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論我國設施農業節水灌溉研究現狀及其發展前景
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論我國設施農業節水灌溉研究現狀及其發展前景

論我國設施農業節水灌溉研究現狀及其發展前景

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來源:
發布時間:
2011/12/20

1. 引言

農業發展進入了從傳統農業向現代農業轉化的新階段,優質、高產、高效已成為現代農業的發展方向。在這一過程中,設施農業發揮著重要作用。我國設施農業面積雖居世界首位,目前全國設施園藝面積已超過210 萬公頃,但產量僅為世界先進水平的1/3。其中的一個重要原因是設施內灌溉技術落后,嚴重影響設施內的環境狀況,使其未能充分發揮節水增產的巨大作用。設施內的水分調控必須依據作物種類、品種和各生育期對設施內空氣濕度和土壤濕度的要求進行適時、適量的調節控制。Hillel 指出,節水灌溉理論研究的根本目的并非單純節約用水,而是通過供水和其它環境變量的優化提高勞動生產率。從這個意義上,國外更多把節水灌溉稱為如何高效用水。節水農業的最終目的是提高單位水資源的農業產出效率,在農田尺度上就是提高作物對土壤水分的利用效率,即消耗單位土壤水量而獲得的經濟產量。

灌溉是溫室作物栽培中唯一水分來源,灌溉用水消耗量大。溫室設施是一個半封閉體系,與大田作物栽培相比較,濕度高,室內風速度較低,水分-土壤-植物-空氣有著獨特的封閉性特點。因此,在充分利用灌溉水效率基礎上,按需精量灌溉策略成為設施園藝作物水分管理的重要內容,在一天中,根據環境條件決策灌多少(即灌溉量)、根據作物需水信息決策什么時候灌(即灌溉時機)是溫室作物生產灌溉管理中需要確定的兩大基本問題。因此研究溫室設施中作物節水灌溉理論與技術,同時結合溫室濕度控制策略,有效控制實施溫室作物灌溉量,緩和溫室高濕環境的矛盾,這對指導溫室作物精量灌溉與按需灌溉,進一步提高灌溉水的利用率和生產效率,改善溫室作物的生長環境,以及改善作物品質與提高產量均具有十分重大的意義。

2.溫室作物需水規律研究

研究設施栽培條件下作物需水量及其變化規律,是做好設施農業節水灌溉、精量按需灌溉的前提和基礎。溫室目前主栽蔬菜(如黃瓜、蕃茄等)需水量的研究工作起步較晚,相對大田作物而言,沒有一套成熟的計算方法。

隨著節水灌溉理論研究的進一步發展,國內學者開始對溫室栽培作物的灌水上限進行試驗研究,并提出了不同蔬菜的灌水上限。賀忠群等[1]采用水分張力計控制滴灌系統對溫室黃瓜開花結果期適宜灌溉土壤水分上限進行了研究,確定適宜的灌溉上限、灌溉次數和灌溉量(可參考:《淺談節水灌溉》)。

認為秋延后溫室黃瓜栽培在滴灌條件下,開花座果以灌水上限為90%,灌水次數10 次,總灌溉定額為1934.76m3/hm2 為宜。王紹輝等[2]對不同土壤含水量對日光溫室黃瓜生理特性影響進行了試驗研究,結果表明,當土壤含水量為飽和含水量的85-90%時,根系活力較高,光合速率較強,氣孔阻力較小;當土壤含水量達到飽和含水量的55-60%時,黃瓜植株容易發生水分脅迫。部分學者[3,4,5]也研究了溫室-作物-環境體系中水熱耦合問題,討論了溫室中影響作物生長的水分和熱量在溫室中的流動和作物的需水規律和灌溉指標。

因此,通過試驗研究和分析,確定節水灌溉條件下作物的灌溉指標是溫室設施作物節水灌溉理論研究需要解決的首要問題。但局限的是,大多數學者均是針對作物某一具體生長階段進行試驗研究,缺乏對全生育期內作物的需水規律進行實驗研究,并建立作物的需水量與環境參數之間的變化關系;同時由于地域和氣候差異,缺乏不同地域和不同棚型的數據驗證,從而局限了節水灌溉技術的推廣。

