亏缺灌溉的国外研究进展

邹小阳，肖克飚，胡封兵

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530000；2.中科院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

随着世界人口迅速增长，对农作物产量的需求不断提升[1]。但目前可供农业生产的淡水资源呈减少趋势。因此，提升作物水分生产力势在必行[2]。此前的国外研究集中于如何最大限度提高作物总产量。近年，国外研究逐渐关注限制农作物产量增加的限制因子，如土地资源和水资源等。干旱半干旱地区，水分是限制作物生长的主要因素，研究发现亏缺灌溉(DI)适宜在干旱半干旱地区推广使用[3- 5]。本文总结了国外关于亏缺灌溉的研究成果，并分析了作物水分生产力模型在评估和设计亏缺灌溉方案中的作用，以期为我国亏缺灌溉的未来研究方向提供参考。

1 亏缺灌溉

1.1 亏缺灌溉概念

亏缺灌溉是指作物在干旱敏感期的一种优化灌溉方法。若降水可满足作物最基本的水分供应，亏缺灌溉量可适当减少，甚至无需灌溉。水分限量供应仅适用于耐旱物候阶段，通常是营养生长阶段和晚熟阶段。因此，在整个作物生长周期内，灌溉总量与灌溉需求不成正比。虽然这不可避免地导致植物受干旱胁迫而产量减少，但亏缺灌溉能最大限度提高水分生产力。因此，亏缺灌溉目标是稳定作物产量，使水分生产力最大化而非产量最大化[6]。

作物的干旱耐受性与作物基因型及物候期有关，因而各类作物存在较大差异。亏缺灌溉需准确了解作物在不同生长阶段对干旱胁迫的反应[7]，并全面评估作物在亏缺灌溉条件下产量减少形成的经济影响[8- 9]。在水资源匮乏地区，作物水分生产力最大化产生的成本远低于产量最大化所需成本。

1.2 亏缺灌溉国外应用情况

亏缺灌溉源于美国现代农业，美国现代农业以现代化灌溉技术研究为基础，节水灌溉农业产业化迅猛发展，亏缺灌溉技术得到了大面积推广。据最新统计，美国亏缺灌溉面积占节水灌溉总面积约25.62%。

以色列作为全球节水农业技术最发达的国家之一，追溯到1953年，以色列即开始尝试节水灌溉技术，解决了国家水资源分布不均问题。以色列是最早提出亏缺灌溉初始定义的国家，20世纪90年代，以色列大力推广节水灌溉技术，亏缺灌溉是以色列干旱地区的主要节水灌溉技术，并在国内干旱地区推广。

1.3 不同作物的研究结果

1.3.1季节性作物水分生产函数

Tarkalson等[10]和Oweis等[11]研究发现，是否灌溉或作物耐受干旱胁迫的水平在不同物候阶段之间无显著差异，而不同区间的范围存在差异。不同研究得出的曲线形状不同，这可能是由于一些实验设计中的干旱胁迫范围小于相对土壤蒸发范围[23]，或者某些区间用一系列近似的线性函数拟合而来。

Hanson等[12]研究发现，在干旱地区，亏缺灌溉比仅依靠降雨更有效，作用大小取决于可用的雨量是否达到最低的水分要求。在极端情况下，亏缺灌溉才能满足达到最大的水分生产率的要求，即第四区间不存在，且线性部分具有纵轴负截距的情况下。

Tolk等[13]研究了美国不同干旱地区小麦对亏缺灌溉的响应，发现亏缺灌溉较完全灌溉效果更好，且作物水分生产函数的线性区间在蒸发量最大时，水分生产率最大[14]。不同地区的扁豆[15]、绿豆[16]、大豆[17]和红花[18]等作物的水分生产曲线呈抛物线，甜菜的水分生产函数呈线性或凸曲线；而不同干旱地区的玉米，其作物水分生产曲线呈线性[19]。

1.3.2不同干旱胁迫下的物候阶段

本文从农业生产角度分析了亏缺灌溉的优化方法。作物水分生长函数优先考虑是否在最大水分需求量或蒸散量处达到最大水分生产率。Lovelli等[20]研究发现，单一的亏缺灌溉模式不适用于全部作物，且不同作物的干旱耐受水平与相应的作物水分生长函数差异显著。

Ilbeyi等[19]研究发现，应用亏缺灌溉后，小麦在水分生存力增加的同时产量下降缓慢；相比仅依靠降雨，采用精确优化灌溉的冬小麦产量增加65%；与降雨为主和完全灌溉相比，水分生产力增加1倍。在叙利亚和孟加拉国的研究也发现，亏缺灌溉对增加小麦的水分生产力具有重要作用。

玉米在不同物候阶段对亏缺灌溉响应较差，而采用完全灌溉的效果更好。Pandey等[21]研究了施肥量(N-rate)和亏缺灌溉对玉米的综合影响，发现完全灌溉条件下的水分生产力最高，而水分缺乏造成玉米生长早期的营养缺乏，与不同氮肥水平的作物水分生长函数一致。

