农田水分生态过程与调控研究进展

张红芳+高辉+胡兵辉

摘 要：掌握水分调控方式对于农田的有效耕作具有重要的意义。作物水分的消耗主要用于叶片的蒸腾和光合作用，把握这2个重点对于节水模式和灌溉方式具有一定的指导意义。该文综述了农田土壤水分生态过程及其调控，植物水分生态过程及其调控，土壤-植物-大气连续系统水分生态过程及其调控，并展望了作物根系吸水作用和耐旱植物的培育，为今后农业可持续发展提供理论依据。

关键词：农田；水分；生态过程；调控

中图分类号 S274.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）24-12-04

The Research Progress of Farmland Water Ecological Process and Control

Zhang Hongfang et al.

（1College of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming 650224，China）

Abstract：Water deside way is a great significance to the effective cultivation of farmland.Crop water consumption is mainly used for leaf transpiration and photosynthesis，grasp the two key for water saving irrigation patterns and has a certain guiding significance. This paper summarized the farmland soil water ecological process and its regulation，plant water ecological process and its regulation，the soil-plant-atmosphere continuous system water ecological process and its regulation，and put forward to analyze the water effect of crop root，breeding of drought-enduring plant，and provide theoretical basis for agricultural sustainable development in the future.

Key words：Farmland；Moisture；Ecological process；Regulation

1 前言

气象条件影响着作物的分布、生长发育、产量及品质的形成，而水分条件是决定农业发展类型的主要条件。干旱是危害农牧业生产的第一灾害，连年的旱情已使很多庄稼地颗粒无收，造成不可估量的损失。近几年由于干旱发生频率高、持续时间长，影响范围广、后延影响大，成为影响我国农业生产最严重的气象灾害，尤其是2010年西南高原地区遭遇了百年一遇的特大旱灾，对群众生活、工农业生产包括经济社会的发展造成了严重影响，给农业为主的中国造成了巨大的损失。同时，气候干旱加剧了土地荒漠化进程，对脆弱的生态系统非常不利。水资源是影响农业最重大的因素，因为农业是世界上水的最大需求者，从地球的河流、湖泊和地下畜水层提供的2/3以上的水用于灌溉。但是由于对水资源的有限性认识不足，加上我国水资源的无偿使用，造成我国水资源的严重浪费。据统计，我国灌溉用水的有效利用系数只有0.4左右，每年经水利工程蓄引的水量约5 000×108m3，有60%的水量在配水的田间灌溉过程中被浪费，所以农业节水潜力很大[1]。

当前农业正面临巨大的挑战，相关部门应该采取措施保护森林，保护耕地，发展节水农业，保证水分利用率的最大化。本文综述了农田水分的生态过程及其调控方式、植物水分生态过程及其调控以及土壤-植物-大气连续系统（SPAC）水分生态过程和调控的研究进展，进而提出农田水分有效利用的重点方向，以期为旱区农田高产提供理论依据。

2 农田水分生态过程研究

2.1 土壤水分生态过程 水不但是作物生长最重要的物质之一，而且是作物吸收营养元素的载体。水分是限制农业生产的主要因子，水对作物产量的影响主要表现在对光合作用和呼吸作用的影响上。作物生长发育过程中光合作用直接耗用的水分不足农作物耗水量的1%，99%以上的水分都是由作物蒸腾和棵间土壤蒸发所消耗[2]。而干旱半干旱地区发展节水农业的关键问题是在减少无效蒸发和径流、集约利用降水资源、增加降水有效利用量的基础上，提高植物本身的水分利用效率[3]。