將作物水分生理調控機制與作物高效用水技術緊密結合開發出諸如調虧灌溉(RDI)、分根區交替灌溉(ARDI)和部分根干燥(PRD)等作物生理節水技術,可明顯地提高作物和果樹的水分利用效率。陳新明、蔡煥杰等[6]提出了局部控水灌溉溫室大棚番茄需水耗水信息研究,比較了正常灌溉和局部控水灌溉情況下,研究了番茄的根須數量、氣孔導度、葉水勢和蒸騰速率變化,并比較了番茄生育期的耗水量和產量,認為局部灌溉雖然減少了番茄的根須數量,降低了番茄葉片光合速率蒸騰速率、氣孔導度和葉水勢,但提高了番茄的根系吸水力和根冠比,抑制了番茄的無效生長,同時可以降低溫室內濕度,增加了土壤的通透性,減少了作物病蟲害,可以使番茄的品質得到明顯改善,提高了水分生產率,實現以水調質功效,從而為研究適合不同地區的非充分灌溉制度提供基礎數據和支撐。作物調虧灌溉的發展和實施對溫室農業的發展和精確農業的應用具有重要意義。

3.溫室作物灌溉決策的定量指標研究

在溫室設施內,考慮土壤-作物-大氣連續體(SPAC),用于灌溉決策的定量指標有3 種:

1) 根據土壤水分狀況確定灌溉時間和水量,考慮的因素包括不同作物適宜水分上下限、不同土壤條件、土壤水量平衡方程及參數選擇等;

2) 根據作物對水分虧缺的生理反應信息來確定是否需要灌溉,常用的指標包括作物冠層溫度相對環境溫度的變化、莖果縮漲微變化、莖/葉水勢、莖流變化等;

3) 根據作物生長的小環境氣象因素的變化確定灌溉的時間和作物的灌水量,通過氣象因素確定作物的蒸騰蒸發量來進行灌溉決策。

3.1土壤指標

利用土壤信息控制作物灌溉量可以間接得出作物的需水信息。包括土壤含水量和土水勢兩方面。用土壤含水量診斷作物缺水已較為成熟,主要包括稱重法、電阻法、時域反射儀、射頻反射儀等,實時監測土壤水分。目前在溫室設施內應用較多的是采用時域反射儀(TDR)、張力計進行土壤水分和水勢監測。以土壤水分運動和平衡為中心的土壤-作物-大氣系統模擬,從簡單的水均衡模型到復雜的水動力學模型,但在模擬作物生長和蒸騰與土壤水分有效性方面較差,且基本上不考慮地上部分作物生長以及光合作用對地下根系生長和吸水的影響。

3.2 作物指標

同土壤水分的變化相比,作物生長器官如葉、莖、果等的形態或生理變化,則可以更直接、快速、靈敏地反應植物體內水分狀況,合理的灌溉應以作物的生長情況和需水信息指標為依據。主要包括植株外觀形態指標(如葉面積系數、葉片顏色和厚度、葉片卷曲等)、根-莖-葉水勢、莖流、冠層-氣溫差、圖像紋理和光譜特征指標、莖稈、果實微收縮量、植株電特性等方面[7]。

對水勢的研究上,主要是考慮在不同的水分處理條件下,研究水勢隨時間和空間的變化規律,同時,結合作物葉面積指數、葉綠素及作物干物質積累及水分利用效率等參數進行比較,確定土壤適宜的含水量[8,9]。賀忠群等[10]采用水分張力計控制滴灌系統對溫室黃瓜開花結果期適宜灌溉土壤水分上限進行了研究,分析了不同水分處理條件下葉水勢的變化關系。

鮑一丹等[11]結合葉片電特性(電容)與葉水勢對玉米植株進行了缺水度的實驗,能較好地反映植株干旱程度的變化。康紹忠等[12]研究了主要農作物不同生育期對不同程度水分脅迫的反應,以土壤基質勢代替葉水勢作為調虧灌溉 (RDI) 的指標,同時認為葉水勢對土壤含水量有一明顯的閾值反應。

