农业水土工程学科的任务及发展趋势

农业水土工程学科的任务及发展趋势 摘要：从农业水土工程学科的内涵出发，认真讨论了学科的研究领域范畴，并且回顾了农业水土工程学科的发 展过程，就该学科的主要研究任务发展趋势进行了讨论，提出了几点关于促进农业水土工程学科发展的建议。 关键字：农业水土工程 任务 发展趋势 Abstract: From the connotation of agricultural soil engineering disciplines, carefully discusses subject research field in agricultural projects, the development stage (or agricultural science and technology application in engineering of deep level) is analyzed and the trend of agricultural soil engineering disciplines were appraised. Key word: the subject of agriculturalwater-soil engineering;Mission;Development trend 1 .农业水土工程学科的内涵及其研究内容 1.1 农业水土工程学科内容 农业水土工程学科是介于工程、农业生物和资源与环境学科之间的边缘学科 3。它既不是农 田水利工程的代名词，也不是农田水利工程、水资源规划利用、土地规划利用和水土保持几个 专业的简单组装。农业水土工程学科强调水一土一作物之关系，并把与农业生产密切相关的水 与土壤作为主要研究对象，把地表物质(水、盐、泥沙)迁移与能量转化规律的研究作为学科的 基础和主线。作为一种工程，还必须把研究成果应用于改造世界，按照农业发展的需求，通过 必要的规划、设计和资源投入，来控制地表物质迁移、获得效益，并为持续性农业发展创造良 好的农田生态环境 1。 可以说，农业水土工程学科是把土壤、植物、大气作为一个整体，用连续的、系统的、动 态的观点和定量的方法，研究地表物质(主要是水、盐、泥沙、污染物与养分)迁移与能量转化 规律及其工程调控措施与技术装备，最有效地利用水土资源，为发展农业生产服务，并为农业 的持续性发展创造良好的水土资源环境的科学4。它的主要领域是研究以土壤一作物一水关系 为中心的农田水分循环规律与有效的调控措施，达到持续性土地利用的目的2。 1.2 农业水土工程学科研究内容 在农业节水与水资源可持续利用领域的某些方面已达到或接近国际先进水平与国际领先水 平。重点研究内容是农业节水理论、田间节水灌溉新技术与节水灌溉设备、中低产田改良的排 水技术、水资源持续利用理论与工程技术、灌区用水管理、农业水土环境监测、修复与保育、 农业高效用水的工程技术等方面的应用基础理论和新技术。 1.2.1 农田物质迁移规律及其调控机理 5 该领域主要研究农田水肥的运移规律及最优调控机理。包括农田“五水”(大气水、地面水、 地下水、土壤水、植物水)转化的机制及其数值模拟;农田水盐运移规律与溶质传输模型;农田水 热耦合运移及水热转换关系;土壤植物大气连续体(简称 SPAC)中的水分传输机理、水分传输 的动力学模式及其计算机仿真方法;作物水分散失与光合作用的耦合模式;农田作物蒸发蒸腾量 与流域蒸散发量的计算方法;作物对地下水利用量的计算方法、不同地下水埋深的潜水蒸发规律 及其对作物产量和农田水分循环与水平衡的影响,农田地面水地下水土壤水联合最优调配的 理论与方法;以节水高产为目标的土壤水调节模型;灌溉水(降水)土壤水作物水CO2 同化 干物质积累经济产量间转化效率的计算理论与方法以及提高各环节水量转化效率的农田节水 调控原理与方法;农田盐分平衡的计算及其调控;溶质(主要的化肥农药)和污染物等在土壤水 地下水系统中的迁移规律;土壤侵蚀量的计算及泥沙随水流在地表的运移规律,需从土壤水动力 学与土壤物理学理论出发,对降雨后水分与溶质沿坡面流动过程、雨滴击溅与径流侵蚀过程以及 黄土坡面降雨漫流的数学模拟等进行研究。 