土壤中的水分是由降雨、人工灌溉等决定的，这些水分通过土壤表层空隙进入土壤深处，这个过程称为入渗。入渗到土壤中的水一部分贮存在根部，一部分排到深层，其余部分通过土壤蒸发和植物吸收排出土外。一般来说，土壤可利用水在在永久萎蔫和田间最大持水量2个极值范围之间[4-5]，超过这2个极值造成过旱或者涝灾，都是不利于植物生长的。近几年的研究重点主要是干旱问题，因为干旱导致多地降雨量的减少，并且没有储水也谈不上人工灌溉，即使有储水人工灌溉也大大加重了农民的负担。所以近年来干旱区生态过程和格局的水文学机制的研究已成为生态环境研究前沿和需求热点，如旨在深入了解干旱区自然和人为诱发的环境变化后果的欧洲荒漠化威胁地区的试验研究计划（EFEDA），半干旱热带地区水文大气先行行研究计划（Hapex—Sahel）[6-8]。干旱地区土壤水分的蒸发量极大，而耕地的土壤水分含量不同主要是由于种植作物的耗水量决定的。农田生产力的提高，土壤水分消耗量增加，一般情况旱地土壤剖面剩余含水率与产量呈显著的负相关关系[9]，作物收获后干燥的土壤剖面，只有在降水量较大时才可能恢复。

在水分关系中，土壤具有聚集、贮存、释放水分供作物利用的作用，被称为“土壤水库”。土壤水的聚集、贮存和释放是借助土壤水分运动得以实现。土壤水运动规律虽然很复杂，但并不是杂乱无章、无规可循[10]。由于作物根系的影响，表层和深层的土壤水分是不同的，然而在作物生长旺盛时期，随着耗水量的增大，上层土壤含水量的减少，深层土壤水通过根系的蒸腾拉力将不断上升为作物所利用，所以深层土壤水分在作物的耗水中起着重要的补偿作用。土壤含水量改变，蒸发也会随之发生变化，棵间蒸发的大小主要受表层水分状况的影响。高阳等[11]研究表明土壤蒸发与表层土壤含水率关系较密切，不论哪种种植方式，降雨或灌水后随着表层土壤含水率的增加，土壤蒸发也相应增加，间作田的土壤蒸发较单作田增加得多；之后随着表层土壤含水率的减小，土壤蒸发也随之减小，间作田的土壤蒸发比单作田减小得慢。

2.2 植物水分生态过程 土壤水分作为作物可以利用的直接资源，与植物的生长发育有着密切的联系。一方面土壤水分制约着作物群体的生长状况及产量形成，另一方面作物群体的大小又影响着土壤水分的变化。所以正确理解作物与水分的关系对于农业生产具有重要意义，尤其是旱区作物生长。在旱区，降水是影响作物生长的重要因子，作物水分适应性的优劣是提高水分利用效率的重要技术依据。有研究表明，不同地区采用不同的指标，作物的水分适应性有一定的差别，不同地区相同指标也有差异[12]。

从光合作用的角度来说，植物的叶片是进行光合作用最主要的部位，而叶绿素是光合作用必不可少的载体，叶片中叶绿素的高低直接影响光合作用效果。根系通过渗透压调节吸收土壤中的水分，经过植物的导管运输水分到叶片，叶片经过一系列的反应，将无机物转化为有机物，从而得到粮食产出。但是由于干旱水分胁迫下叶绿素含量降低，叶片光合能力减弱。大量的实验证明：光合作用对土壤水分的需要存在一个阈值，也就是土壤含水量低于这个阈值，水分作为光合作用的来源之一，因此水分缺乏主要是间接地影响光合作用下降。具体来说，缺水使叶片气孔关闭，影响CO2进入叶内，缺水使叶片淀粉水解，糖类堆积，光合产物输出缓慢，这些都会使光合速率下降[13-14]。当然不仅光合作用需要消耗水，呼吸作用也要消耗水，这就需要维持水分供给与消耗的平衡。

从农业意义上来说，干旱作为一个累积的过程，它是因土壤中有效水分不能满足土壤蒸发和作物蒸腾的需要而造成生理失调，从而产生危害的。作物种间存在渗透调节差异，这方面的研究已有很多报道，如高粱、玉米、小麦和甜菜在低水势下叶膨压可完全维持，而同等干旱下，向日葵只能维持部分膨压，这就说明不同作物适应干旱有不同的结果，所以干旱条件下要慎重选择作物种类[15]。

