作物灌溉制度和土壤水分控制技术研究进展

于 洋，侯新月，丁 乾，袁安丽，高 月，冯江宁，金 秋

(1. 黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150000；2. 南京市滁河河道管理处，江苏 南京 210048；3. 黑龙江省绥化市发展和改革委员会，黑龙江 绥化 152000；4. 福建农林大学园艺学院，福建 福州 350000；5. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210000)

中国是严重缺水国家，人均水资源处于13个最匮乏国家之一[1]。一直以来，农业用水占全国总用水量的比重超过50%，探索如何节约农业用水是保护水资源、促进现代农业绿色可持续发展亟待解决的关键问题。适宜的灌溉制度或土壤水分控制条件不仅是节约农业用水的重要途径，同时也是影响作物生理生长和产量品质的重要因子[2-3]。本文围绕当前灌溉制度制定和土壤水分调控的主要方法，介绍相关的研究进展，并提出未来前进的主要方向，以期为农业水管理精准化提供科学依据。

1 基于灌溉(水)定额确定灌溉制度

灌水定额是指农田一次灌水水量，灌溉定额指各次灌水量的总和。已有不少研究通过直接制定灌溉(水)定额的方法实现节水灌溉，制定依据主要为当地实际灌溉经验，在经验灌溉(水)定额上下设计不同梯度。忠智博[4]研究了北疆地区棉花的灌溉制度和水肥耦合策略，设计4种灌水量：5250 m3/hm2、4500 m3/hm2、3750 m3/hm2和3000 m3/hm2，并确定施氮量为262.5 kg/hm2、灌水量为3750 m3/hm2是最优水肥制度。黄龙[5]瞄准陕西半干旱地区降雨匮乏、时空分布不均的问题，设计不同灌水定额，研究不同定额下猕猴桃的需水耗水规律、水分利用效率和产量品质的差异。白有帅[6]以60 m3/667 m2灌水定额为对照，设计不同滴灌定额：30 m3/667 m2、35 m3/667 m2、40 m3/667 m2和45 m3/667 m2，研究不同灌溉制度对玉米生长发育和产量品质的影响及机理，明确40～45 m3/667 m2为民勤干旱绿洲区膜下滴灌下玉米最适宜的灌水定额范围。侯毛毛[7]等通过直接确定灌水定额的方法，研究了不同水分条件(灌水定额15 mm、18 mm、21 mm)和不同生物有机肥施用量下的水肥耦合效应；在烟草灌溉制度和水肥协同方面的研究也采用了直接确定灌水定额的方法，总灌溉量梯度的制定依据的是当地实际降雨量[8-9]。

直接确定灌溉(水)定额的方法较为简单，但其缺点是需要进行一定的前期试验。通过ET、田间持水量、土壤水基质势、叶水势等方法制定灌溉制度虽然在前期计算上略为复杂，但计算或测定结果可以直接投入应用。

2 基于作物需水量确定灌溉制度

作物蒸腾量和棵间蒸发量的总和为腾发量，也称为作物需水量(ET)。ET计算目前常用彭曼法，气象数据充足时先用彭曼公式计算得出参考作物腾发量，再与各生育阶段作物系数相乘求得ET。根据ET制定灌溉方案已不乏报道。乔鹏[10]以区域目标ET和耕地保护为目标，采用ET法，计算得出吐鲁番农业耗水应当控制在4.97亿m3，农业取水量应控制在7.69亿m3内。李超[11]针对北京设施辣椒栽培水肥管理不科学的现状，设计70%ET和90%ET两种灌溉水平，配合两种施氮水平，探索水肥耦合制度，结果表明70%ET结合120 kg/hm2施氮量可作为节水、提质和保产的水肥方案。顾哲[12]在句容开展试验，以圣女果为对象，构建了基于ET和水量平衡算法的实时精准决策专家系统，预测结果平均误差仅为1.1%，总趋势与实际测定结果一致，可为提高用水效率提供有益参考。田园[13]介绍了农业节水一期项目(世界银行贷款项目)实施ET管理取得的进展，认为ET管理是一种集工程、农业和管理为一体的综合节水措施，有利于达到水资源可持续利用的目标。闫华[14]采用灌溉自动控制技术，使用户通过无线终端可收取到ET值，并根据ET值制定灌溉制度，灌溉过程简单、高效，实践表明葡萄果园节水30%以上，且增产效益显著。总体来看，采用ET制定灌溉制度的方法已日趋成熟，根据实际情况形成的改进彭曼公式也有不少报道，但作物系数的确定仍是其中的研究难点和研究热点。