1.2.2 逆境对作物的影响机制及其持续农业中的水分调控 包括水分亏缺(或水分胁迫与干旱)对作物光合作用、生长和产量构成等因素的影响关系;土 壤水与含盐量水平对植物根系吸水、水分散失和生长发育及产量的影响;水分过多(渍或涝)对作 物的影响;作物耐旱、耐盐、耐渍涝的定量标准;作物水分状况的定量诊断方法,特别是用红外测 温或遥感信息诊断作物水分状况的问题;土壤水分对作物有效性动态评价理论;探讨作物缺水受 旱状况发展进程的模式,确定各种作物不同产量水平时所允许的土壤水分亏缺,建立各种供水条 件下作物节水灌溉预报经济指标体系;研究灌溉水量有限条件下作物群体光合产物的最优分配策 略,以提高光合效率和经济产量及水分利用效率;研究作物生理节水的潜力,把作物生长发育和达 到某一产量水平必须消耗的水量,控制在最低的限度。 为了适应农业节水的要求,需要研究作物水分生产函数,应在单阶段受旱的基础上研究多阶 段受旱或连续受旱对作物的影响,探讨作物缺水敏感指数(或减产系数)的变化规律;为了发挥综 合节水措施的作用,还需要研究作物水肥生产函数问题,确定有限灌溉水量条件下非充分灌溉模 式的理论和方法。 1.2.3 农业高效节水关键技术 农业高效节水关键技术是指近期内能对农业高效节水有重要作用,同时具有一定科学水平的 节水技术措施,根据近阶段的投入条件和重要性以及我国国民经济发展状况,未来十几年需要解 决的关键技术问题有:节水灌溉新技术、渠道防渗与管道输水技术、主要作物节水、增产、搞笑 灌溉制度、灌区水管理技术。 1.2.4 农业综合水肥高效利用技术 具体包括不同节水技术条件所适宜的水肥耦合技术,包括节水地面灌溉条件下水肥耦合技术,喷 灌条件下水肥管理技术,滴灌条件下适宜的施肥灌溉模式;提高农田水分利用效率的耕作栽培技 3 术,包括耕作措施对水分利用效率的影响及与各种耕作措施相适应的农田用水技术,带状种植的 高效用水技术;覆盖保墒及节水灌溉配套技术,包括秸秆覆盖的最佳实施方案及配套的节水灌溉 技术,地膜覆盖技术与相应的农机具配套改进,覆盖保墒新材料的选用及其配套的节水灌溉技术; 节水、高产、高效的综合农业配套技术;化控节水技术的应用;干旱丘陵地区抗旱保苗的移动式 简易节水农机具研制及节水配套技术。 1.2.5 与持续农业发展有关的灌溉土地评价及其土壤改良技术 许多灌溉农业区域由于对自然资源的消耗和引起环境的恶化而存在着严重的危险。为了避 免负效应,发展持续性的灌溉农业,必须对灌溉土地进行评价,建立灌溉土地利用合理性评价的原 则指标体系及方法,在灌溉土地适宜性评价基础上进行合理的灌溉区划,对不适宜于持续性灌溉 农业发展的土地要进行改良,包括采用以农田排水技术为主,并与其它农业技术措施密切结合对 盐碱地、沼泽地、渍害等中低产田进行综合改良。要研究考虑水土作物关系的农田排水机 理及其标准(排涝与排渍),改良中低产田的综合技术的最优组合,盐碱化地区排水方式的优化选 择与优化管理,排水沟布局和规格标准等。 1.2.6 农业水土资源环境问题 要研究农村水源环境保护,水土工程的环境影响评价,水环境变化对局部地区气候及土壤的 影响;研究灌溉对农田土壤水盐运动的影响,土壤次生盐碱化的预测,农业化学物在土壤中的输运 及聚集,地下水中农药及污染物的吸附、解吸和传输,稻田渗漏引起的氮素或其它养分的淋失规 律与数学模拟;研究树冠和林草以及水保工程措施对降雨截留、调节地表径流,促进“五水”转 化的作用;研究湖、库、塘、窖、坝、池泥沙沉积量的测算方法;加强水土保持基本理论的研究 和水保新技术的应用;研究不同地区“生态防护区”问题和农、林、牧综合发展的最优生产结构 模式,减少水土流失、保护水源,从根本上改善农业水土资源的利用条件;为防治水土资源污染, 要研究适合中国国情的农业水土环境整治措施6。 