王惟舒，汪超子，王興旺，霍再林

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083）

0 引言

農(nóng)田水生產(chǎn)力是指農(nóng)田耗水對農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的貢獻(xiàn)，農(nóng)田水生產(chǎn)力的提升是保障水安全和糧食安全的核心任務(wù)[1]。與此同時，全球氣候變化加?。囟壬?、CO2摩爾分?jǐn)?shù)增加）已成為不爭的事實(shí)[2]，將對全球糧食安全產(chǎn)生影響[3-4]。在此背景下，迫切要求明晰氣候變化及農(nóng)業(yè)節(jié)水對農(nóng)田水生產(chǎn)力的影響，以期實(shí)現(xiàn)變化環(huán)境下農(nóng)田水生產(chǎn)力的有效提升[5-6]。葉片的氣孔狀態(tài)影響著作物的光合速率，進(jìn)而決定了作物生長、干物質(zhì)的累積以及產(chǎn)量形成[7]。作物蒸發(fā)蒸騰、根區(qū)土壤水分、地下水組成了農(nóng)田水循環(huán)過程。作物生長過程以及農(nóng)田水循環(huán)過程之間存在著耦合關(guān)系，形成了農(nóng)田水生產(chǎn)力[8]。氣候變化及農(nóng)業(yè)節(jié)水對農(nóng)田水生產(chǎn)力的影響過程復(fù)雜（圖1）。一方面，氣候變化改變了作物生長的氣象條件及物候，將影響葉片氣孔狀態(tài)、作物生長過程及耗水過程[9]；另一方面，農(nóng)業(yè)節(jié)水直接改變了作物根區(qū)土壤水分及地下水補(bǔ)給條件，將會引起農(nóng)田水循環(huán)過程改變，進(jìn)而驅(qū)動作物生長變化[6]。與此同時，作物生長與農(nóng)田水循環(huán)過程呈現(xiàn)出極強(qiáng)的耦合作用[5]。因此，在認(rèn)識作物生長過程與農(nóng)田水循環(huán)耦合過程的基礎(chǔ)上，量化表征氣候變化及農(nóng)業(yè)節(jié)水等變化環(huán)境下農(nóng)田水生產(chǎn)力的響應(yīng)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水的基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

農(nóng)田水生產(chǎn)力的形成是涉及作物生理生態(tài)學(xué)、灌溉學(xué)、水文學(xué)及土壤環(huán)境學(xué)等多學(xué)科的科學(xué)問題。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對農(nóng)田水生產(chǎn)力相關(guān)問題進(jìn)行了深入研究，研究方法從傳統(tǒng)的作物生長及水土環(huán)境農(nóng)田尺度試驗(yàn)研究向農(nóng)田水生產(chǎn)力所涉及關(guān)鍵過程的量化模擬發(fā)展；研究內(nèi)容從根區(qū)水土環(huán)境對作物生長影響深入到了作物蒸騰及光合過程的耦合?？傮w來說，在作物氣孔-蒸騰-光合耦合過程、農(nóng)田水循環(huán)過程及量化表征、農(nóng)田水生產(chǎn)力量化及變化規(guī)律等方面取得了長足的發(fā)展。

