tài)變化：隨干旱脅迫加劇，出現(xiàn)葉片氣孔關(guān)閉、光合速率下降、體內(nèi)的激素、可溶性物質(zhì)含量也隨之變化，形態(tài)上表現(xiàn)為生長(zhǎng)受到顯著抑制。植物在葉片水分狀況變化之前，地上部分對(duì)土壤干旱就已有所反應(yīng)，這種反應(yīng)幾乎與土壤的水分虧缺效應(yīng)同時(shí)發(fā)生[2]。Davies和Zhang[3]經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究后將植物根系能感知土壤水分虧缺，并將脅迫信息傳給地上部分進(jìn)而誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉這一過(guò)程概括為“根冠通訊理論”。

自“根冠通信理論”提出后，研究人員對(duì)調(diào)控地上部分的多種根源信號(hào)物質(zhì)進(jìn)行了研究，其中最重要的是脫落酸(ABA，Absci sicacid)。植物遭受水分脅迫幾天之后就會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一類在結(jié)構(gòu)上有一定保守性、屬于Lea蛋白質(zhì)(1ateembryo genesis abundant)的脫水蛋白(Dehydrin)，這種脫水蛋白在缺水時(shí)與親和溶液相互作用，可維持高分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定功能[4]，這對(duì)植物葉片免受水分脅迫傷害起到非常重要的保護(hù)功能。趙翔[5]等人提出植物感受到水分脅迫，誘導(dǎo)脫落酸生物合成，ABA可通過(guò)促使氣孔關(guān)閉或抑制氣孔開(kāi)放，降低蒸發(fā)蒸騰來(lái)抵抗水分脅迫作用。吳榮軍[6]也提出土壤水分虧缺與植物氣孔關(guān)閉存在機(jī)理上的聯(lián)系，并受到脫落酸等化學(xué)信號(hào)的控制，氣孔導(dǎo)度隨植物木質(zhì)部汁液中脫落酸濃度增加而下降。

1.2 生長(zhǎng)冗余理論

冗余理論(Redundancy Theory)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)生態(tài)學(xué)理論[7、8]。Donald[9]把農(nóng)作物利用資源器官過(guò)度的生長(zhǎng)定義為生長(zhǎng)冗余，之后盛承發(fā)[10]提出了作物生長(zhǎng)冗余的概念，認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)器官或生殖器官過(guò)多、生育期過(guò)長(zhǎng)都是冗余。

合理的灌溉能夠調(diào)控作物根系生長(zhǎng)發(fā)育，使莖、根、葉各部分不產(chǎn)生過(guò)量生長(zhǎng)，控制作物各部分的最優(yōu)生長(zhǎng)量，維持根冠間協(xié)調(diào)平衡的比例，實(shí)現(xiàn)提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率的目的[11]。生長(zhǎng)冗余過(guò)小，難以保持相對(duì)穩(wěn)定；生長(zhǎng)冗余過(guò)大，對(duì)穩(wěn)定性固然有好處，但往往造成作物生長(zhǎng)浪費(fèi)和水資源利用低下[12]。水稻的冗余度可以指導(dǎo)其栽培和理想株型的構(gòu)建；同樣，旱地小麥理想株型的選擇需要根據(jù)生態(tài)學(xué)基本原理對(duì)基因型和表現(xiàn)型進(jìn)行耦合分析并建立在生長(zhǎng)冗余理論基礎(chǔ)上[13]。調(diào)虧灌溉聯(lián)合抽穗期去除無(wú)效分蘗可在時(shí)空尺度上充分開(kāi)發(fā)和利用作物自身調(diào)控潛力實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償生長(zhǎng)，在不顯著影響籽粒產(chǎn)量的同時(shí)可提高水分利用效率20.4%～25.4%，是適宜的減冗增效措施[14]。

1.3 水分虧缺生長(zhǎng)補(bǔ)償效應(yīng)

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，水分虧缺具有一定補(bǔ)償效應(yīng)，如果運(yùn)用得當(dāng)，會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量、品質(zhì)等起到積極作用。水分虧缺補(bǔ)償效應(yīng)可定義為作物受到閾值內(nèi)的水分脅迫后，在有恢復(fù)因子(復(fù)水)和過(guò)程(時(shí)間)的條件下表現(xiàn)出的在生理生化和農(nóng)藝指標(biāo)上有利于作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量提高和品質(zhì)改善的能力。前蘇聯(lián)科學(xué)家最早提出干旱鍛煉理論，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)干旱復(fù)水后植物光合速率會(huì)明顯升高，Wenkert等[15]首次把旱后復(fù)水引起的生長(zhǎng)稱為生長(zhǎng)補(bǔ)償。如今許多學(xué)者對(duì)棉花[16]、大棚西瓜[17]、棗樹(shù)[18]、馬鈴薯[19]等作物的研究進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)水對(duì)作物生長(zhǎng)的激發(fā)效應(yīng)。當(dāng)對(duì)作物進(jìn)行復(fù)水處理后，調(diào)虧處理作物耗水量出現(xiàn)了明顯的上升趨勢(shì)，產(chǎn)生了補(bǔ)償效應(yīng)，這是由于作物本身的調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)其葉片、根系等植物器官進(jìn)行了優(yōu)化，補(bǔ)償了水分逆境對(duì)植物的傷害[20]。以上大量研究結(jié)果表明，水分虧缺補(bǔ)償效應(yīng)有4個(gè)方面的表現(xiàn)[21]：①水分虧缺期間作物為適應(yīng)水分虧缺表現(xiàn)出的積極性響應(yīng)；②水分虧缺復(fù)水后作物生長(zhǎng)加快，光合速率、生物量累積提高的響應(yīng)；③提高作物對(duì)再次水分脅迫的適應(yīng)性；④前期脅迫延緩后期衰老的后效性反應(yīng)。