1.3 学科体系 农业水土工程作为一个学科领域，有其自身的体系和范畴。它主要有三个方面的问题:其一 是农业水土工程学科本身的基本理论，包括农业水文学理论、流体力学与水力学理论、土壤物 理学与土壤水动力学理论、地表物质(水分、溶质、泥沙)迁移与能量转化理论、植物水分生理 与抗逆性生理理论、农业气象学理论、农田生态学理论等，当然，它并不是深入到这些边缘学 科领域中解决问题，而是要加强它与其边缘学科的交叉渗透，从中吸取营养、加以同化，合纵 连横，形成具有综合性和学科交叉性新领域及自身的理论体系;其二是它所采用的方法学，包括 数值计算方法、系统工程学、模糊数学、应用随机过程、系统动力学、信息论、控制论、预测 学与技术经济学等，借助这些方法，才能从整体上和相互作用上考虑水一土一作物一大气之关 系，使地表物质迁移与能量转化的定量描述能够实现，同时才能科学地确定其调控方案，使该 领域由单纯的实验性质变为一门有较严格的理论基础和定量方法的科学;其带三是农业水土工程 学科中研究手段的更新和新技术的应用，包括计算机技术、核技术、信息技术、红外技术、遥 感技术、电测技术、现代工程技术以及先进的灌排扰术与设备的应用，这将会使土壤水分动态、 水盐动态、水沙动态、水污染状态、作物水分状况、农田微气象数据等方面的监测、采集、处 理技术得到发展，促进水一土一作物一大气关系的研究，进行科学的水土管理，最大发挥水土 资源的效益。至于农业水土工程建筑技术则是另一个专业范畴的问题7。 2.农业水土工程学科任务 2.1 地表物质迁移与能量转化理论及其调控原理 该领域的研究包括农田“五水”(大气水、地面水、地下水、土壤水、植物水)转化的机制 及其数值模拟;农田水盐运移规律与溶质传输模型;农田能量转化规律与农田能量平衡;农由水热 藕合运移及水热转换关系的研究;土壤一植物一大气连续体(简称 SPAC)中的水分传输机理、水分 传输的动力学模式及其计算机仿真方法;作物水分散失与光合作用的藕合模式;农田作物蒸发蒸 腾量与流域蒸散发量的计算方法、红外测温与遥感技术估算大区域作物蒸发蒸腾量的问题;棵间 蒸发与叶面蒸腾的比例关系。分析农田节水的潜力，为耕作保墒和灌溉排水等土壤水管理措施 提供科学依据;进行区域节水潜力分析与发展预测，为做到区域性水土资源平衡创造条件。研究 作物对地下水利用量的计算方法、不同地下水埋深的潜水蒸发规律及其对作物产量和农田水分 循环与水平衡的影响，农田地面水一地下水一土壤水联合最优调配的理论与方法;以节水高产为 目标的土壤水调节模型;灌溉水(降水)一土壤水一作物水一 coZ 同化一干物质积累一经济产量间 转化效率的计算理论与方法以及提高各环节水量转化效率的农田节水调控原理与方法;农田盐分 平衡的计算及其盐碱地冲洗定额。研究土壤侵蚀量的计算及泥沙随水流在地表的运移规律，需 从土壤水动力学与土壤物理学理论出发，对降雨后水分与溶质沿坡面流动过程、雨滴击溅与径 流侵蚀过程进行研究;黄土坡面降雨漫流的数学模拟等。 2.2 逆境对作物的影响机制及其节水型农业中的水分管理问题 包括水分亏缺(或水分胁迫与干旱)对作物光合作用、生长和产量构成等因素的影响关系;土 壤水同含盐量水平对植物根系吸水、水分散失和生长发育及产量的影响;水分过多(渍或涝)对作 物的影响;作物耐旱、耐盐、耐渍或涝对作物的定量标准;作物水分状况的定量诊断方法，特别 是用红外测温或遥感信息诊断作物水分状况的问题;土壤水分对作物有效性动态评价理论、探讨 作物缺水受旱状况发展进程的模式，确定各种作物不同产量水平时所允许的土壤水分亏缺，建 立各种供水条件下作物节水灌溉预报经济指标体系。研究灌溉水量有限条件下作物群体光合产 5 物的最优分配策略，以提高光合效率和经济产量及水分利用效率。研究作物生理节水的潜力， 把作物生长发育和达到某一产量水平必须消耗的水量，控制在最低的限度。