1 .2 节水农业的技术体系

农业节水是一项系统工程, 包括水资源时空调节、充分利用自然降水、合理利用灌溉水以及提高作物( 植物) 水分利用效率多个方面:

水资源时空调节

通过工程调水实行区域调节

建设调蓄水库进行年季调节

实行渠井联合有效利用地表水和地下水防止水土流失促使降水就地入渗

合理耕作增加覆盖降低土面蒸发

节水农业

充分利用自然降水

扩展根系充分利用土壤贮水 拦蓄非耕地径流用于补充灌溉

合理利用灌溉水

减小输水渗漏损失

改进灌水方法降低灌水定额优化灌溉制度降低灌溉定额调整种植结构

选用高WUE 品种

提高植物水分利用效率

提高光合/ 蒸腾

增强对缺水适应能力

在具体实施中要力求提高下述比率 :土壤储水量/ 降水量( 灌溉量) , 耗水量/ 土壤储水量, 蒸腾量/ 耗水量, 生物量/ 蒸腾量, 经济产量/ 生物量.而要实现提高这五个比率的目的, 必须采取包括工程 、农业、生物等综合节水技术措施.其中, 农业节水技术与农业生产过程紧密联系在一起, 投资少、易于推广, 可以在较大范围内起作用 ;工程节水措施虽然造价高, 但由于技术规范, 作用显著, 不同国家在推行农节水的初期阶段, 工程节水总是处于主导技术地位.生物节水( 作物高效用水) 技术是按照作物需水规律制定的, 它的直接作用是提高蒸腾水的比例及其利用效率, 同时也是采取相应工程和农业节水措施的依据 .特别是当水的流失 、蒸发 、渗漏得到最大限度的控制之后, 作物本身高效用水就显得更为重要, 被视为进一步实现节水增产的潜力所在, 也是节水农业中未知数最多的一个研究领域.

2 作物高效用水原理

水分亏缺在作物生长期间是不可避免的.问题在于, 要获得一定高产, 允许作物水分亏缺到什么程度. 在水分条件与作物产量的关系上, 长期以来存在着两种不同的观点:一些研究者主张, 任何时期、任何程度的水分不足都将造成作物减产, 为了获得高产, 整个生育期都必须保持充足供水, 这就构成了目前仍在起作用的充分灌溉的理论依据;另一种观点则认为, 充足供水与适度控水交替对增产与节水更为有利, 自 1980 年代

以来这一认识已不断为专门研究和生产实践所证实.现就我们的研究结果和有关报导[ 1-13] 作以下归结.

2 .1 水分亏缺对不同生理过程的影响程度

水分亏缺对与产量形成密切有关的各个生理过程的影响程度和顺序不同.其中, 生长对干旱的反应最为敏感, 物质运输最为迟钝, 不很严重的干旱反而对其有促进作用.在轻度干旱条件下, 叶片生长即受抑制, 而光合作用仍可正常进行, 覆水后反而有所升高;适度干旱条件下, 小麦籽粒对花前花后光合产物的利用率均高于正常供水处理 .干旱对禾谷类作物不同生理功能影响的先后顺序为:

细胞扩张

气孔运动 蒸腾作用 光合作用 物质运输 .

( 生长)

( 水分散失) ( CO2 同化累积)

( 产物分配)

可利用上述原理在节水农业中采取诸如避免生长盛期和幼穗分化期严重干旱, 苗期和灌浆期适度干旱等有利于节水增产的措施.

2 .2 作物不同发育阶段对水分亏缺的敏感性

作物不同发育阶段对水分亏缺的敏感性不同, 存在需水临界期和供水临界期的问题.对于多数禾谷类作物而言, 从花粉母细胞形成到开花授粉期对缺水最为敏感, 其他时期并非都要充分供水 .研究结果表明, 谷类作物从苗期到拔节前, 轻 -中度干旱后复水对于生理、生长和产量可产生良好效果 .谷子的同化能力增

长可超过一直充足供水处理, 同时光合速率的增加显著超过蒸腾速率的增加, 故而显著提高了作物水分利用效率( WUE) ;对于高梁而言, 拔节前处于中等程度水分亏缺, 随后复水的处理与一直处于充足供水的对照相比, 产量提高了 15 .5 , W UE 提高了25 .8 , 且复水后保持了较高的水势和较低渗透势, 其光合速率和气孔导度也超过了对照.玉米等作物的研究也取得了类似效果.上述结果说明, 在作物对水分的非敏感期适当控水可产生有益作用, 但非敏感期形成机制与条件以及需水临界期和供水临界期关系等问题尚需作深入研究.

