交替隔沟灌溉提高农田水分利用效率的节水机理

交替隔沟灌溉提高农田水分利用效率的节水机理

沟灌是一种古老的地面灌溉技术，可以改变传统的咸丰灌溉的习惯。根据作物生长发育的特点，采用限水灌溉或平衡灌溉等非充分灌溉技术，以最佳方式将有限的水量分配给作物的生长。这是提高有限灌溉利用率和使用效率的重要举措。在此基础上，我们根据植物空气最优调节理论，改变了土壤湿度的湿润方式，交替插入了沟渠，并在空间上充分考虑了植物根系的调节功能。这不仅有利于现在的传统沟灌技术的改进和改进，而且具有明显减少树木间土壤蒸发、减少收获蒸发、充分利用天然降雨的优点。然而，作物的产量和质量通常不会受到影响，甚至会有所变化。结合固定的沟渠灌溉技术和间歇式灌溉技术，可以显著降低田间控制装置的生产效率，显著降低成本，促进灌溉自动化。因此，研究和改进地沟灌技术不仅是节水农业发展的需要，也是中国经济形势的需要。美国等一些发达国家的干旱半干旱地区,早在20世纪60年代中期即已开始从事跳行灌溉和隔沟灌溉技术的研究,至今已有30多年的研究历史,总结得出了许多可供我国借鉴参考的资料,但他们研究的重点多是集中在跳行灌溉和隔沟灌溉的节水效应及对产量的影响方面,研究内容并不全面,而且没有把它们上升到理论高度从机理上加以很好的阐述.我国一些学者,从1997年开始,在大田玉米的灌溉中开展了部分试验研究,取得了一些效果比较明显的实用结果,并从理论高度对这种灌溉方法的节水机理进行了探讨与分析.本文试图结合国内外相关学科的研究成果,从提高农田水分利用效率的角度,对交替隔沟灌溉技术的节水机理进行剖析,旨在使这项新的节水技术在我国的干旱半干旱地区能早日得以大面积的推广应用.1交替隔沟灌溉的特点田间土壤储水效率是指田间土壤剖面根系层中所储存的水量与由水源供到田间或到达田间的天然降水量之间的比值.减少田间径流和深层渗漏是提高田间土壤储水效率的关键所在.采用交替隔沟灌溉技术,当土壤水分达到下限需要灌溉时,灌溉的是上一次未浇灌的土垄沟,与土壤水分控制下限相同的常规沟灌和固定隔沟灌相比,交替隔沟灌要浇灌的土垄沟相对较为干燥,水分入渗率较大,水流向前推进的速度相对较慢,因此,在入沟流量相同的条件下,交替隔沟灌溉偏向拥有一般细流沟灌的特点,便于改口控制,减少田间径流发生.从每次灌水的灌水定额来看,交替隔沟灌的灌溉水量仅为常规沟灌的1/2~2/3,灌水定额较小,并且渗入沟中的水分在土壤中还有着比较明显的侧向入渗,因而减少甚至杜绝了深层渗漏的发生.从土壤接纳天然降水的角度来看,由于隔沟灌溉的地块有一半左右的地表面积处于相对较为干燥的状态,土壤的入渗性能较高,因此,在降水强度相同的情况下,实施隔沟灌溉的地块将有更多的雨水渗入到土壤中,从而减少了田间径流量与降水量的比例;此外,隔沟灌溉每次的灌水定额较小,土壤剖面根系层中为容纳天然降水备有较大的库容,所以确保了渗入土壤中的雨水可被较多地储存在土壤剖面的根系层中,进而减少了雨水的深层渗漏.特别是在灌后不久遇有降水时,其效果将会更加突出.2减少基础水分蒸发农田土壤水分消耗包括土壤蒸发和作物蒸腾两部分.前者纯属物理学过程,与作物产量的形成没有直接关系,对作物生长发育来说是一种无效损耗;作物蒸腾主要受制于生物学因素的影响,直接用于植株型态建立、产量形成或生物学过程,与作物的生物学产量、经济产量形成有着直接关系,尽管并非多多益善,但它却是作物正常生长发育必不可少的一种水分消耗.