为了适应节水型农 业水管理的要求，需要研究作物水分生产函数，应在单阶段受旱的基础上研究多阶段受旱或连 续受旱对作物的影响，探讨作物缺水敏感指数(或减产系数)的变化规律;为了发挥综合节水措施 的作用，还需要研究作物水肥生产函数问题。需要研究确定有限灌溉水量条件下非充分灌溉模 式的理论和方法，如用线性规划方法确定作物最优种植模式和灌溉水量在灌区多种作物间的最 优分配，缺水条件下利用灌溉存贮模型确定最优灌溉策略，用动态规划法确定有限灌溉水量在 作物全生育期内的最优分配，以及采用数量经济学方法分析最优灌溉水量的投入条件等。 2.3 以土壤一作物一大气系统水关系为基础的现代灌溉管理理论与技术 现代灌溉用水管理的一个特点是由静态用水计划变为动态用水计划。动态用水计划建立在 气象预报、作物需水量和土壤墒情预报、灌溉水源预报的基础上，严格考虑水一土一植一气的 关系预报灌水时间、灌水量，确定渠系的水量分配计划及其渠系水量流量实时调控方案。在水 源充足条件下，应研究用田间水量平衡方程或 sPAc 中水分传输动力学模式预报土壤墒情和灌水 的间题;在水量不足时，应研究用动态规划法或其它优化方法确定灌溉水量最优分配的问题;应 研究把过去的按月或季节编制的用水计划改为按旬、5 日或日调整的计划、对灌溉用水进行计算 机管理、建立灌溉用水管理数据库及决策支持系统。为了保证预报和用水计划编制的准确性， 还需要研究土壤墒性、作物需水量及灌溉水源预报问题，研究土壤墒情和灌溉水源的监测技术。 为了满足渠系优化配水的要求，必须对渠系水量流量进行实时调控。目前研究的重点应放在完 善调控模型、非稳定流方程的解算方法以及调控软件的用户界面上。为了真正做到按量计费、 节约用水，还需要研究不同类型灌区适用的价廉实用、易于推广的量水设备。需要加强对灌区 输配水系统和田间用水状况的监测与评估的研究，评价灌区用水状况，需要研究灌区水管理评 估指标体系，包括灌水适时、适量、可靠、有效和均匀性等。 2.4 田间灌水技术的改进与节水型农业综合技术体系 地面灌溉技术仍然是灌溉方法研究的重要课题。需要深入研究畦沟规格、流量、放水时间 等与田间坡度、糙率、土壤入渗性等因素的最优组合，模拟沟畦灌水流推进过程和灌水入渗过 程，寻求最佳灌水技术方案。同时还需要研究波涌灌、长畦分段灌、水平畦灌、膜上灌等。灌 水方法的最优灌水技术方案。研究经济可行的管材，提高管灌施工的机械化程度，并配套研究 田间节水灌溉设备，如出水栓和配套管件等，改进低压管道输水灌溉技术。需要继续研究微灌 设备及其管理措施;微灌水流渗入土壤的过程，为改进微灌系统的设计方法提供依据。微灌的灌 溉制度应与控制及减轻作物短期水分胁迫联系起来，以缓和茶叶、柑桔等经济作物即使在土壤 供水充足时，仍在炎热中午遭受大气干旱而造成的短期水分胁迫问题，可大大提高光合速率和 产量。田间灌水技术的研究还应改正以往单项节水工程技术发展节水灌溉的作法，将节水的农 业技术、水利技术、管理技术有机地结合起来进行研究，发挥综合技术的作用。田间灌水技术 的改善要与方田建设、立体农业及耕作保墒技术结合起来，研究耕作保墒、农田覆盖和抑蒸保 墒化学药剂对作物水分利用效率的影响，以及培肥土壤、发挥水肥联合增产的效应，以提高有 限水资源的整体利用率和作物产量10。 2.5 与持续性农业发展有关的灌溉土地评价及其土壤改良技术 许多的灌溉农业区域由于对自然资源的消耗和引起环境的恶化而存在着严重的危险。为了 避免灌溉负效应，发展持续性的灌溉农业，必须对灌溉土地进行评价，建立灌溉土地利用合理 性评价的原则指标体系及方法，在灌溉土地适宜性评价基础上进行合理的灌溉区划，对不适宜 于持续性灌溉农业发展的土地要进行改良，包括采用以农田排水技术为主，并与其它农业技术 措施密切结合的综合技术对盐碱地、沼泽地、冷浸田等中低产田进行综合改良。