1.4 氣孔調(diào)節(jié)理論

氣孔是植物進(jìn)行氣體交換的主要窗口，控制著葉片和大氣間CO2及水蒸汽的擴(kuò)散傳導(dǎo)，也可將氣孔看作是以最小的失水來(lái)獲得一定量CO2的調(diào)節(jié)閥[22]。BlaCKman等[23]得出給作物施加一定程度水分調(diào)虧后，植物的根系產(chǎn)生激素傳輸至葉子從而調(diào)節(jié)氣孔，從而改變植物的生長(zhǎng)和最終收成。植物在缺水后，會(huì)產(chǎn)生脫落酸，當(dāng)激素傳送到葉片時(shí)會(huì)關(guān)閉氣孔，削弱植株蒸騰作用和葉片的光合作用，水分蒸發(fā)減少，干物質(zhì)量變化較小且能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約水分[24、25]。王玉才等[26]在菘藍(lán)生長(zhǎng)期施加水分的中度虧缺后發(fā)現(xiàn)，菘藍(lán)的ET減小、氣孔開(kāi)度較小，凈光合速率減小，使菘藍(lán)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。張正紅[27]等人開(kāi)展了對(duì)于設(shè)施栽培種葡萄的調(diào)虧灌溉試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，調(diào)虧處理下蒸騰速率比對(duì)照處理有提高，結(jié)果證明水分脅迫使得植物葉片氣孔對(duì)環(huán)境調(diào)節(jié)能力有提高。

氣孔的開(kāi)張是由兩個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞控制，保衛(wèi)細(xì)胞對(duì)各種不同的信號(hào)反應(yīng)比較敏感，如環(huán)境因子或生理因素。在調(diào)虧處理下土壤含水量降低，木質(zhì)部攜帶的脫落酸(ABA)傳輸?shù)饺~片，葉片中ABA的含量提高致使氣孔的開(kāi)度減小，蒸騰速率降低從而使植物的生理耗水減少，葉片的水分利用率有所提高[28]。

1.5 作物有限水量最優(yōu)分配理論

灌溉制度優(yōu)化過(guò)程就是將有限灌溉用水量在空間(不同作物)或時(shí)間(作物的不同生育階段)內(nèi)進(jìn)行合理分配的多階段決策過(guò)程。殷常青[29]開(kāi)展試驗(yàn)基于多目標(biāo)模糊數(shù)學(xué)模型采用模糊定權(quán)法對(duì)RDI條件下葡萄綜合效益評(píng)價(jià)，根據(jù)最大隸屬度原則，在萌芽期進(jìn)行水分虧缺灌溉可以顯著提高葡萄產(chǎn)量、水分利用率以及品質(zhì)，能夠達(dá)到高效節(jié)水、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，是滿足當(dāng)?shù)厣a(chǎn)要求的最優(yōu)控水灌溉模式。楊文[30]提出應(yīng)從地區(qū)全局出發(fā)，將調(diào)虧灌溉方式與其它節(jié)水灌溉方式相結(jié)合，將有限的水資源最優(yōu)分配在不同種類果樹(shù)、作物以及生態(tài)用水之中，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)相結(jié)合的效果。

近年來(lái)，利用決策支持系統(tǒng)將調(diào)虧灌溉技術(shù)的灌水量在多種作物間優(yōu)化分配的研究也取得了良好進(jìn)展。李楊等[31]在WebGIS環(huán)境中，集成遙感技術(shù)與衛(wèi)星定位技術(shù)，整合基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、作物種類及生長(zhǎng)情況數(shù)據(jù)庫(kù)、土壤性狀數(shù)據(jù)庫(kù)等空間數(shù)據(jù)資源，以決策支持為重要內(nèi)容，建立了灌溉決策支持系統(tǒng)，為輔助宏觀決策提供了有效的管理手段。F.A.Lima[32]提出GREDRIP工具可用作集體灌溉網(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)(DSS)，以根據(jù)作物灌溉計(jì)劃減少幾個(gè)需水條件下泵站的能源消耗和成本。在干旱和半干旱氣候條件下，由于水資源稀缺，使用MOPECO和GREDRIP等模型有助于改善管理，提高水和能源的使用效率，提高農(nóng)業(yè)的盈利能力。