1.1 作物氣孔-蒸騰-光合耦合過程

氣孔是植物葉片水汽擴(kuò)散和CO2吸收的共同通道，氣孔開度的確定是定量描述作物蒸騰與光合過程的基礎(chǔ)。氣孔主要受氣象因子（溫度、濕度、光照、CO2摩爾分?jǐn)?shù)等）及土壤水分等因素復(fù)雜影響。目前植物葉片氣孔量化方法包括基于ABA 控制理論模型、基于環(huán)境因子控制的模型、基于光合作用的反演模型等[10]。然而，限于模型的適用性，基于氣孔與影響因子統(tǒng)計(jì)關(guān)系基礎(chǔ)上所獲得的乘合模型是目前最為常用的氣孔模型[11]。由于乘合模型無法表示多時間尺度氣孔對影響因子的響應(yīng)規(guī)律，Yu 等[12]發(fā)展了葉片氣孔的組合模型。值得指出的是，目前多數(shù)氣孔模型通過葉水勢來表征氣孔對水分的響應(yīng)。隨著研究的深入，葉片氣孔與水分的更多內(nèi)在作用機(jī)制被逐漸認(rèn)識，普遍認(rèn)為土壤水分比葉水勢更能反映氣孔導(dǎo)度對水分的響應(yīng)[13-14]。然而，由于氣孔受環(huán)境多因子協(xié)同作用效應(yīng)的存在，且不同類型的作物對水分環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律存在差異[15-16]，葉片氣孔對土壤水分的響應(yīng)定量關(guān)系尚未取得突破進(jìn)展。而關(guān)于土壤鹽分以及施肥所帶來的微量元素變化對葉片氣孔的影響，目前多是通過控制性試驗(yàn)來探求土壤中的鹽分以及土壤肥力對作物光合特性、產(chǎn)量以及水分生產(chǎn)力的影響方面的定性分析[17]。且土壤水肥鹽具有耦合協(xié)同作用[18]，氣孔導(dǎo)度對于土壤生境因素的響應(yīng)規(guī)律仍缺少具體的定量關(guān)系模型描述。在氣孔模型的基礎(chǔ)上，葉片尺度氣孔-光合-蒸騰的耦合量化表征得到了發(fā)展。Farquhar 等[19]提出了葉片光合作用生化模型，該模型將光合速率表示為CO2摩爾分?jǐn)?shù)、光量子通量密度和溫度的函數(shù)，為定量描述光合作用提供了可能。Leuning 等[20]進(jìn)一步提出了將光合作用、水汽、CO2傳輸、熱量平衡等進(jìn)行耦合的思路，并建立了相關(guān)模型。由于農(nóng)田及區(qū)域尺度水碳耦合模擬的需要，冠層尺度光合-蒸騰耦合模擬是近年來發(fā)展的重點(diǎn)，該類模型一般基于能量平衡和水量平衡原理，將葉片尺度光合作用模型直接擴(kuò)展到冠層尺度來實(shí)現(xiàn)，包括大葉模型（P-M）、二葉模型（Shuttleworth-Wallace）和多葉模型[21]。從光合與蒸騰耦合過程機(jī)理出發(fā)，研究者試圖考慮邊界層導(dǎo)度的影響，建立由葉片光合作用、蒸騰作用、氣孔導(dǎo)度等子模型組成的完整生理模型[22]。盡管該類模型促進(jìn)了人們對光合與蒸騰耦合機(jī)理的理解，但由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還尚未被廣泛應(yīng)用。Yu 等[12]開發(fā)了基于氣孔行為的光合蒸騰耦合模型（SMPTSB），有效提高了植物水碳耦合模型的實(shí)用性。在光合蒸騰模擬應(yīng)用方面，目前存在最大的困難是葉片尺度向農(nóng)田尺度提升的問題。目前普遍的研究思路是引入冠層導(dǎo)度的概念，直接采用大葉模型或二葉模型進(jìn)行冠層尺度光合與蒸騰的模擬，其中最為關(guān)鍵的是冠層導(dǎo)度與水分關(guān)系的表達(dá)。受葉片氣孔模型的啟發(fā)，葉水勢被用于表征冠層導(dǎo)度對水分的響應(yīng)[9]。近年來，大量研究認(rèn)為水分對冠層導(dǎo)度的影響具有很大的不確定性[23-24]。處在不同生育階段的不同種類植物，在不同的氣象條件和土壤條件下，冠層導(dǎo)度對水分環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律存在差異，這也是限制冠層光合與蒸騰耦合模擬精度的重要因素[25-26]。在陸面模型中，土壤水分對冠層氣孔的影響逐漸被引入，極大促進(jìn)了模型的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用[27]。然而，對于中尺度（農(nóng)田）而言，冠層光合與蒸騰在作物葉片層間差異較大，采用大葉模型或二葉模型方法必然無法有效表達(dá)冠層光合與蒸騰的時空差異。此外，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤水分的時空變異較大，作為光合與蒸騰的耦合關(guān)鍵環(huán)節(jié)，作物氣孔對土壤水分響應(yīng)缺乏更為深入的研究。