减少棵间土壤蒸发的物理损耗,将节省下来的水分储留于土壤中供作物根系吸收利用,提高作物生理需水在总蒸发蒸腾中的比例,是提高土壤储水有效利用率的关键.棵间土壤蒸发主要发生在地表面,并与表层土壤含水率的高低密切相关.当表层土壤含水率较高时,棵间土壤蒸发主要受制于气象条件并以潜在的速率失水;当表层土壤含水率相对较低时,蒸发不仅受气象条件影响,而且还将受到土壤水分供应的限制,表层土壤含水率愈低,土壤蒸发阻力也就愈大.因此,改进灌水湿润方式,在不影响作物蒸腾的条件下保持土壤表层干燥是减少棵间土壤蒸发的一种主要措施.与常规沟灌相比,交替隔沟灌溉湿润农田的地表面积仅为整个地表面积的l/2左右,一方面未浇灌垄沟的表层土壤较为干燥,棵间蒸发失水相对少得多;另一方面,采用交替隔沟灌溉,湿润沟单位面积的棵间蒸发总量也将较常规沟灌的小,因为交替隔沟灌溉的土壤,由于侧渗的作用不仅在垂向上存在着较大的水势梯度,而且在水平方向上也存在着较为强大的入渗势,灌后湿润沟表层的土壤水分除一部分被蒸发掉外,还将有一部分在两个方向的水势梯度作用下继续下渗和侧渗,所以湿润沟表层的土壤变干的也比较快.与固定隔沟灌溉相比,尽管灌水时二者湿润地表的面积相同,但固定隔沟灌溉由于不灌沟的土壤长期处于干燥状态,在一定程度上影响了根系(特别是上层根系)在土壤中的均匀分布,不仅不利于不灌沟侧土壤剖面中养分的吸收,而且一旦遇有降雨,雨后不灌沟上层土壤因根少吸水少而将导致棵间蒸发所占比例相对增大.3交替隔沟灌溉能够促进小水分小利用,提高水分平衡的作用,可以提高作物光合水分利用效率,提高作物水分利用效率,从而提高了作物水分利用效率.早在1982年,Cowan通过对植物体内的水分吸收散失系统进行系统的观察和研究,提出了植物体水分利用的气孔最优调节理论.这一理论认为植物在漫长的进化过程中演化出各种适应水分亏缺的结构和机制,在吸收空气中CO2的同时,可防止严重失水干燥,尽可能地实现对水分利用的最优化.这种最佳状态的达到,需要某种快速的感知和信号传递系统,以便利用其既能快速地估计出根系分布层的土壤体积,获取土壤剖面中剩留的有效水量的“知识”,同时又能把这一信息快速地传递到保卫细胞的作用位点.因此,只要能找到这种快速的感知和信号传递系统并认识其作用机理,人们即可采取一定的措施,如改进灌水技术等,使水分在土壤中的分布趋于合理化,从而达到提高有限灌溉水资源利用效率的目的.许多实验证明,植物根系具有这种对地下逆境因子感应的能力,当土壤中可利用的水分缺乏时,植物根系自身的生理生化过程就会发生某些变化,产生一些可通过某种渠道传递的信号(水信号、化学信号、电信号)而使地上部分感知,继而地上部分采取各种手段应付这种环境的恶变,以保持植物体内的水分平衡.愈来愈多的实验结果显示,ABA在植物体内的这种信息传递中起着主要的作用,当土壤变干时,根尖部位会对土壤水分的变化迅速做出反映合成ABA(其数量随土壤逐渐变干而相应地增加),并随蒸腾流通过木质部输送到叶片,直接到达保卫细胞的质膜外侧作用位点,促使开放的气孔部分关闭和抑制关闭的气孔开放,从而控制植物与外界进行的水分和气体交换.