基于优化灌溉制度模拟的作物对地下水利用研究进展

章启兵 刘 猛 王 辉

一、引言

“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路赋予了新时期治水的新内涵、新要求、新任务。节水优先是新时期治水工作必须始终遵循的根本方针。这是在吸取世界各国发展经验和教训，对我国国情水情深刻分析研究后作出的科学选择。为推进实行最严格水资源管理制度，确保实现水资源开发利用和节约保护的主要目标，严格用水总量控制、用水效率控制、水功能区限制纳污“三条红线”，着力挖掘农业节水潜力，迫切需要改变传统农业灌溉方式。要实现节水型农业需从过去充分满足作物丰产灌溉用水的旧观念中走出来，围绕优化灌溉制度等方面研究农田灌溉的经济用水问题，以便能在向农田供给总灌溉水量一定的条件下，通过灌溉水量的合理分配，获得最大的效益，或者在获得同等效益时使耗费的灌溉水量最小。

在土壤—植物—大气连续体SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continum）中作物对地下水的吸收利用是其中重要环节，作物对地下水利用是地下水通过土壤毛管作用向作物根系层运动被作物所利用的那部分腾发量，主要与地下水埋深、土壤质地等因素有关，影响因素多且相互间的关系比较复杂。在地下水埋深较浅的地区，土壤—植物—大气连续体中的水分因自然和人为作用必然要和地下水发生联系，不同埋深地下水对土壤水分分布和农作物产量、水分利用效率等有着不同程度的影响。定量研究地下水对SPAC系统水分过程、生物过程和能量过程等的作用和影响，对于深入分析包气带水分运移规律和科学利用地下水、制定合理优化的灌溉制度方案以及农田水资源调控等具有重大的科学意义。本文从优化灌溉模型、作物对地下水利用等关键技术方法方面总结现有的成果和相关研究趋势，为地下水浅埋区节水灌溉模式、农田水资源调控等领域的研究提供参考和思路。

二、关键技术研究进展

1.优化灌溉制度模型研究进展

优化灌溉制度是将一定灌溉水量在作物各生育阶段进行合理分配的多阶段决策过程，确定作物优化灌溉制度的模型方法有线性规划（LP）、非线性规划（NLP）、动态规划（DP）、随机动态规划（SDP）、模糊动态规划模型（FDP）、大系统递阶模型等。DP模型一般将阶段初可用灌溉水量与土壤含水率作为状态变量，各阶段灌溉水量为决策变量，SDP模型在该基础上将降雨等不确定因素作为随机变量处理。张展羽等基于Morgan模型，用二维DP模型求解了冬小麦的最优灌溉制度。崔远来等以作物水分生产函数为依据，用随机动态规划（SDP）模拟净灌水量在作物各个生育阶段的最优分配，实现了对单一作物灌溉制度的优化。付强等以改进的加速遗传算法（RAGA）与多维动态规划法（DP）相结合，建立了遗传动态规划模型（RA-GA-DP），解决了在求解作物非充分灌溉制度优化过程中陷入局部最优而难于得到真正最优解的问题。模拟优化模型及水量平衡模型也应用到灌溉制度的模拟和评价中，尚松浩在水量平衡模型及作物生产函数的基础上建立了作物灌溉制度的模拟优化模型，并利用单纯形搜索法求解北京地区冬小麦返青后的最优灌溉制度。温季等为了考虑随机因素（气象因素等）对冬小麦灌溉的影响，用时间序列方法建立了蒸发蒸腾量的随机模型，并将其导入田间水量平衡方程，推导出冬小麦灌溉的随机模拟模型。陈皓锐等提出冬小麦根层土壤水量平衡的系统动力学模型，为获取冬小麦根系层水量转化情况，采用系统动力学的建模思想和Vensim软件构建了冬小麦一维逐日土壤水量平衡模型。模型将2m土层概化为十个串联的水箱，计算了灌溉降雨后的土壤水分下渗、土壤蒸发、作物蒸腾、毛管上升补给和水分重分配等物理过程。章启兵采用离散微分动态规划法（DDDP）建立安徽淮北平原区主要旱作物优化灌溉制度模型。汤广民等依据安徽水科院新马桥农水综合试验站作物水分生产函数专项试验资料建立了小麦等4种主要农作物的作物—水模型和作物优化灌溉制度的数学模型，分析确定了经济灌溉定额以及优化灌溉的节水增产效果。

2.作物对地下水利用研究进展

由于地表蒸发和作物蒸腾作用，浅埋地下水能补给土壤一定的水量以满足作物根系吸水。地下水补给土壤的水量或作物对地下水的利用量实际是指在有作物覆盖情况下的潜水蒸发。此部分水量从不能被作物直接利用的地下水转变为可被作物吸收利用的土壤水，将减少灌溉定额，降低农业生产成本，对拟定灌溉制度等具有一定的指导意义，对地下水埋深较浅的黄淮海平原地区发展节水农业也具有重大的实际意义。