2 調(diào)虧灌溉的影響

2.1 節(jié)約灌溉用水，提高灌溉水利用效率

水分利用效率(water useeffi ciency，WUE)用以描述植株耗水量與干物質(zhì)積累之間的關(guān)系，是指植物在生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中每消耗單位水分所積累干物質(zhì)的量。提高水分利用效率是調(diào)虧灌溉的重要目的之一，并且多從單葉、植株及群體3個(gè)方面來(lái)反映耗水量與干物質(zhì)積累的比重[33]。熊健等[34]研究表明，采用M-W4保墑?wù){(diào)虧處理的產(chǎn)量和水分利用效率均最大，分別為17555.02kg/hm2和3.77kg/m2，該處理能夠較顯著地減少玉米全生育期內(nèi)的耗水量來(lái)提高水分利用效率，從而提高玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

FABIO等[35]研究表明，調(diào)虧灌溉通過(guò)控制土壤水分影響作物根系生長(zhǎng)，達(dá)到間接控制作物蒸騰作用的目的。除此之外，薛道信等人[36]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同生育階段馬鈴薯耗水量受水分調(diào)虧程度影響較大，其耗水量隨調(diào)虧程度增大而顯著減少(P<0.05)，水分調(diào)虧處理馬鈴薯全生育期總耗水量均低于全生育期充分灌水處理。塊莖形成期輕度水分虧缺馬鈴薯水分利用效率、灌溉水利用效率、生物量均達(dá)到最大，利用效率分別較全生育期充分灌水顯著提高29.04%和35.61%。

2.2 協(xié)調(diào)作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)

營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期內(nèi)實(shí)施RDI，果樹(shù)的枝條生長(zhǎng)量降低，并且與水分虧缺程度成比例；RDI結(jié)束后的復(fù)水期間，果實(shí)生長(zhǎng)顯著提高，并在下一個(gè)生長(zhǎng)季里，開(kāi)花率明顯增加。

關(guān)于香梨的研究表明，細(xì)胞分裂期的土壤水分虧缺可有效地抑制其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，枝條最終長(zhǎng)度可比對(duì)照減小15.1%～23.5%，夏季修剪量可比對(duì)照減小17.5%～35.3%[37]；鴨梨萌芽期、花期虧水均能顯著降低樹(shù)體營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，可使新梢長(zhǎng)度降低15%～25%，坐果率均大于85%，對(duì)果實(shí)發(fā)育影響較小。曲祥民等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在苗期進(jìn)行輕度虧水外加中度氮肥處理會(huì)增加玉米百粒重(高達(dá)37.84g)，使玉米顆粒更加飽滿，在此基礎(chǔ)上獲得同比于其他條件下最高的玉米產(chǎn)量(12338kg/hm2)。曾健[39]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)開(kāi)花坐果期內(nèi)進(jìn)行輕度調(diào)虧時(shí)，開(kāi)花坐果率為59.21%為最大值。蘋果樹(shù)葉面積指數(shù)呈“S”型曲線增長(zhǎng)，通過(guò)Richards模型分析可知5月底至7月上旬(40d左右)為蘋果樹(shù)葉面積快速增長(zhǎng)時(shí)期，該時(shí)期內(nèi)葉面積指數(shù)增長(zhǎng)量占最終葉面積指數(shù)比例的43.7%～49.6%。

2.3 提高作物品質(zhì)

調(diào)虧灌溉通過(guò)在作物生長(zhǎng)發(fā)育的某些階段主動(dòng)施加水分脅迫，調(diào)整光合產(chǎn)物在營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官間的分配比例，控制營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，降低葉面積，增加果實(shí)的坐果量和單果重，改善內(nèi)部同化產(chǎn)物的運(yùn)輸和分配，從而改善果蔬品質(zhì)[40]。

王娟等人[41]種植紅棗時(shí)在其開(kāi)花期和果實(shí)膨大期進(jìn)行水分中度調(diào)虧后，新稍的生長(zhǎng)削弱，果實(shí)得到補(bǔ)償膨大，品質(zhì)提升。L.Sánchez-Rodríguez通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在橄欖收獲之前應(yīng)用RDI策略之后，SI(應(yīng)力積分)越高，獲得的hydroSOStainable餐桌橄欖的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量越好[42]。類似的結(jié)論也出現(xiàn)在其他種類的作物實(shí)驗(yàn)研究中，如實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)葡萄栽培過(guò)程中一定程度的水分脅迫有助于提高葡萄品質(zhì)[43]。Ju等人發(fā)現(xiàn)RDI(從收獲前的果實(shí)到收獲前兩周)可以調(diào)節(jié)葡萄漿果的脂肪酸組成，并增加干旱和半干旱地區(qū)葡萄酒中漿果的香氣特征，花香和果香[44]。ElenaCoyago-Cruz在對(duì)溫室櫻桃番茄的研究中發(fā)現(xiàn)灌溉處理對(duì)果實(shí)品質(zhì)的主要影響是總類胡蘿卜素和酚類物質(zhì)的增加。結(jié)果表明，精確控制水分脅迫水平可以改善番茄作物的灌溉管理[45]。