需要研究灌溉 发展所产生的地一气系统相互作用关系的改变以及使农田物质能量的平衡与循环的改变，灌溉 引起的农田水气候变化，灌溉对农田土壤水盐运动的影响，土壤次生盐碱化的预测，农业化学 物在土壤中的输运及聚集，地下水中农药及污染物的吸附、解吸和传输，稻田渗漏引起的氮素 或其它养分的淋失规律与数学模拟，高含沙浑水灌溉对土壤细微结构的影响机理。考虑水一土 一作物关系的农田排水机理及其标准(排涝与排渍)的研究，改良中低产田的综合技术的最优组 合，盐碱化地区排水方式的优化选择与优化管理，排水沟布局和规格标准等。研究减少与控制 灌溉负效应的方略。 2.6 农业水资源的有效利用与优化管理 要重视水文循环的生物圈方面问题的研究，通过水资源的有效利用和科学管理，理顺以水 为中心的水一土一作物一大气系统关系，完善自然水资源系统，保持降水、地表水、地下水、 土壤水和作物水之间适应于农业生产用水要求的相互转化平衡，调节地表水分循环与水平衡状 况及相应的水盐、水沙状况。开展灌溉水一降水联合调度的研究，同时大力发展集蓄雨水的新 技术和土壤保水的新方法;加强水沙综合利用和优化管理调度技术的研究，同时要研究泥沙综合 利用和清淤机械;研究水资源综合开发利用和优化调度问题;劣质水的净化和利用以及农村人畜 饮水和水质改良问题，回归水的再利用问题;研究地下水利用技术及农用提水设备的改进、配套、 机井成型工艺及机井节能问题;研究水资源农业利用可能发展的潜力与规模，预测农业水量供需 状况。加强农业水资源管理与农村水源保护工作，作好水质监测及水质变化的预测，搞好水源 保护规划。要建立不同地区的农业水资源情报信息系统及农业水管理的决策支持系统，在水源 7 不足地区，以供定需、以水定地，做到区域性的水土资源平衡。 3.农业水土工程学科发展趋势 3.1 基础理论方面 在水土作物环境关系的最优调控理论与方法研究方面,将建立水、肥、环境综合生产 函数和通用作物水土管理模式,建立降水(灌溉水)作物水光合作用经济产量转化效率的计 算模型以及水土植物环境关系最优协调的理论和方法。农田物质(水、沙、盐、农业化学 物)的迁移规律及其数值模拟与预测将有一定突破,为节水农业、盐碱地改良、水土保持和农业 水土环境保护等工作提供新的理论依据8。在逆境对作物生长和产量影响的定量评价方法和农 业水旱灾害及防治对策方面,将会建立逆境(旱、渍涝、盐碱化)对作物影响的定量评价指标体系,农 业水旱灾害的预测精度可能提高 10%左右,对农业抗旱防洪决策将提供新的依据。 随着农业水土工程学科领域研究的进一步深入,有关土壤、植被和大气界面过程问题,研究 的尺度问题,土壤、植被条件的非均匀性问题,农田水分、盐分迁移中各部分介质的非线性相互 作用问题,农业污染物在地下水和土壤水中的迁移等,将是未来农业水土工程学科研究中的难点 和前沿问题。 3.2 应用技术方面 灌溉方式将从传统的丰水高产型灌溉转向限水灌溉(Limit Irrigation)、非充分灌溉(Non- full Irrigation),以提高水的利用率。各种利用适度亏水来调控刺激作物生理机能,以提高作 物水的利用效率、生产率,改善农产品品质的调亏灌溉、分根交替灌溉也将得到深入研究和推广。 喷、滴灌等先进的灌水技术将得到广泛使用,设备运行的可靠性、使用寿命和自动化程度很 大提高。各种先进的地面灌水技术如间歇灌、膜上灌、激光平地和水平畦灌、果树渗(地下滴) 灌等将得到大面积推广。各种灌溉技术与农业措施将有机融合在一起,形成综合水土资源高效利 用技术。如各种水肥耦合、带状种植、覆膜保墒等适合国情的水土高效利用技术将广泛使用,以 提高水肥利用率、农作物产量,改善农产品的品质。灌区将广泛采用先进的大区域土壤墒情、作 物旱情和水源水情实时监测与预报技术、渠系水量流量调控技术及灌区动态配水技术,实现灌区 水量最优调度。雨水集蓄与高效利用的技术将得到深入研究,形成具有中国特色的雨水利用技术 体系,将会在西北半干旱地区和南方丘陵坡地广泛推广,以提高降雨的生产率。根据不同地区的 特点,将广泛采用各种先进水土保持、高含沙浑水、部分苦咸水、污水灌溉及地下水持续利用等