Webber等[14]通过田间试验发现，仅使用完全灌溉所需水量的一半，能够使藜麦产量稳定在1.6t/ha的水平且具有优良的粒度。其中灌溉只需在对干旱敏感的阶段应用，即作物播种、开花和早期灌浆时期。Iniesta等[22]发现，在讨论树木和深根作物中由于亏缺灌溉造成水分生产力大幅增加时，通常不考虑更深土层的土壤水分消耗。此外，亏缺灌溉对作物的其他影响如芒果果实大小也有正面影响。

1.4 亏缺灌溉的优势和制约因素

亏缺灌溉的主要优点是最大限度提高水分利用率。尽管作物产量有一定减少，但作物的质量(如糖含量，粒度)比降雨或完全灌溉处理更好。相对于产量最大化，通过亏缺灌溉最大化水分生产力可提高农民经济收入。此外，亏缺灌溉单产可以稳定在特定的水平，从而保证农民的稳定收入与更经济的生产规划。相比完全灌溉，亏缺灌溉可降低农作物生长区域的湿度，进而减少真菌病害风险。

减少作物生长周期灌溉水量可减少养分从根区浸出流失，从而改善地下水水质和降低施肥需求。Garabet等[23]研究发现，在季节性严重干旱胁迫下的作物在施用少量化肥时，仍可保持较高产量；过度施肥可能导致作物更易缺水，并导致收获指数下降。Tarkalson等[10]研究发现，在施用足够的氮肥时，完全灌溉可提高作物产量；这表明不同亏缺灌溉方法适用于不同的最佳肥料水平。因此，在不同的作物管理因素中，亏缺灌溉是最有效的。通常亏缺灌溉和减少施肥会产生双赢效应，即同时应用亏缺灌溉与优化施肥水平增加的产量(WP较高)，高于分别应用这两个因素后产量增加的总和。

亏缺灌溉还可通过灌溉来控制播期，从而改善农业生产规划。Oweis等[11]使用模型研究发现，由于作物生长周期控制的水平较高，而灌溉对气候的敏感性较低，播种日期可以错开，从而使供水量减少20%。因此灌溉系统边缘地区的水分生产力显著增长。Kipkorir等[9]研究发现，在缺水条件下，高粱和玉米分别延迟开花7d和17d，成熟期延迟5d和12d。McMaster等[24]发现干旱会缩短小麦和大麦的作物生长周期。因此通过控制作物周期的长短，亏缺灌溉可以改善农业活动规划。

基于国外的研究成果，可知亏缺灌溉在运用中包含较多限制因素，实际使用中应满足以下条件：①仔细研究作物对干旱胁迫的反应。对于最大水分生产力出现在较小范围蒸发量时的作物，确定应用亏缺灌溉的最佳时机较为困难。②在作物生长的敏感阶段，应通过灌溉完全满足其需水量，而在区域尺度较大或在缺水期间情况并非总是如此。③应始终提供最小量的灌溉用水，而这一条件在灌溉水资源匮乏的极端干旱地区不能保证。④应采取措施避免盐渍化，亏缺灌溉才能取得成功。

1.5 在缺水灌溉条件下提高水分生产率的原因

Fereres等[3]和Karam等[25]研究发现，亏缺灌溉提升水分生产力原因如下：减少土壤水分蒸发损失，避免特定物候阶段的干旱胁迫对作物繁殖与营养之间生物量分配的负面影响(收获指数)，从而稳定作物生殖器官数量。Pasquale等[26]研究发现，生物量的净同化造成的水分生产力随着干旱胁迫减轻或作物生长而增加；由于作物生长对蒸腾的保护行为，这种效应十分有限；由于灌溉和施肥的共同作用，生物量的净同化率使水分生产力增加，包括因施肥少和土壤肥力较低，灌溉减少的情况。

2 亏缺灌溉评价和规划模型

通过野外田间试验研究不同作物对亏缺灌溉方案的响应存在较大难度，试验成本昂贵，也无法全面控制影响作物生长的环境因素。且在不同物候阶段对干旱胁迫的响应差异可能导致作物水分生产函数分散。基于此，国外学者建立了亏缺灌溉的评价和规划模型。

该模型可综合评估影响产量的不同因素，得出不同条件下的最佳亏缺灌溉量。此外，模型可在不同的子模型中分解作物生产力，有助于阐明亏缺灌溉增加水分生产力的机理。通过对长时间序列气候资料的多次分析可以促进随机模型的发展，即使在全流域范围内。Sepaskhah等[8]通过额外考虑与降雨量相关的经济风险，为伊朗的小麦和棉花制定了灌溉量的概率分布模型。

由该模型得出的亏缺灌溉方案质量的适用性，主要取决于描述作物生长和对灌溉水的产量反应模型的有效性。Dogan等[27]发现，以大豆为研究对象，建立的亏缺灌溉模型精确性较差。在不同地点和不同作物上应用模型时，应注意在开发和校准特定模型时所使用的边界条件。

3 结论

亏缺灌溉可有效解决干旱地区农业生产用水短缺的问题，维持作物产量的稳定性。目前国外学者对亏缺灌溉进行了大量研究，研究方法主要为田间试验和计算机模型试验。基于国外的亏缺灌溉研究成果，建议我国学者今后应结合田间实验与经过校准验证的作物水分生产力模型，进一步探明不同种类作物的亏缺灌溉方案，以发挥亏缺灌溉提升干旱地区农作物品质和水资源管理战略中的重要作用。