1.2 農(nóng)田水循環(huán)過程及量化表征

農(nóng)田水循環(huán)是農(nóng)田水生產(chǎn)力的關(guān)鍵驅(qū)動過程，特別是氣-葉、根-土、土壤水-地下水界面水分通量的研究一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，分別形成了以水汽擴(kuò)散理論與能量平衡為基礎(chǔ)的耗水計(jì)算方法，建立了逆境脅迫條件下作物根系吸水模型以及基于土壤水動力學(xué)理論的土壤水地下水轉(zhuǎn)化量化方法。與自然植被相比，由于農(nóng)作物生長的時變性及灌溉引起的土壤水分入滲蒸發(fā)頻繁變化，農(nóng)田水循環(huán)具有其自身的特殊性[26]。受作物生理特性的影響，氣候變化對農(nóng)田耗水的響應(yīng)受到了高度關(guān)注。一般認(rèn)為溫度升高導(dǎo)致耗水的增加[29]；而CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高一方面會抑制氣孔開度、減少耗水，另一方面促進(jìn)作物生長、增加耗水。因此，氣候變化最終對農(nóng)田耗水有何影響尚無定論。與此同時，大范圍的農(nóng)業(yè)節(jié)水也對農(nóng)田耗水產(chǎn)生了明顯影響[30]。根系吸水過程是農(nóng)田水循環(huán)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，現(xiàn)有作物根系吸水模型較少考慮根系的生長過程[31-32]。淺層地下水是旱區(qū)土壤水分維持的重要源，然而受農(nóng)田灌溉的影響，地下水位在作物生育期波動明顯，對作物耗水的貢獻(xiàn)具有時變性[33-34]。在農(nóng)業(yè)節(jié)水條件下，地下水位下降導(dǎo)致土壤水與地下水轉(zhuǎn)化發(fā)生改變，目前對其的認(rèn)識僅限于農(nóng)業(yè)節(jié)水或地下水位單一因素對水轉(zhuǎn)化的影響，尚未深入揭示這二者之間的關(guān)聯(lián)作用。

在確定界面水分通量的基礎(chǔ)上，地下水-土壤-植物-大氣連續(xù)體（GSPAC）系統(tǒng)水分運(yùn)動模型為深入理解農(nóng)田水循環(huán)過程起到了重要作用。農(nóng)田水循環(huán)模型包括數(shù)值模擬模型和水量平衡模型?；诮?jīng)典Richards 方程的數(shù)值模型已成為研究農(nóng)田水文循環(huán)規(guī)律的重要手段，如HYDRUS[35]、SWAP[36]，但模型應(yīng)用中所需土壤水分運(yùn)動參數(shù)較多，其應(yīng)用受到一定程度限制[37]。與此不同的是，以水量平衡為基礎(chǔ)的農(nóng)田水循環(huán)概念性模型由于其結(jié)構(gòu)相對簡單且參數(shù)較少得到了廣泛應(yīng)用。一般來說，農(nóng)田水循環(huán)概念性模型采用FAO 作物系數(shù)法計(jì)算農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量，采用水量平衡方法來模擬土壤水動態(tài)[38-39]?？紤]到根區(qū)土壤水分受蒸發(fā)蒸騰影響明顯，根系吸水模型被引入到土壤水量平衡模擬中[40]。此外，采用簡化的達(dá)西公式來計(jì)算層間土壤水分運(yùn)動是農(nóng)田水循環(huán)概念性模型的另一發(fā)展方向[41]。需要指出的是，農(nóng)田水循環(huán)受作物生理生態(tài)過程的影響，多數(shù)農(nóng)田水循環(huán)模型對蒸騰量計(jì)算環(huán)節(jié)缺乏考慮葉片氣孔的影響，而且土壤水分運(yùn)動模擬中對作物根系生長過程的考慮也不足。

