農業灌溉現狀及作物對灌溉的響應機制

徐 晨，邊少鋒，張麗華，趙洪祥，譚國波，閆偉平，孫 寧，李 斐，李 前，張治安

（1.吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，長春130033；2.農業部作物高效用水公主嶺科學實驗站，吉林公主嶺136100；3.吉林農業大學農學院，長春130118）

在干旱與半干旱地區，為了農作物的正常生長發育和產量提高，需及時為農作物補充足夠水分，灌溉就是為農作物補充所需水分的一種重要技術措施[1]。在自然條件下，由于各地區氣候環境不同，易造成一個地區降雨量不足和分布不均，難以滿足農作物對水的需求，因此，需要人為地進行灌溉，以補充降雨不足。研究作物對灌溉的響應機制，有利于了解作物是如何在灌溉條件下生長發育，本文對國內外的灌溉現狀進行分析解讀，并對作物應對灌溉的生理響應機制進行分析，旨在為農業灌溉和作物在灌溉條件下的生理響應機制研究提供理論依據。

1 世界與我國農業灌溉現狀

當今世界，水資源是一種不可替代資源，我國因人口增長和社會經濟的發展，對于水的需求在不斷增加。據調查，世界上有80 個國家和地區，占全球40%的人口都面臨水資源短缺的危機。預計10 a 后，世界上會有50%的人口生活在缺水地區。水資源缺乏的國家從20 世紀80年代就開始發展節水產業，以應對水資源缺乏所帶來的經濟、社會效益的下降。節水灌溉是世界灌溉技術發展的趨勢，是緩解水資源危機和實現高效、精準農業的必然選擇。各國因國情、地理條件和氣候條件所造成的差異均不相同。以色列是一個極度缺水的國家，人均水資源占有量僅為365 m3。為了更好地利用稀缺的水資源，以色列全國進行灌溉的農田大部分均采用了噴灌和滴灌等自動化、現代化的灌溉方式，使全國農田的灌溉水平均利用率達90%以上[2]，并在全國灌溉水用量不增加的情況下將農作物的產量提升了12 倍。Ghermandi 和Messalem[3]認為，通過海水淡化的方式替代微咸水灌溉，可減少微咸水灌溉的局限性，對比反滲透海水淡化，納濾膜在農業灌溉中對作物產量有著促進作用，并且減少地下水的抽取。Jueschke 等[4]認為，使用經過處理的廢水，可增加干旱與半干旱地區水分的利用效率。法國的水資源分布極為不均，水資源虧缺現象時有發生，Yoro 等[5]開創了一種定價系統，利用這一系統分析農民收入和灌溉量，減少因水資源分配不均造成的農作物產量下降。美國有很好的農業灌溉技術，他們將傳統的溝灌改變為滴灌或噴灌等灌溉方式，并無害化處理生活污水，讓其二次利用。同時，利用自動控制系統建立灌區配水制度，提高配水效率，使用單位水量的效益全面提高。最后，他們進行農業灌溉的調配，將灌溉農業由水資源緊缺的地區向水資源豐富的地區調配。Noel 和William[6]發現占美國西部地區1/4 的土地面積經過灌溉的農田所獲得經濟效益，占整個地區所獲得經濟效益的3/4，灌溉提高了該地區農作物的生產效率。

我國是世界上13 個最貧水國之一，水資源較為貧乏。我國的人均水資源占有量僅相當于美國的1/5，約為2 100 m3[7]。我國水資源缺乏的地區主要分布于東北、西北和華北地區，這里的耕地面積占全國耕地總面積的38%[8]，如果缺乏必要的灌溉措施，西北地區大部分土地的農作物無法正常生長，華北和東北地區的糧食產量會受到很大影響，難以高產穩產。發達國家農田灌溉水的有效利用系數可達0.80，我國這項系數僅為0.53，遠低于發達國家的平均水平[9]。近年來，我國農田有效灌溉面積在穩步增長，由2010年的5 965 萬hm2增加到2014年的6 454 萬hm2；耕地面積中農田有效灌溉面積的比重也在增加，由2010年的44.10%增加到2014年的47.80%。我國的節水灌溉工程面積的年復合增速達到1.50%，由2010年的2 731 萬hm2增加到2014年的2 902 萬hm2，有效灌溉面積中節水面積所占的比重呈波動的變化趨勢，2012年達到50 %，其余各年份在45%上下波動。我國有50%的耕地面積沒有灌溉設施，作物的用水完全依靠雨養，近50%的有效灌溉面積中仍大量使用著溝灌的方式進行灌溉。由于我國水資源的缺乏，大力發展節水灌溉農業、提高農業灌溉用水利用效率是我國農業發展的必經之路。王九全等[10]在咸水與微咸水在農業灌溉中的應用進行了研究，通過對咸水灌溉后的農田土壤質量、作物的響應機制的研究，發現通過覆膜滴灌的推廣和開發，可為我國半干旱區作物種植有效利用咸水與微咸水提供有效手段。齊志明等[11]通過對清、污水灌溉對玉米生長發育進行了研究，發現污水灌溉仍然會對玉米的產量造成影響，但如果使用無肥化處理，產量會比正常施肥的處理高5.2%。彭世彰等[12]對水稻的灌溉模式進行了研究，發現通過控制灌溉，水稻生育期內的田間耗水量大大下降，蒸騰量也隨之減少，同比傳統的淺水灌溉模式，灌溉量同比減少52%，產量也得到了有效提升。江曉東等[13]從耕作方式入手，通過旋耕還田的方式能夠增加土壤的貯水量、提高作物水分利用效率和作物產量，這種方式可有效提高土壤的硝態氮含量，減少因降水和地表徑流造成的硝態氮流失。