2.3 土壤-植物-大气连续系统（SPAC）水分生态过程 水分经由土壤到达植物根表皮、进入根系后，通过植物茎到达叶再由叶气孔扩散到空气层，最后参与大气的湍流交换，形成一个统一的、动态的相互反馈连续系统，也就是土壤-植物-大气连续系统（SPAC）[16]。

土壤和根系是SPAC一个重要的分支，根系是植物的主要吸水器官，而且根吸水主要是主动渗透和枝叶蒸腾的被动吸水。影响根系吸水有很多因素，比如植物自身因素、土壤因素和大气等外界因素。这个系统的各部分，如果土壤水分不是限制因素，那么吸水效率主要由大气决定；如果土壤水分成为限制因素，那么吸水效率主要由土壤水分决定；作物因素主要决定吸水的时间。蒸腾作用存在与SPAC的另一个分支（叶-气子系统中）。植物蒸腾绝大部分的水都是通过气孔逸散到大气中，但这个过程却是中午最重要的生命活动，它用来保证植物各个部位水分的获得和保证矿质营养元素的运输[15]。

在对于土壤-植物-大气连续系统（SPAC）理论进行的作物水分关系研究中，作物信息作为已知输入，不能在模型中对水热的变化做出动态响应，这在一定程度上限制了SPAC的运用；另外在作物生长模拟中，土壤水分状况需要已知，不能根据作物生长做出动态响应。而实际上，作物生长与SPAC水热状况是互相影响的2个过程，土壤水分的亏缺限制了作物的生长，降低了蒸腾量，蒸发蒸腾量与根系的变化反过来又影响了土壤水热过程实现作物生长与SPAC水热运移的耦合，就可以同时动态模拟作物的生长过程与SPAC统中的水热运移，使得这一领域的研究更为丰富[17]。近几年由于科学技术的不断发展，随着土壤物理学等学科的农业生产需要，科学家们一直致力研究土壤与水、水和植物以及土壤、植物与水之间的相互关系，取得了较大进展。

3 农田水分生态调控研究

3.1 土壤水分生态调控 了解土壤的水分生态过程对于水分生态调控具有重要的意义。从宏观上来说，针对农田水分较多的情况，应当及时挖沟排涝，避免植物受灾；针对干旱情况下，需采用挖掘小型水库方式来积攒雨季水分，以备旱季使用，人工灌溉方式需要根据作物吸水模式采用喷灌、滴灌等方式，构建农田最优的灌溉策略[18]。从微观上来说，在种植的时候就需要考虑节水高效种植，而间套种模式就是旱区节水最重要的一种。有研究表明，无论在单作条件下还是间作套种条件下，农田的总灌水量基本相同。但不同种植模式的有效降水却存在比较明显的差异，改“一年一熟”为“一年两熟”，以缩短农田裸露时间减少水分的无效蒸发[19]。

间作套种在中国及非洲地区都具有悠久的历史，大量事实也证明，合理的间套作不仅可以改善农田生态系统生产力[20]，提高作物对养分的截获[21]，而且可以提高农田水分含量或水分利用效率，与传统的单一种植方式相比，间作有明显的产量优势[22-23]。所以在干旱地区，应尽可能的采取间套种模式，达到节约水资源并且不背离增产增收的目的。实行间套作耕作措施，增加了地面覆盖，间作作物荫蔽行间，可以大大减少土壤水分蒸发，防止土壤板结，增加土壤入渗，减少水分流失量，提高水分利用率；同时还能充分利用土壤深层水分并分层利用土壤水分，从而延缓干旱时期，减少干旱程度。因此，研究间套作系统中的土壤水分对作物生长发育和农业发展有重要的意义[24]。