2 .3 不同作物和品种对水分亏缺的反应

不同作物和品种对水分亏缺的反应存在明显差异, 这集中表现在抗旱性和水分利用效率( W UE) 的差异上.研究证明, 作物种间 WUE 的差异十分显著, 可达 2 ～ 5 倍 ;品种间 WUE 差异较小, 但通常也可达到

50 左右 .我们近年的研究表明, 在小麦由 2 n ※6n 的进化过程中, WUE 有递增趋势, 现代小麦栽培品种最高与最低相差约 1 倍, 表现为水地品种>水旱地品种>旱地小麦.说明培育高 WUE 品种符合进化规律, 是可能实现的.研究还证明, 不同作物对田间变动水环境的适应能力有很大差别, 在灌水量仅为充足供水一半

— —干湿交替条件下, 小麦与马铃薯的产量与充分供水的处理无明显差异, 但玉米减产严重, 仅为充足供水

处理的 1/ 3 .上述研究结果为缺水区作物选择和合理布局提供了依据 . 2 .4 产量 、耗水量( ET) 、水分利用效率( WUE) 之间的关系

作物水分利用效率的高值往往是在中等供水条件下、而不是在充分供水条件下获得的, 这也说明限量供水的必要性 .我们在宁夏南部山区的一项试验表明, 旱地春小麦在补充灌水条件下, 籽粒产量( Y / kg · hm -2) 与耗水量( X / mm) 呈抛物线的相关关系:

Y =-7269 .75 +52 .2X -54 .15 ×10-3 X -2, r =0 .995 .

统计分析结果如下:当 ET 增大至 481 mm 时, 籽粒产量最大值为 5 .3 t/ hm2, 进一步增大 ET, 籽粒产量则呈下降趋势 .春小麦 WUE 与ET 之间的关系显示, 当ET 为 366 mm 时, 产量达到4 .57 t/hm2, WUE 为0 .828 kg/ mm 亩, 达到最大值 ;随着 ET 继续增大, 作物WUE 则呈急剧下降趋势 .分析还表明, 当ET 达到最大产量所需耗水的 76 .2 时, 作物WUE 最高, 而这一ET 条件下的产量为最大产量的 86 .5 , 但比最大产量所需耗水量减少了 115 mm .因此, 旱作条件下补充少量灌溉水同步提高产量和 WUE 是能够实现的, 但最大产量与最大WUE 对ET 反应存在着不吻合现象, 值得进一步深入研究.

综合上述研究结果, 可以看出:干旱缺水并不总是降低作物产量, 一定生育阶段适度水分亏缺可能对增产和节水都有利 .其机理可初步解释为 :干旱缺水对作物的影响有一个从“ 适应”到“ 伤害”的过程, 不超过适应范围的缺水, 往往在复水后可以产生生理、生长和产量形成上的补偿效应( 表 1) , 在节约大量用水的同时, 最终产量不受影响.由此认为, 在高效用水方面作物自身存在很大潜力.

再度受旱时, 膜伤害出现推迟

3 作物高效用水技术

就作物高效用水的若干技术问题作以下介绍与展望.

3 .1 有限灌溉

一方面由于水资源紧张, 另一方面基于作物自身需水规律, 对现行的充分灌溉制度应进行改革, 传统的农业灌溉观念也需要更新 .根据上述适度水分亏缺下可产生补偿效应的原理, 建立有限灌溉( 非充分灌溉) 制度, 将是面向未来的一项必然选择 .在实践中, 已经出现了不少利用少量补充供水取得显著增产的实例,

但是应当指出, 推行有限灌溉不是没有风险, 而且需要具备一定的条件.因为, 在复杂的田间条件下, 某种水分条件对作物“ 有益”还是“ 有害”是处在迅速变动之中的, 如掌握不好 、不及时, “ 有益”将转变为“ 有害” .前苏联历史上就曾发生过按小区实验结果减少对春小麦灌溉次数而遭受大面积减产的例子 .因此, 为实施有限灌溉, 一方面可根据已有知识和经验应用常规灌技术和方法去实现;另一方面要采用新技术, 逐步向精确灌溉的方向发展 .可将精确灌溉视为精确农业的一部分, 它是以作物实际需水为依据, 以信息技术为手段对农田进行“ 有限”供水的.当前, 实施精确灌溉必须具备以下几个条件:

( 1) 掌握可靠详细的作物需水规律资料;

( 2) 运用先进的信息技术, 主要是遥感技术和计算机自动监控技术;

( 3) 提供使两者相衔接的大量技术参数, 特别是作物水分亏缺程度指标, 并将这些指标转化为遥感标识和模型;

( 4) 应用先进的适宜灌水方法.

以上条件必须通过多学科协作才能得以实现, 这是为推行更高层次上的科学用水与合理灌溉所必需的.