3 調(diào)虧灌溉下作物水分虧缺的判別指標(biāo)

目前作物水分虧缺狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)有土壤指標(biāo)、作物指標(biāo)、氣象指標(biāo)以及考慮多重因素的綜合指標(biāo)。其中最常用的是土壤指標(biāo)和作物水分生理指標(biāo)。

3.1 土壤水分指標(biāo)

從理論上講，作物本身的測(cè)定中確定的作物水分狀況指標(biāo)變化復(fù)雜或者測(cè)定困難，難以直接指導(dǎo)灌溉，因此，常用土壤含水率或土水勢(shì)間接判定作物水分虧缺。土壤干旱強(qiáng)度是指某一時(shí)刻作物的水分虧缺程度。土壤水分無(wú)法滿足作物水分需求是造成水分虧缺、引起作物干旱的直接原因。

3.1.1 土壤含水率指標(biāo)

作物只能在適宜的土壤含水率變化范圍內(nèi)正常生長(zhǎng)。當(dāng)土壤含水率降到一定的范圍時(shí)，作物開(kāi)始受到干旱脅迫。隨著含水率的降低，作物水分脅迫加劇。因此，土壤含水率可以反映作物的水分狀況。

土壤水分診斷指標(biāo)的閾值隨作物種類、土壤類型、生長(zhǎng)時(shí)期、地域特性而有所差異，一般認(rèn)為，田間作物開(kāi)始失水的臨界值為100cm土體土壤含水率達(dá)55%～60%田持[46]。王友貞等[47]提出水稻在旱作覆膜條件下，分蘗、拔節(jié)-孕穗、抽穗-開(kāi)花和乳熟期的最適宜土壤水分下限為田持的70%、85%、80%和70%。

3.1.2 土壤相對(duì)濕度指標(biāo)

土壤相對(duì)濕度(R)是指土壤含水量與田間持水量的百分比，也稱土壤相對(duì)含水量。吳乃元通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水分脅迫條件下，各處理的葉水勢(shì)(負(fù)值)和氣孔阻力隨土壤相對(duì)濕度的降低而增大，蒸騰強(qiáng)度則隨之減小?！逗登榈燃?jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL424-2008)是以土壤為評(píng)價(jià)對(duì)象，以土壤相對(duì)濕度為評(píng)價(jià)依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，適合尚未播種地塊或白地的土壤墑情評(píng)價(jià)[48]。依據(jù)土壤相對(duì)濕度劃分干旱等級(jí)因地不同而不同。

3.1.3 土壤有效水含量指標(biāo)

為避免不同類型土壤持水特性所產(chǎn)生的含水量絕對(duì)數(shù)值的差異，可用相對(duì)有效含水率來(lái)反映作物受旱情況，間接反映作物受水分脅迫的情況[49]。

(1)

式中：AW為相對(duì)有效含水率；θ為根系活動(dòng)層的平均土壤含水率；θf(wàn)為土壤田間持水率；θWP為凋萎系數(shù)。

3.2 作物水分虧缺指標(biāo)

3.2.1 葉水勢(shì)指標(biāo)

葉水勢(shì)指標(biāo)是反映作物對(duì)水分脅迫響應(yīng)程度的較好指標(biāo)[50]，它不僅能夠反映氣候干旱特征，還能直接反映作物生理干旱特征，因?yàn)樗芏康胤从匙魑锶~片中的水分狀況，特別是在凌晨、干旱或半干旱區(qū)9∶00-12∶00的葉水勢(shì)對(duì)于干旱程度的反映最為明顯[51-53]。

葉水勢(shì)也隨生育期的變化而變化。張英普等[54]通過(guò)研究在不同水分脅迫下玉米各生育期的葉水勢(shì)，得出苗期水分脅迫葉水勢(shì)閾值為-0.76MPa、拔節(jié)抽穗期為-0.75MPa、抽穗灌漿期為-0.78MPa～-0.65MPa及灌漿成熟期為-0.92MPa，且張英普還指出葉水勢(shì)對(duì)土壤含水量存在閾值反應(yīng)，凌晨葉水勢(shì)隨土壤含水量降低而降低，因此可通過(guò)建立二者的相關(guān)關(guān)系來(lái)求出葉水勢(shì)。胡繼超等[55]通過(guò)建立盆栽水稻土壤含水量與葉水勢(shì)的線性方程，得出水稻在抽穗期和灌漿期的土壤含水量閾值分別為20.1%和16.8%，相對(duì)應(yīng)的葉水勢(shì)為-1.04MPa和-1.13MPa。