2 作物對灌溉的響應機制

2.1 作物產量對灌溉的響應機制

土壤水分是玉米生長發育過程中關鍵因子之一，對玉米的產量及產量的形成具有關鍵作用[14,15]。對缺水的地區來說，灌溉已成為農作物生長不可或缺的關鍵因素之一[16,17]，灌溉的多少強烈地影響著玉米的產量，玉米的產量隨著灌水量的增加呈線性增加，水分利用效率隨灌水量的增加而降低[18]。Adamu等[19]發現，全生育期進行灌水和早期與中期進行及時的灌溉，后者更有利于經濟效益，所得到的玉米產量基本一致。Sampathjymar 等[20]研究發現，玉米在不改變種植方式和灌水量的前提下，采用補虧灌溉替代普通灌溉的方式，在玉米的產量、凈收益和經濟效益成本比上均較高。Belder 等[21]發現交替浸沒-非浸沒灌溉系統在節省了15%灌溉用水的同時維持了洼地水稻的產量，此種方式可節約水資源。Ali 等[22]對小麥進行了相似的研究，他們發現，在小麥的不同生育期水分虧缺1～2次時，其產量與水分充足的處理相比無顯著性差異，使用交替灌溉措施所達到的經濟效益最高，在維持作物產量前提下減少了水分流失。在經濟作物的研究中，利用新的灌溉技術是維持作物產量的一種方式，Sarker 等[23]對番茄采用交替濕潤和干燥犁溝灌溉的方式，產量同比傳統壟溝溝灌無顯著性差異，利用此種方式可以提升番茄的水分利用效率，降低番茄的效益成本。

我國關于作物產量對灌溉的響應研究主要集中在我國西部干旱與半干旱地區，這里常年缺少降雨，灌溉是保證作物產量的關鍵性因素。Kang 等[24]研究發現，適當限制灌溉可以提高冬小麥產量和水分利用效率。新疆地區常年缺水，李佳佳等[25]設置了3 個灌水量級，分別為4 200、4 800 和5 400 m3/hm2，與當地農民習慣的常規灌水量6 000 m3/hm2的試驗區相比，5 400 m3/hm2的試驗區在產量上下降的百分率最小，從經濟適用的角度來看，5 400 m3/hm2可以成為適宜新疆地區的最佳灌水量。崔福柱等[26]在山西省研究發現，隔行溝灌的方式所獲得產量僅次于膜上灌溉，但付出的成本較少，取得的經濟效益最高。溝灌的方式雖然老舊，但仍然是我國干旱與半干旱地區玉米缺墑時最主要的灌溉方式。王艷等[27]研究認為，將土壤含水量降低至田間持水量50%處理，經灌溉土壤水分達到田間持水量的75%時，植株在產量和形態指標上均有較好的表現。不同的灌溉制度也會顯著影響玉米的產量，劉玉潔等[28]設置了灌水次數和灌水定額2 種灌溉制度，發現玉米全生育期灌水次數達到5次對玉米產量的影響最大，灌水定額的變化對產量的影響相對較小，這說明了及時灌溉的重要性。近年來，我國廣泛推廣噴灌，趙偉霞等[29]發現，與定量噴灌相比，采用變量噴灌的方式，冬小麥與夏玉米的株高、葉面積指數、地上部的干物質積累量和產量均未達到顯著水平，變量噴灌可根據當地每年降雨量和蒸發量的不同進行設置，以減少水資源的浪費。在秸稈還田條件下，采用不同的灌溉方式也可以提高水資源利用效率，趙宏亮等[30]發現，水稻產量和自然降水水分利用率在間歇灌溉模式條件下達到最高，灌溉水利用效率在控制灌溉條件下達到最高。