1.3 農(nóng)田水生產(chǎn)力過程量化及對變化環(huán)境響應(yīng)

農(nóng)田水生產(chǎn)力的形成涉及作物生長過程及水循環(huán)過程。在農(nóng)業(yè)水管理中，一般基于大量田間試驗(yàn)獲得水分生產(chǎn)函數(shù)來表征作物產(chǎn)量與耗水之間的關(guān)系，未考慮水分供給對作物產(chǎn)量形成過程的影響。因此，作物生長模型成為農(nóng)田水生產(chǎn)力量化的重要工具。目前國際主流的作物生長模型包括作物生長過程生理生化模型（荷蘭）和作物生長過程干物質(zhì)及產(chǎn)量形成過程模型（美國）。前者已由主要描述冠層光合的第一個作物生長動力學(xué)模型ELCROS 發(fā)展到了包括作物生產(chǎn)潛力、水分脅迫、土壤水分及營養(yǎng)元素的作物生理生態(tài)過程模型WOFOST[42-43]。盡管該類模型對揭示作物生長過程及對環(huán)境因素響應(yīng)機(jī)制起到了重要作用，但由于作物生長參數(shù)較多，模型在農(nóng)田應(yīng)用受到限制。與此不同的是，后者盡管大大簡化了作物生理生化過程，但側(cè)重對作物干物質(zhì)累積及產(chǎn)量的模擬，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，如DSSAT模型[44]及EPIC 模型[45]。由于其較強(qiáng)的適用性，該類模型已運(yùn)用到了區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理[46]。

由于農(nóng)業(yè)水管理的需要，作物模型與水文模型的耦合已成為農(nóng)田水生產(chǎn)力評估的必然趨勢，如SWAP 模型將WOFOST 作物模型與土壤水動力學(xué)過程耦合[36]，RZWQM 模型將DSSAT 作物模型與土壤水動力學(xué)過程耦合[47]，Aquacrop 模型將簡單作物生長模型與土壤水概念性模型耦合[48]。然而，目前對作物生長與水循環(huán)過程的耦合主要是根系吸水與根區(qū)土壤水分動態(tài)的耦合，對作物光合與蒸騰過程的耦合考慮不足。

農(nóng)田水生產(chǎn)力受灌溉、氣象、作物等影響，隨著對全球氣候變化認(rèn)識的深入，氣候變化及農(nóng)業(yè)節(jié)水對農(nóng)田水生產(chǎn)力的影響成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[49]。該類研究主要包括基于人工控制氣候（溫度及CO2摩爾分?jǐn)?shù)）研究作物葉片及植株尺度水分利用效率的響應(yīng)[50]及采用作物生長與水循環(huán)耦合模型模擬研究氣候變化對農(nóng)田尺度水生產(chǎn)力的影響[51]。由于不同類型作物光合及耗水過程的差異，現(xiàn)有對農(nóng)田水生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)的認(rèn)識缺乏普適性[52]。從研究的方法角度講，人工氣候室試驗(yàn)僅側(cè)重揭示作物本身生理生態(tài)對氣候變化響應(yīng)的機(jī)制，而農(nóng)田尺度模型模擬主要側(cè)重對農(nóng)田水生產(chǎn)力的宏觀規(guī)律的認(rèn)識，二者未進(jìn)行有效的耦合。此外，目前的研究尚欠缺農(nóng)田水循環(huán)對水生產(chǎn)力的驅(qū)動過程認(rèn)識。