3.2.2 氣孔導(dǎo)度指標(biāo)

氣孔是CO2和水分進(jìn)出作物體內(nèi)的通道，水分脅迫使葉片氣孔導(dǎo)度減小，蒸騰速率降低，因此氣孔導(dǎo)度可以作為判斷作物水分虧缺的指標(biāo)。一般認(rèn)為氣孔導(dǎo)度(Gs)在全生育期內(nèi)呈先升后降的趨勢(shì)[56]，但成雪峰等[57]觀測(cè)春小麥氣孔導(dǎo)度隨生育期的變化規(guī)律指出，拔節(jié)至開(kāi)花期氣孔先升后降，抽穗期升至最大值，開(kāi)花期后隨水分處理不同產(chǎn)生差異，并進(jìn)一步指出土壤水分與Gs存在相互關(guān)系。

干旱越嚴(yán)重，氣孔阻力越大，導(dǎo)度越小。因此，氣孔導(dǎo)度是天氣條件與土壤水分狀況等因素綜合影響的結(jié)果。劉帆等[58]通過(guò)對(duì)玉米進(jìn)行水分控制試驗(yàn)，得出Gs隨土壤水分含量下降而降低，且隨著水分脅迫程度加劇，Gs降幅增大。張建新等[59]研究玉米在滴灌盆栽條件下不同生育期氣孔導(dǎo)度與20cm田間持水率的響應(yīng)關(guān)系，得出二者在蕾期呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在花鈴期呈正相關(guān)關(guān)系。

3.2.3 光合速率指標(biāo)

光合作用是植物重要的生理活動(dòng)之一，是產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的主要源泉。水分是光合作用的重要原料，光合速率大小與作物體內(nèi)的水分狀況有直接關(guān)系，而作物體內(nèi)的水分大部分是由根系從土壤中獲取，所以光合速率大小間接地與土壤水分狀況密切相關(guān)。水分虧缺下，作物氣孔開(kāi)度下降，擴(kuò)散阻力增大，葉片凈光合速率下降[60]，因此，光合速率的變化可判斷作物是否發(fā)生水分虧缺[61、62]。當(dāng)土壤水分為60%田持時(shí)光合利用率最高[63]，且土壤含水率為65%田持時(shí)光合速率穩(wěn)定[64]。

研究表明，玉米在輕度干旱時(shí)的光合速率會(huì)受到一定程度的抑制[65]，冬小麥在土壤水分低于15%時(shí)，不同生育期內(nèi)的葉片光合速率隨土壤水分的減小而明顯降低[66]；冬小麥的光合速率與減產(chǎn)率具有較強(qiáng)的相關(guān)性[67]，從而為作物受旱程度的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和產(chǎn)量監(jiān)測(cè)提供了依據(jù)，同時(shí)該指標(biāo)多用于定性研究作物對(duì)水分脅迫的響應(yīng)。

3.3 氣象指標(biāo)

3.3.1 降水距平百分率指標(biāo)

降水距平百分率指某時(shí)期降水量與同期多年平均降水量的距平百分率，反映了該時(shí)期降水量相對(duì)于同期平均狀態(tài)的偏離程度，是一個(gè)具有時(shí)空對(duì)比性的相對(duì)指標(biāo)。

(2)

該方法在我國(guó)氣象部門日常業(yè)務(wù)中經(jīng)常使用，基于該指標(biāo)已提出了不同地區(qū)的干旱劃分標(biāo)準(zhǔn)[68、69]及特定作物的氣候干旱指數(shù)[70]。BMDI(Bhalme and Mooly Drought Index)、RAI(Rainfall Anomaly Index)等均屬于基于降水距平百分率的干旱指標(biāo)[71]。

3.3.2 德馬頓(De.Martonne)干旱指標(biāo)

德馬頓(De.Martonne)干旱指標(biāo)(I)的計(jì)算公式為：

(3)

式中，R為月降水量；T為月均氣溫。當(dāng)?shù)埋R頓干旱指標(biāo)(I)小于30時(shí)，干旱開(kāi)始發(fā)生[72]。由于溫度與蒸發(fā)有一定關(guān)系，該指標(biāo)在一定程度上考慮了水分收支情況，且資料易于獲取，計(jì)算簡(jiǎn)單，在一定程度上指示了作物對(duì)水分脅迫的反應(yīng)。

3.4 綜合指標(biāo)

3.4.1 作物供需水指標(biāo)

作物供需水指標(biāo)是指在大氣-土壤-作物系統(tǒng)中從農(nóng)作物的水分供需變化出發(fā)，以農(nóng)田水量平衡為依據(jù)，通過(guò)田間試驗(yàn)及現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析，綜合考慮研究時(shí)段內(nèi)降水、地下水利用、灌溉水量、作物需水量等供水和需水因素，提出的能合理反映農(nóng)作物旱情的一種綜合性指標(biāo)[73]。該指標(biāo)涉及多種水分因子，物理概念明確，所需參數(shù)可利用氣象資料、實(shí)驗(yàn)資料或計(jì)算求得，實(shí)際應(yīng)用效果較好。