2.2 灌溉條件下作物的養分積累、吸收和轉運規律

籽粒產量形成的物質基礎是作物的干物質積累過程，增加干物質量并使干物質盡可能多的分配到籽粒中是增產作物產量的最有效方式[31]。有研究結果表明[32]，玉米植株干物質和養分積累隨生育期延長而持續增加，整個生育期的變化動態呈“S”形。Bonato 等[33]利用模型模擬了玉米各器官碳、氮累積動態和分配規律，發現土壤水分、肥力狀況對光合產物、氮素累積和再分配影響較為顯著。Aggarwal 等[34]研究發現，當土壤中水分不足時，玉米的干物質積累量會受到較大的抑制，進而影響作物的產量形成。土壤中水分缺失可促進氮素由植株向籽粒轉移，從而提高籽粒的氮含量[35]。Yang 等[36]研究認為，在小麥開花期后適度干旱有利于葉、莖、鞘等營養器官的光合產物增加，氮素的積累和轉運速度加快。王麗梅[37]等發現，充分供水可顯著提高玉米營養器官的干物質轉運量，生育后期的水氮調控是玉米高產高效管理的關鍵。鄭成巖等[38]研究發現，灌水的處理顯著地增加了小麥植株氮素積累量和花后氮素轉運量、轉運率，隨著灌水量的增加，小麥成熟期植株氮素總積累量和花后轉運量均呈現先增加后降低的變化趨勢。灌溉水的溫度對作物養分的積累會造成一定的影響，Zhao 等[39]在田間采用特定的移栽、除草和植株養分管理辦法時，減少了水稻的灌溉量。這種水稻強化管理模式可減少25.6%的用水，并顯著提高水稻的灌溉水利用率，籽粒中與植株中的N、P、K 含量也顯著提高。Djaman 等[40]研究發現，采用不同的灌溉制度也會影響養分吸收，隨著灌溉量的增加，玉米植株的養分吸收能力也在增加，當灌溉量為充分灌溉量的60%和75%時，植株吸收養分的效率更高，速度更快。

2.3 灌溉對作物生理特性的影響

水是作物光合作用過程中不可缺少的因子，當作物遭受水分脅迫時，葉片的氣孔會暫時關閉，以減少水分的蒸發。鄭勝華等[41]研究發現，水分脅迫能夠降低葉片的光合作用能力，導致葉片氣孔部分關閉。Meng 等[42]研究表明，適宜的灌水量有利于玉米葉片凈光合速率、氣孔導度以及蒸騰速率維持在一個較高的水平，有利于玉米產量形成和干物質積累。董浩等[43]認為，拔節期進行灌水的小麥旗葉葉片的凈光合速率、光系統II 最大光合效率以及光化學效率均高于其他處理。Laranjo 等[44]發現，不同杏仁品種通過灌溉在上午11∶00 時凈光合速率達到全天中的最高值，而在沒有灌溉的條件下上午9∶00時就達到最高值，沒有灌溉處理的杏仁的凈光合速率隨著日照時間的推移和溫度的升高呈下降的變化趨勢。光合作用的研究關系到農作物的產量形成，Wang 等[45]研究發現，冬小麥的葉面積、籽粒產量與穗位葉的凈光合速率呈正比，通過灌溉獲得的冬小麥穗位葉光合作用能力也顯著增加。

葉綠素熒光參數是判斷作物是否遭受水分脅迫的重要生理參數，Batra 等[46]研究發現，干旱脅迫對綠豆的光系統II 穩定性造成影響，未經灌溉的綠豆品種在停止灌溉后第4天光系統II的電子傳輸速率顯著下降。林葉春等[47]發現，利用交替根區灌溉的方式更有利于裸燕麥保持旺盛的光合能力和光系統II活性，固定根區灌溉容易造成光系統II 結構性受損，找出適合的灌溉方式對作物的產量形成尤為關鍵。

作物在干旱與半干旱地區常常會遭遇干旱，干旱脅迫會導致作物葉片和根系的生理特性受到影響[48,49]，作物細胞內的自由基產生和消除的平衡遭到破壞，出現自由基的積累，引起細胞的膜脂過氧化[50]。作物的保護酶系統一定程度上能夠緩解因土壤水分不足而帶來的活性氧損傷，它主要是由超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶組成。Habibzadeh 等[51]研究發現，嚴重缺水和灌溉量較低處理的綠豆品種脯氨酸含量均顯著提高，土壤水分不足使綠豆體內積累很多滲透調節物質，以抵御干旱脅迫帶來的傷害。Chen 等[52]發現，適度的灌溉和氮肥淺施可以提高棉花根系中硝酸還原酶和抗氧化酶的活性，同時也提高了全花期時光系統II 的光捕捉和光化學能轉換能力。土壤水分過多同樣會對作物的生理特性造成一定影響，Zhang 等[53]研究發現，高土壤水分脅迫會導致甜高粱體內保護酶活性增加，并抑制甜高粱的生長。不同灌溉方式會對作物生理特性造成影響，李彪等[54]研究發現，通過時空調控灌溉的方式，可以大幅度提高水分利用效率，但小麥葉片積累了較多的脯氨酸。

3 結 論

節水灌溉技術依然是我國未來農業灌溉發展的方向，作物的生長發育與節水灌溉之間存在著復雜的關系，進行節水灌溉對作物的影響機理研究是了解作物如何高效用水的基礎，只有充分了解它們之間的關系，才能利用好節水灌溉技術，為作物產量的穩定提升打下良好的基礎。