2 存在的問題

綜上所述，盡管國內(nèi)外對農(nóng)田水生產(chǎn)力形成所涉及的作物光合蒸騰及作物生長過程、農(nóng)田水循環(huán)過程實(shí)現(xiàn)了量化表征，但由于作物蒸騰與光合基于葉片氣孔耦合的特點(diǎn)，且氣孔受氣象及土壤環(huán)境等影響，目前還無法滿足評價農(nóng)田水生產(chǎn)力對氣候變化及農(nóng)業(yè)節(jié)水響應(yīng)的需要，存在以下亟待解決的科學(xué)問題：①氣孔對根區(qū)水分響應(yīng)關(guān)系及基于氣孔的植株光合與蒸騰耦合關(guān)系；②土壤中鹽分以及氮、磷微量元素等其他脅迫因子與土壤水分對氣孔的耦合影響關(guān)系的定量表征；③基于氣孔響應(yīng)的作物生長過程與農(nóng)田水循環(huán)過程的耦合定量表征。未來應(yīng)采用控制實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模擬的方法，深入研究作物生長及農(nóng)田水循環(huán)的耦合過程，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水生產(chǎn)力的量化表征，明確研究區(qū)農(nóng)田水生產(chǎn)力對變化環(huán)境的響應(yīng)。

3 研究展望

未來應(yīng)以全球氣候變化和規(guī)?；r(nóng)業(yè)節(jié)水為背景，以作物生長及農(nóng)田水循環(huán)對變化環(huán)境響應(yīng)過程為主線，在明晰作物氣孔對土壤水分響應(yīng)及頻繁灌溉入滲-蒸發(fā)條件下土壤水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示作物光合及生長過程與農(nóng)田水循環(huán)耦合機(jī)制及量化方法；突破基于氣孔的葉片蒸騰與光合時空尺度提升技術(shù)，發(fā)展基于作物生長-水循環(huán)耦合的農(nóng)田水生產(chǎn)力模型，闡明農(nóng)田水循環(huán)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的驅(qū)動過程；識別農(nóng)田水生產(chǎn)力影響的關(guān)鍵因素，研究農(nóng)田水生產(chǎn)力對氣候變化及農(nóng)業(yè)節(jié)水的響應(yīng)機(jī)制。

3.1 作物蒸騰-土壤水-地下水耦合機(jī)制

研究作物葉片氣孔及蒸騰、光合過程對環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律及定量表征方法，重點(diǎn)研究氣孔、蒸騰、光合與根區(qū)土壤水分的關(guān)系及其響應(yīng)的滯后效應(yīng)；研究頻繁入滲-蒸發(fā)條件下土壤水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，重點(diǎn)揭示旱區(qū)作物生長條件下地下水對耗水的貢獻(xiàn)作用；在突破作物葉片蒸騰-土壤水-地下水時間尺度匹配的基礎(chǔ)上，研究三者的耦合機(jī)制，量化其耦合關(guān)系。

3.2 基于作物生長與水循環(huán)耦合過程的農(nóng)田水生產(chǎn)力模型

研究葉片氣孔、蒸騰、光合在冠層葉片層間分布規(guī)律及時空尺度提升方法，獲得冠層尺度基于氣孔的蒸騰與光合過程定量表達(dá)；研究基于氣孔的作物蒸騰-土壤水-地下水過程耦合的農(nóng)田水循環(huán)概念模型；建立基于氣孔的作物生長過程模型，發(fā)展作物生長與水循環(huán)過程耦合的農(nóng)田水生產(chǎn)力模型，研究模型參數(shù)的敏感性及適用性。

3.3 農(nóng)田水生產(chǎn)力對氣候變化及農(nóng)業(yè)節(jié)水的響應(yīng)模擬

基于所發(fā)展的農(nóng)田水生產(chǎn)力過程模型模擬氣候變化（溫度升高、CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高）及農(nóng)業(yè)節(jié)水（灌溉定額減少）條件下作物生長、農(nóng)田水循環(huán)及農(nóng)田水生產(chǎn)力響應(yīng)過程，研究氣候變化和農(nóng)業(yè)節(jié)水對農(nóng)田水生產(chǎn)力的協(xié)同影響；通過重建研究區(qū)歷史氣候變化及農(nóng)業(yè)用水條件下農(nóng)田水生產(chǎn)力變化過程，識別農(nóng)田水生產(chǎn)力變化的主要驅(qū)動因素，預(yù)測未來變化環(huán)境下農(nóng)田水循環(huán)改變過程及對農(nóng)田水生產(chǎn)力的驅(qū)動作用。