3.4.2 作物水分虧缺指數(shù)

作物水分虧缺指數(shù)是表征作物水分虧缺程度的指標(biāo)之一，作物水分虧缺為作物需水量與實(shí)際供水量之差，以百分率(%)表示。作物缺水指數(shù)較好地反映了土壤、植物和氣象3方面因素的綜合影響，比較真實(shí)地反映出作物水分虧缺狀況，是常用的作物干旱診斷指標(biāo)之一[74]。由于水分虧缺指數(shù)是反映一段時(shí)間內(nèi)的作物水分虧缺狀況，其計(jì)算時(shí)段可以根據(jù)需求而定，參考黃晚華等提出的計(jì)算方法[75]。

以玉米為例，根據(jù)作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)的定義和計(jì)算方法[76-78]采用下式：

CWDI=a×CWDIi+b×CWDIi-1+c×CWDIi-2+d×CWDIi-3+e×CWDIi-4

(4)

式中：CWDI——玉米生育期按旬時(shí)段計(jì)算的累計(jì)水分虧缺指數(shù)，分別計(jì)算3月下旬-7月下旬共13旬，由于作物干旱主要體現(xiàn)為累積效應(yīng)，水分虧缺指數(shù)一般計(jì)算連續(xù)5旬的作物虧缺指數(shù)；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4-該旬及前4旬水分虧缺指數(shù)；

a、b、c、d、e——對(duì)應(yīng)旬的累計(jì)權(quán)重系數(shù)，一般a取值為0.3；b取值為0.25；c取值為0.2；d取值為0.15；e取值為0.1。

3.4.3 水分脅迫指數(shù)

作物水分脅迫指數(shù)(CWSI)是以冠氣溫差作為主要計(jì)算因子，綜合考慮了太陽(yáng)輻射、植物、大氣等各因素對(duì)作物水分狀況的影響[79]，是監(jiān)測(cè)作物是否遭受水分脅迫的一個(gè)非常有效的指標(biāo)。CWSI適合于在田間的監(jiān)測(cè)和應(yīng)用，而且在對(duì)CWSI的改進(jìn)研究方面非常豐富。

(5)

式中，ETd為作物實(shí)際蒸散發(fā)量；ETp為作物可能蒸散發(fā)量[80]。研究表明，將作物實(shí)際蒸散量替換成自然降水提出的作物水分虧缺指數(shù)，在我國(guó)不同區(qū)域具有較好的適用性[102]。

4 典型作物調(diào)虧灌溉效用與模式

4.1 調(diào)虧灌溉技術(shù)在梨樹(shù)上的應(yīng)用

表1 作物水分虧缺判別指標(biāo)分類及優(yōu)缺點(diǎn)

調(diào)虧灌溉是為了達(dá)到節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高效和可持續(xù)發(fā)展的目的，爭(zhēng)取在實(shí)現(xiàn)品質(zhì)最優(yōu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)水不減產(chǎn)的目標(biāo)，但是達(dá)到這一目標(biāo)要受多種因素的影響，這些因素相互影響，相互制約[89。梁貝貝等人[90]研究發(fā)現(xiàn)在梨樹(shù)新梢速長(zhǎng)期對(duì)黃冠梨采取調(diào)虧灌溉處理是較好的灌溉方法，既可以減少灌水量，也不會(huì)影響黃冠梨樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育。王玥雙[91]選取20年生長(zhǎng)勢(shì)一致的庫(kù)爾勒香梨樹(shù)作為試驗(yàn)對(duì)象，分成3組，在幼果期分別以常規(guī)灌溉水量的60%、80%、100%(對(duì)照)進(jìn)行灌溉，受到水分調(diào)控的香梨平均硬度較正常灌溉低，可溶性固形物含量較正常灌溉高，綜合商品果率較正常灌溉低。在幼果期以常規(guī)灌溉水量80%作為灌水定額的處理，可以節(jié)約生育期總用水量的5%，并兼顧商品果率和水分利用效率的要求，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。崔寧博[1]根據(jù)三年的大田試驗(yàn)資料，從優(yōu)選梨棗樹(shù)最佳調(diào)虧灌溉方案出發(fā)，構(gòu)建了評(píng)估梨棗樹(shù)調(diào)虧灌溉綜合效益的多層次指標(biāo)體系。利用多層次多目標(biāo)模糊理論與方法，建立了調(diào)虧灌溉綜合效益多層次多目標(biāo)模糊評(píng)價(jià)模型。灌溉模式如表2所示。

表2西北半干旱區(qū)大田梨棗樹(shù)調(diào)虧灌溉制度[1]