有关这方面最有说服力的例证是植物生理学家们所进行的分根控水实验结果,如由Blackman和Davies(1985)所做的玉米分根试验.他们让一株玉米的根分别生长在两个盆内,让半边根系所在的土壤变干而另外一半根系所在的土壤充分灌水.与两边都充分灌水的处理相比,分根处理对于地上部分叶片的水分状况没有明显影响,但其气孔开度却明显下降.当干的一半土壤恢复供水后气孔导度又明显增大,并且恢复至对照水平.更为有趣的是,若用刀片切除干旱土壤中的一半根,也可恢复叶片的气孔导度和叶片的伸长速率,这样做的结果虽然并没有增加地上部分的水分供应,但却使植物受抑的气孔导性得到了恢复.后来进行的一些室内分根交替供水的实验结果进一步显示,让作物的一半根系处于适宜的水分状态,而让另一半根系处于缺水状态,虽然气孔阻力明显增大,蒸腾速率明显降低,但作物叶片的水分状况和光合速率却没有发生明显的变化,叶片光合水分利用效率明显提高.通过上述分析,反观交替隔沟灌溉,由于每次灌水仅湿润一半的土壤表面,侧向入渗又使表层以下干燥区所占比例减少,故根系吸水所受影响比室内分根交替供水实验的结果还会小些,地上部植株体内的水分状况和光合作用更不会受到影响.而少部分未被浸润土体内的根系,感知干旱产生的根源信号,随蒸腾流到达叶片后,又在一定程度上减小了气孔的开度,使蒸腾速率降低,虽然效果没有室内控制实验那么显著,但与常规沟灌相比,差异还是比较明显的.从这个意义上来说,交替隔沟灌溉优化了作物的气孔行为,提高了作物的水分利用效率.4压浆速度并改善了产品的品质水分亏缺对与产量构成密切关联的几个生理过程都有影响,其中尤以细胞的延伸生长对水分的亏缺最为敏感,如Hsiao等人(1987)进行的研究指出,轻微的水分胁迫就会使叶的扩张生长受到明显的影响.一般认为,这种影响的最终结果将会使植株变得矮小,叶片小而少,总的同化面积减少,且这种变化是不可逆的,因此是影响产量的一个主要原因.基于此,传统的丰水灌溉理论认为,为了不影响作物的正常生长发育并使其最终产量达到最高,作物在各个生育阶段所需的水分都必需得到满足,并自始至终使作物保持一种最佳的水分环境.然而,近20年来的非充分灌溉研究结果表明,水分亏缺并不总是降低产量,有限的适度水分亏缺反而有利于某些作物经济产量的增加,如半干旱条件下,轻度水分亏缺处理的向日葵产量比频灌提高了50%,花生开花期中等水分亏缺较充分灌溉处理提高了荚果产量9.2%~18.0%;某些作物在灌浆阶段的适度水分亏缺,有利于光合同化产物向穗部或果实转移,增加了灌浆速度并改善了产品的品质;适度水分亏缺在不减产或略有增产的前提下,耗水量大大减少,水分利用效率明显提高.这些结果的发现,利用生长冗余和超补偿理论可以得到明确的阐述.作物在其生长发育方面存在着大量的冗余,包括株高、叶面积、分蘖或分枝、繁殖器官、甚至细胞组分和基因结构等,作为其固有的特性之一,它们是作物在长期的适应环境的变化过程中逐渐形成的,而且这种冗余随着辅助能量(如水、肥)的增加而增大.生长冗余,本是作物适应波动环境的一种生态对策,以便增大稳定性,减少物种灭绝的危险,但这种固有的冗余特性在人类可以对环境施加影响并对物种加以保护的条件下,则变成了高产栽培中的巨大浪费和负担.采取某种手段减少冗余,即可减少作物获取能量的浪费和负担,提高现存有限能量的利用率,从而能提高作物的经济产量和改善产品的品质.