3 基于土壤水分下限确定灌溉制度

3.1 田间持水量水分控制方法

土壤田间持水量指土壤中去除重力水外的最大悬着水量，反映土壤持水性能。通过将不同田间持水量百分比作为土壤水分控制下限，确定最优下限从而制定灌溉制度，也是当前常见的方法。王文娟[15]在东北节能型日光温室下开展灌溉试验，设计番茄不同灌水控制下限，结果表明苗期土壤水分下限控制在田间持水量的70%～75%对株高、茎粗等农艺指标的提升有正向作用；开花着果期和结果盛果期分别控制60%～65%和80%～85%对番茄生长最有利，同时果实可溶性糖含量、维生素C含量、糖酸比最高；番茄生长后期适当水分亏缺处理有助于提升果实可溶性蛋白。毛海颖[16]以土壤饱和含水率为依托，设置饱和含水率的90%、70%、60%、50%和40%作为不同灌溉梯度，确定60%饱和含水率为最优栓皮栎幼苗灌溉水平，通过研究统计出苗木节水单株年灌溉定额为13.526×103mL/株，为苗木精准培育奠定了理论和实践基础。一般认为，以田间持水量为依据确定的控水下限在实际应用中更具普适性。

3.2 土壤基质势水分控制方法

土壤水基质势是在非饱和条件下，由土壤基质的吸附力和毛管力共同作用产生的势能。作为土壤水势的重要组成部分，基质势对非饱和水分运动和保持有重要影响[17]。现阶段研究结果表明，灌溉指标的选择与压力势无关，含盐量较少的土壤溶质势也可忽略不计，因此适宜灌溉条件与土壤基质势直接相关[17]。目前测定土壤基质势的方法包括电阻法、干湿计法、滤纸法、张力计法和热传导法等。成厚亮[18]探究了生育阶段不同基质势对南疆棉花生长发育的影响，并建议试验区采用适宜的土壤基质势为-30 kPa。万书勤[19]详细介绍了基于剖面20 cm深度土壤基质势的设施土壤水分监测技术，证明滴头下方20 cm深度土壤基质势对于0～100 cm深度土壤水分的剖面分布有重要影响。

4 基于叶水势确定灌溉制度

水分广泛存在于植物体内，是其不可缺少的组成部分，水分直接参与植物体内的生物化学反应。植物体内，水势是能直接反映水分丰缺的指标，植物组织水势越低表明植物吸水能力越强，相反，水势越高，吸水能力越弱[20]。因此，植物水势可以作为合理灌溉的生理指标。徐林娟[21]以水稻为材料，开展了以叶水势为灌溉指标的节水体系研究，结果表明，水稻叶水势和土壤容积含水率的相关性达到显著水平，土壤水分亏缺和湿润状态下水稻叶水势差异显著，这种差异随着水分亏缺的加重有增大趋势。吴立峰[22]提出了基于叶水势的棉花灌溉指标选择方法，通过设置不同灌溉和施肥处理，研究了不同滴灌施肥处理对棉花产量和农艺性状的影响，结果表明，411 mm是适宜的棉花灌溉量。叶水势作为能直接反映植物体内水分亏缺的指标，目前在科研和生产上的使用相比ET法、田间持水量法要少很多，原因可能包含两个方面：(1)定期测定植物叶水势在生产上较为不便，难以推广，自动监测系统又存在价格昂贵的问题；(2)叶水势法存在滞后性，当通过叶水势发现植物体内水分亏缺时，亏缺已经发生，再进行补充灌溉则与植物的实际需求不符。

5 结 语

灌溉定额法、作物需水量(ET)法、田间持水量水分控制法、土壤基质势水分控制法和叶水势法等方法均在科学研究与实际生产中有一定应用。值得注意的是，分不同阶段精准灌溉控制在推广上将存在较大难度，农民更愿意使用简单易上手的方法。因此，灌溉制度、土壤水分调控结合价格相对低廉的自动灌溉装备、自动灌溉决策系统、app智能终端等将是未来的发展大方向。