生育期水文年25%50%75%95%萌芽展葉期灌水定額灌水時(shí)間504月上旬開(kāi)花坐果期灌水定額灌水時(shí)間405月上旬805月上旬1005月上旬1105月上旬果實(shí)膨大期灌水定額灌水時(shí)間406月中旬1006月中旬1006月中旬1206月中旬果實(shí)成熟期灌水定額灌水時(shí)間07月下旬407月下旬607月下旬灌溉定額80180240340總灌溉次數(shù)2234

4.2 調(diào)虧灌溉在蘋果樹(shù)上的應(yīng)用

黃土高原地區(qū)有生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果的天然優(yōu)勢(shì)，蘋果種植面積超過(guò)了全國(guó)的一半以上，具有十分明顯的規(guī)模優(yōu)勢(shì)[92]。蘋果是生物量大且耗水量大的經(jīng)濟(jì)作物，在不同的生育期對(duì)水分需求的敏感程度不同[93]。徐巧[94]在米脂縣研究蘋果樹(shù)的耗水特性從而得出在萌芽期、開(kāi)花期調(diào)節(jié)土壤含水率維持在田持的50%～60%，在果實(shí)膨大期維持土壤含水率為田持的70%～80%，蘋果能獲得高產(chǎn)。郭小平[95]在晉西區(qū)種植蘋果樹(shù)發(fā)現(xiàn)，土壤含水率設(shè)定灌水下限為10%，在平水年的灌溉定額為101m3/hm2，最終產(chǎn)量為13500kg/hm2。周振民[96]研究得出蘋果樹(shù)在豐水年時(shí)可在萌芽展葉期灌水1次、果實(shí)膨大期3次、總灌水定額為1030m3/hm2。

黃德良[97]以陜西省榆林市子洲縣山地蘋果樹(shù)為對(duì)象，在生育期內(nèi)監(jiān)測(cè)蘋果園區(qū)的氣象數(shù)據(jù)、土壤含水率、蘋果樹(shù)生理生長(zhǎng)及果實(shí)生長(zhǎng)。分析各生育期內(nèi)土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；利用Penman-Monteith公式與水量平衡方程計(jì)算蘋果樹(shù)各生育期的耗水量；基于TOPSIS模型與灰色關(guān)聯(lián)模型對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合效益評(píng)價(jià)，得到豐水年最佳灌溉制度和涌泉根灌灌水器最適宜布置方式，得到的結(jié)果為實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

表3陜北山地涌泉根灌蘋果樹(shù)豐水年灌溉制度[97]

生育期時(shí)間灌水定額(m3/hm2)灌溉定額(m3/hm2)展葉期4月7日221.67開(kāi)花坐果期5月13日218.51果實(shí)膨大期6月7日130.346月27日161.518月6日138.36果實(shí)成熟期870.39

4.3 調(diào)虧灌溉在玉米上的應(yīng)用

在玉米苗期開(kāi)展調(diào)虧灌溉，能發(fā)揮出時(shí)間的后效性，即可確保在生長(zhǎng)后期維持相對(duì)高的葉片光合、蒸騰效率以及根系活力。此外，在調(diào)虧灌溉過(guò)程中，玉米本身的需水規(guī)律會(huì)產(chǎn)生明顯的變動(dòng)，選擇苗期進(jìn)行調(diào)虧灌溉能夠適當(dāng)縮減玉米在苗期、拔節(jié)期、抽雄期的需水量。并且苗期玉米株高降低幅度會(huì)明顯低于葉面積降低幅度，同步狀況下則會(huì)使根冠比、根長(zhǎng)、株高等呈現(xiàn)規(guī)律性地增加現(xiàn)象[98]。這深刻驗(yàn)證了，在玉米苗期予以合理程度的調(diào)虧灌溉，可以在減少葉面積的同時(shí)避免過(guò)多的植株蒸騰效應(yīng)，并且輔助玉米根系掙脫更多的抑制。

康紹忠等[99]考慮產(chǎn)量和水分利用率，提出玉米苗期土壤含水率為田間持水量的50%～60%、拔節(jié)期為60%～70%能得到最高的效益。鄒兵兵等[102]采用PPC模型，基于RAGA分析不同的水分虧缺模型，結(jié)果表明，對(duì)于玉米苗期最佳虧缺度為田間持水量的60%。孫繼鵬等[100]對(duì)調(diào)虧灌溉中根、冠的整體功能進(jìn)行試驗(yàn)也得到類似的結(jié)論。

劉超[101]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出苗期調(diào)虧灌溉處理的玉米最佳水炭耦合模式中灌水量上限水平和生物炭用量水平均低于拔節(jié)期調(diào)虧灌溉處理的玉米最佳水炭耦合模式，但玉米產(chǎn)量和水分利用效率均高于拔節(jié)期調(diào)虧灌溉處理的產(chǎn)量和水分利用效率。苗期和拔節(jié)期調(diào)虧灌溉處理下基于產(chǎn)量和水分利用效率綜合最優(yōu)的最佳水炭耦合模式見(jiàn)表4。