有关这方面的例证很多,如一些作物生长前期的蹲苗,去除冗余的分枝和分蘖,疏蕾、花、幼果等.减少适度冗余的另一个优点是:可使作物对获取的有限的物质和能量进行最合理的分配和使用,产生最大超越补偿,这是作物的又一种自然属性.植物体完成超越补偿是通过调节植物体内同化产物的合理运转,即使作物运集中心(生长中心和代谢中心)发生变化的结果.植物体内源激素物质的平衡支持和调节着植物的运集中心.采取某种手段减少植物的生长冗余,改变植物体内源激素的平衡,可调节植物运集中心的位置和强度,从而可导致植物体内同化产物的集中运转.控制水分供应,改变作物的生存环境,是减少作物生长冗余、调节作物运集中心、使之向着最优化方向发展的一种重要的管理手段.实施控制性交替隔沟灌溉,始终控制有一部分根系处于相对较为干燥的区域,感知土壤干旱,产生根源信号并将其传递到地上部,在减小气孔开度,降低蒸腾速率,提高作物水分利用效率的同时,也抑制了地上部叶片的生长,促使更多的同化产物向地下根系运转,从而促进了根系的生长发育,增加了根系的吸收表面积.反过来,作物为了维持自身生存的稳定性,保持一定程度上的功能平衡,缩小理想生态位和现实生态位之间的差距,又会尽量地依靠处于相对较湿润区域的根系和扩展了的根系多吸收水分,去稀释或削弱干燥区根系产生的根源信号,使地上部能保持一定的最优生长潜势.由于实施交替隔沟灌溉,总能保证作物整个根系群体在一段时间内(如灌后的几天内)处于相对较为适宜的土壤环境中,此时运集中心又将由根移向冠,使更多的同化产物分配给茎、叶和穗果,激发冠部生长弹性,从而产生最大的超越补偿.通过这样适度的干湿交替、促控结合,最终结果将使同化产物在作物不同器官间得以最优分配,把生长冗余减至最低限度,从而优化了作物群体结构,提高了光、热资源的利用率.另外,通过不同区域根系的干湿交替锻炼,不仅有利于促进根系的均匀生长发育,增大根—土接触面积,而且由于改善了土壤通透性,根系吸收活力明显提高,增加了根对水的透性和离子向木质部的输送,这样更有利于根系对土壤中矿质营养元素的吸收,从而提高了肥料的利用效率.5交替隔沟灌溉能够实现最优分配,促使作物耗水量变化水分生产效率的含义是作物单位面积产量与作物蒸发蒸腾量的比值.提高水分生产效率的途径:一是用好有限灌溉水资源,设法提高作物单位面积的经济产量;一是尽量控制和减少作物的蒸发蒸腾耗水量.近年来不断发展和完善的非充分灌溉理论与调亏灌溉试验的结果表明:通过对田间土壤水分进行最优调控,可以让作物在不减产或略有增产的情况下实现耗水量大大下降的目标.改进灌水技术并制定合理的灌溉制度,是对田间土壤水分进行最优调控的一种重要的技术手段和管理措施.实施控制性交替隔沟灌溉技术,从产量方面来看,让作物经历干湿交替锻炼,进行促控结合,可使光合同化产物在作物的不同器官之间进行最优分配,减少的仅是生长冗余,而籽粒或果实产量变化不大甚至还略有增加,产品的品质亦有所改善;从作物耗水量方面来看,交替隔沟灌溉可使棵间土壤蒸发和植株蒸腾耗水明显减少,二者累积的效果是作物的蒸发蒸腾量将会有一个较大幅度的下降;最后从作物的灌溉用水总量来看,由于隔沟灌溉确保了土壤主要根系活动层中备有相对较大的库容接纳天然降水,提高了田间土壤储存