在地下水浅埋地区，地下水可通过毛管上升而补给包气带土壤，作物根系的吸水作用大大加快地下水向包气带土层水分运动的强度。地下水通过影响作物的根系生长，进而影响作物的根冠关系和灌层的光合作用，对作物的水分利用效率和作物产量发生作用。Wesseling等认为地下水过浅时减少了根系的氧气供给，从而限制了作物的养分吸收和生长。Shin对地下水埋深为0.30m、0.60m、0.85m时甜高梁的生长研究表明，甜高梁的产量与地下水埋深成负相关关系。一些研究表明对于地下水作用下作物产量和地下水埋深之间存在一个最优的地下水埋深，这一最优地下水埋深是作物、土壤和气候的函数。Hiler等对不同地下水位埋深时高粱的产量研究表明地下水位埋深为0.90m时高粱产量最高。Cavazza等发现当地下水埋深为1.25m时，冬小麦产量最高，地下水埋深大于1.25m时，如果不进行人工灌溉，冬小麦产量会降低。杨建锋就浅地下水埋深区潜水对SPAC系统作用进行了初步研究，结果表明，在地下水埋深较浅的地区，潜水参与和影响了SPAC系统的水分、生物、化学等过程。潜水通过控制土壤水分分布影响冬小麦根系发育和冬小麦产量，对于冬小麦，在没有灌溉的条件下，存在着一个最优地下水位埋深，约在1.5m左右。陈建耀等利用大量水平衡因子的实验数据就潜水蒸发量对蒸散的贡献进行了研究，结果表明潜水蒸发与作物蒸散发的关系非常复杂，当地下水位为1.89～2.65m，潜水蒸发对蒸散发的贡献份额平均约为17%。王晓红等通过开展不同地下水埋深条件下冬小麦和玉米全生育期潜水蒸发实验，探讨浅埋深地下水对作物生长规律的影响。实验表明，在地下水浅埋地区地下水对作物的生长过程有着明显的影响作用。地下水埋深的不同导致了主根的下扎深度和侧根与分枝根在不同层次上的分布密度有很大差异，地下水通过影响作物的根系生长，进而影响到作物耗水规律、作物的水分利用效率及作物地上部分的生长发育。张朝新利用安徽省水科院五道沟实验站地中蒸渗仪观测设备对旱作物对地下水利用进行了研究，表明作物对地下水利用量是非常可观的，从多年平均值来看，在适宜生长的地下水埋深的范围内，早作物对地下水利用量一般占蒸发蒸腾量的50%～70%，其中小麦占60%～85%，黄豆占50%～87%，玉米占60%～87%。杨鹏年等研究了浅层地下水对灌溉的补偿效应，利用Hydrus软件对不同地下水埋深下膜下滴灌棉花生育期耗水量进行了模拟。研究揭示地下水对棉花的耗水具有一定的补偿作用，地下水埋深越浅，灌溉定额越小。

三、研究展望

以往优化灌溉制度主要研究一定的水量如何在作物的生育期进行合理分配，以实现作物产量最大或效益最高的目标。农作物优化灌溉制度及水资源优化分配模型研究中存在仅考虑经济效益而忽略生态环境效益、农业用水效率较低、模型中指数取值研究不足等问题，今后在农作物水资源优化分配模型的相应研究中，应考虑多目标规划模型及生态影响目标，在优化灌溉制度模型中嵌套作物对地下水利用模型，并运用决策支持系统来进行水资源优化，发展多作物优化组合及优化配水模型，从而为确定区域节水模式和水资源承载能力及生态环境改良提供更加科学合理的依据。因此，今后应在以下几个方面加强研究：

1.作物根系吸水模型研究

构建科学合理的根系吸水模型可定量化研究模拟植物根系吸水情景并准确估算植物根系吸水量，根系吸水模型从机理上阐释了根对土壤水分的吸收，能够描述根区微域内土壤水运动规律，也有助于深刻理解和描述植物的需水特性和水分来源。

根系在吸水过程中充当重要角色，决定着作物持续吸水的时间和区域，控制着根吸收水分的速率在土壤剖面上的相对强度。无论根系是主动还是被动吸水，均需克服土壤阻力、土根界面阻力及根的径向、轴向阻力，而这些阻力大小和分布与根系特性及生长、分布状况具有密切关系。此外，根系大小还会改变土壤有效含水量和临界土水势，从而影响作物利用水分状况及抗旱能力。

在SPAC系统中水分运移是其中一个重要的子系统，而在这个子系统中，水分运动定量描述的关键在于确定根系吸水率的大小及其在剖面上的分布。因此需加强微观和宏观尺度作物根系吸水模型的深入研究。

2.地下水与SPAC系统耦合机理研究

浅层地下水对SPAC系统的水分过程和生物过程都有着显著的影响，浅层地下水参与和影响了SPAC系统中水分运移和能量分配的物理过程，作物生长和根系发育的生物过程，农药化肥等化学物质运移、转化和积累的化学过程。SPAC系统应向地下水含水层扩展和延伸，将地下水含水层与土壤—植物—大气连续体纳入到统一体系中构成地下水含水层—土壤—植物—大气连续体（Groundwater aquifer-Soil-P1ant-Atmosphereontinuum，GSPAC）。构建GSPAC系统的关键在于将地下水的作用耦合嵌入到统一模型中。开展地下水与SPAC系统耦合机理研究，深入阐明浅层地下水参与SPAC系统水分过程、生物过程和化学过程的机理，能够更加系统全面地掌握地表水文过程、含水层中地下水流动过程以及农田尺度下SPAC过程的相互影响。

3.地下水埋深对作物影响机理研究

地下水埋深影响作物土壤水分吸收和盐份运移，影响作物生长发育状况和最终产量。作物产量随地下水埋深变化只是地下水对作物生长发生作用的外在表现，问题的实质是土壤水分布控制着作物干物质的积累与分配和作物对水分的有效利用。开展地下水埋深对作物根系土壤水分和盐分运移的影响、地下水埋深对作物生长发育的影响、地下水埋深对作物产量的影响、地下水补给通量、根区土壤储水量和作物腾发量关系等相关实验研究，揭示地下水埋深对作物影响机理，在阐明机理的基础上，可以通过调控地下水埋深来协调作物根冠关系，提高作物水资源利用效率，促进和优化干物质的积累和分配