表4調(diào)虧灌溉處理玉米最佳水炭耦合模式[101]

處理灌水量上限水平生物炭用量水平產(chǎn)量(g/盆)水分利用效率(g/kg)苗期調(diào)虧灌溉0.51(63%)0.57(34.2g/kg)167.344.36拔節(jié)期調(diào)虧灌溉0.60(66%)0.64(38.4g/kg)146.074.01

除此之外，還應(yīng)注意不同作物在進(jìn)行調(diào)虧灌溉時(shí)的灌溉時(shí)間、灌溉程度、灌溉方式等關(guān)鍵方法及相關(guān)技術(shù)，具體的作用方式及效果見(jiàn)表5。

表5 調(diào)虧灌溉關(guān)鍵技術(shù)及不同作物的作用方式

5 調(diào)虧灌溉應(yīng)用未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 構(gòu)建科學(xué)的作物水分虧缺狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為實(shí)現(xiàn)低成本、高效地進(jìn)行調(diào)虧灌溉，提高水的利用效率，調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)，需要清楚地了解調(diào)虧灌溉的原理，并且獲取不同調(diào)虧灌溉方式的作用效果。但是確定作物的水分虧缺程度是制定調(diào)虧灌溉方案的前提，對(duì)于作物水分虧缺情況的確定，目前已提出很多種類的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如土壤含水率、葉水勢(shì)、水分脅迫指數(shù)等，但由于不同作物的品種性質(zhì)及生長(zhǎng)環(huán)境差別較大，在準(zhǔn)確度的要求下，很多指標(biāo)的應(yīng)用范圍有限。為了更便捷、準(zhǔn)確地為生產(chǎn)實(shí)際服務(wù)，可將作物生境做基礎(chǔ)的分類，每一類型下，選擇2-3種主要指標(biāo)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定各項(xiàng)指標(biāo)的影響權(quán)重，分析涉及到的各參數(shù)靈敏度，建立關(guān)系式，形成一個(gè)較為系統(tǒng)全面的作物水分虧缺狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，既不會(huì)使各地區(qū)在應(yīng)用時(shí)，采用的評(píng)價(jià)方法上出現(xiàn)大的差別，又可以根據(jù)不同地區(qū)的情況而做相應(yīng)的調(diào)整，以不同的參數(shù)組合形成多維度、高標(biāo)準(zhǔn)的作物水分虧缺表征方式。

5.2 利用“星機(jī)地”結(jié)合的多元監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行多維度監(jiān)測(cè)

以往人們獲取數(shù)據(jù)大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析以及田間調(diào)查、測(cè)量的方法，但這些方法收集數(shù)據(jù)時(shí)效性較差，收集大尺度數(shù)據(jù)比較困難。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)、空間定位技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展和地球環(huán)境變化的加劇，人們對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量的要求不斷提高。為獲取較全面的作物水分虧缺程度信息，可從三個(gè)角度切入：

第一，監(jiān)測(cè)土壤信息。通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤的含水率、土壤的透氣性等指標(biāo)獲取作物的水分虧缺程度。

第二，監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)情況。作物處于干旱的情況下，其影響會(huì)體現(xiàn)在作物生長(zhǎng)的各個(gè)階段。

第三，監(jiān)測(cè)環(huán)境條件。不同環(huán)境因子間的相互作用值得進(jìn)一步探討。

基于以上多種監(jiān)測(cè)維度，為實(shí)現(xiàn)高效化的調(diào)虧灌溉機(jī)制，將衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)技術(shù)、地面監(jiān)測(cè)及GIS等現(xiàn)代信息技術(shù)與區(qū)域模型等結(jié)合起來(lái)開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，是未來(lái)的研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。

5.3 融合作物生理學(xué)提高調(diào)虧灌溉機(jī)理效用

調(diào)虧灌溉涉及到的對(duì)象與因素眾多，僅依靠一門學(xué)科的理論存在局限性。未來(lái)可以將作物生理學(xué)等學(xué)科內(nèi)容結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合分析。利用作物生理學(xué)理論分析作物在面對(duì)水分脅迫的時(shí)候，其內(nèi)在的適應(yīng)性或是反應(yīng)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，并且利用不同作物生理特點(diǎn)，比如不同種類的作物對(duì)水分虧缺的反應(yīng)是不同的，可能會(huì)體現(xiàn)在植株形態(tài)、生理生化反應(yīng)的速率、或是作物內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)等方面的改變，為作物水分虧缺情況指標(biāo)的確定以及調(diào)虧灌溉方案的制定提供理論基礎(chǔ)；同時(shí)進(jìn)一步研究在作物面臨水分虧缺狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制如何運(yùn)作，探究是否可以通過(guò)人為或外界力量加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的抑制及生殖生長(zhǎng)的促進(jìn)，以制定更加高效的調(diào)虧灌溉方案。