3 .2 增施肥料

合理施用化肥是提高缺水地区作物水分利用率和利用效率的有效途径之一.1980 年代～ 1990 年代 10

年期间, 我国北方旱区粮食产量提高了约一倍, 其中化肥的作用占到了 50 .其具体作用可归结为 :

( 1) 低产条件下普遍缺乏水肥营养, 生长受到限制, 增施肥料后解除了生长受到的抑制, 使群体郁闭变增大, 因而增加了蒸腾/ 蒸发.我们在宁夏固原的一项试验表明:在亩产 l00 kg 以下的低产田, 亩增施化肥 4 ～ 9 kg( 纯养分) , 平均产量提高了 57 , WUE 提高了 49 , 而ET 仅增加了 8 .

( 2) 无机营养对植株光合作用的促进作用大于对蒸腾耗水的促进作用, 故明显提高了单叶 、个体和群体的WUE .

( 3) 施肥促进了根系扩展, 一定条件下, 可增加对土壤深层储水的利用, 起到“ 以肥调水”作用.

( 4) 合理增施N, P, K 还可以增加植株的生理抗旱性, 特别是P 素营养具有提高御旱和耐旱能力的双重功能, 表现在:提高了根冠比, 增大了气孔导度和根系水导度, 增强了细胞膜的稳定性、保护酶活性及渗透调节能力, 促进了蔗糖从光合器官输出等.

节水灌溉和旱作农业中的水肥关系问题是一个长期研究的主题, 今后拟围绕节水抗旱这个中心, 作进一

步的量化研究.

3 .3 化学调控

据文献记载, 迄今为止已研制出的与抗旱节水有关的化学制剂已不下百余种, 但在大田中得到应用的不多.在我国, 进行过较系统研究并得到一定应用的有黄腐酸等数种.

黄腐酸的作用主要表现在既能在一定程度上关闭气孔降低蒸腾, 又能促进根系发育两个方面, 一定条件下抗旱增产效果明显.

利用CaCl2 浸种以增强作物抗旱性的技术始于 1950 年代, 在我国一些省区曾一度进行过较大面积示

范, 干旱条件下有一定增产效果.由于已经证明 Ca 在保护细胞质膜和叶绿体膜结构完整性以及抗脱水方面具有独特功能, 加之近期Ca2 +作为胞内信使的研究不断深入, 因此钙对提高植物抗逆性的研究一直备受关注.

我们用CaCl2 和GA 混合处理种子, 证明两者在生理代谢上起到互补和叠加效应, 使生理活性和抗旱性

得到结合, 小麦单叶 、植株和群体的 W UE 分别提高了 9 , 11 和 15 , 一般增产 8 ～ 15 .

在抗旱节水化学制剂的选择方面, 过去研究的重点多是抗蒸腾剂类, 建议今后在深入阐明植物抗旱 、节水机理的基础上, 从多个途径选择化学制剂, 包括减少蒸腾 、增强吸收 、提高耐力 、促进诱导等, 以促使这一技术途径的深入发展, 在实际中得到更广泛的应用.

3 .4 培育高水分利用效率品种

水分利用效率( WUE) 是一个可遗传性状, 高WUE 是植物适应干旱环境, 同时利于形成高生产力的重要机制之一.定向培育高 W UE 品种有其遗传基础并符合进化方向, 是可能实现的.但确定控制作物 WUE 的主要形态和生理指标比较困难, 这与WUE 是一个复杂的综合性状有关.

作物的抗旱性同样是一个复杂性状, 而且抗旱性与丰产性之间往往存在矛盾, 但由于抗旱育种工作开展

较早, 尽管进展迟缓, 但目前已克隆出若干与抗旱性有关的基因, 并获得了抗旱转基因植株 .到目前为止, 还未见到直接转WUE 基因的报道, 尽管已有将WUE 基因定位的报道.

在常规育种方面, 严格地讲尚未形成公认可行的选育高W UE 品种的技术路线.如何选育出高产与高W UE 结合紧密的品种是今后遗传改良的一项重要任务.在这方面有两个可供选择的研究方向:一是在不降低产量的情况下大幅度减少蒸腾量, 二是在不增加相应蒸腾量的情况下有效地增加产量 .通过增加蒸腾阻力和减少辐射能的途径来降低蒸腾量的作用有限, 而且不可避免地影响到同化物质的积累, 因而第二个研究方向的可行性较大.

近年来许多研究者都认为, 在干旱条件下通过降低蒸腾量选择高WUE 类型可能仅获得低产有利型, 因而主张要拓宽选育高W UE 品种的技术途径, 在加强通过基因工程途径创造高WUE 类型研究的同时, 近期内应把注意力集中于培育幼苗早发以增大蒸腾/ 蒸发以及生育后期物质运转能力强以增大经济系数的新类型来提高对降水和灌溉水的利用效率.一些研究成果有力地支持了这一论点, 如矮秆品种的培育成功, 不仅获得了高产, 而且在蒸腾量无明显变化的情况下显著提高了收获物的W UE .

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