在溫室作物灌溉控制系統中,莖流不單獨作為一個指標進行研究,一般與作物冠層的蒸騰速率結合在一起研究作物的需水信息。謝華等[13]通過田間試驗和理論計算, 用莖流計研究了冬小麥的蒸騰規律。彭致功等[14]系統地研究了日光溫室內茄子的莖流變化規律及其與環境因子之間的關系。伍德林[15]、李國臣等[16]分析了不同供水條件下的黃瓜莖流日變化規律及環境因素對莖流變化的影響,提出了基于作物莖流變化的作物虧水診斷方法。

根據莖直徑變化來反映作物水分狀況因為具有不破壞植株組織、適合長期自動監測的優點,在自動灌溉領域已引起廣泛的關注[17,18]。國內以作物莖、果的微變化信息作為檢測方法,采用位移傳感器研究植株莖、果形態微變化作為作物需水信息進行自動控制灌溉的可行性已得到廣泛研究[17-22]。

由于各種作物在形體、生理等方面有較大差異,種類作物對水分虧缺的響應不同,同時作物的生理變化不僅僅只與水分相關,同時取決于溫室設施內微環境因子的變化和土壤肥力及病蟲害等,從而作物各種水分指標在實際應用中有很大的變異性、適用性和局限性。

3.3氣象指標

以影響作物生長的溫室內氣溫、空氣濕度、光照等基本的氣象信息為輸入變量,計算溫室內蒸發蒸騰量,以判斷作物需水量。溫室中蒸騰速率是反映作物需水狀況的基本信息,一般與土壤含水率一起,作為傳統的作物虧水指標,來反映作物需水程度和土壤的供水強度。

在蒸騰速率的計算尺度上,目前溫室內作物的蒸騰計算主要局限于單株作物的葉片或者是冠層的蒸騰強度計算,以及植株蒸騰的日變化規律。計算公式一類是采用參考作物騰發量乘以作物系數,另一類是采用能量平衡法如Penman-Monteith 模型來模擬計算溫室作物蒸騰速率的研究[23,24]。由于室內風速一般小于0.5m/s,空氣混合并不均勻,導致室內溫度、濕度空間分布差異較大,植株不同位置的蒸騰強度變化也大,在采用該指標用來判斷作物缺水度時需注意這種差異性。近年主要探討作物蒸騰與其它指標的相互影響關系。溫室環境條件下,這種基于實驗數據建立作物蒸騰量從而估計作物需水量的建模方法,對作物的水分和營養供應來說,實質是一種開環控制,沒有考慮室外氣候參數以及室內半封閉環境條件發生變化對作物蒸騰帶來的影響。這導致在對作物蒸騰速率進行估算進而安排作物灌溉量時會帶來一定的誤差。

4.作物需水信息檢測裝置研究

目前,在以下作物需水信息與精量控制灌溉技術方面進行了嘗試和探索:1)研究作物對水分虧缺信息的感受、傳遞與信號轉導的過程,建立作物水分信號診斷指標體系,獲得利用作物莖桿變形測量、作物電特性等指標診斷作物缺水狀況的新技術與新產品;2)研究作物水分區域分布監測技術和作物蒸騰過程快速監測技術,提出區域土壤水分空間變異性與最佳動態監測布點方式和區域土壤墑情監測預報技術,獲得土壤水分動態快速測定與預報技術及新產品;3)以土壤墑情監測預報、作物水分動態監測信息與作物生長信息的結合為基礎,研究運用模糊人工神經網絡技術、數據通訊技術和網絡技術建立具有監測、傳輸、診斷、決策功能的作物精量控制灌溉系統,研制開發智能化的灌溉信息采集裝置和智能化的灌溉預報與決策支持軟件[25]。如李國臣等[26]開展了作物莖流變化規律的分析并應用到作物水分虧缺應用上;楊世鳳等[27]通過檢測作物蒸騰量的變化速率和聲發射的變化關系檢測作物水脅迫的程度并應用于作物的視情節水灌溉方面;張兵等[28]以太陽輻射、空氣濕度、風速、空氣溫度為決策變量建立了作物需水量神經網絡預測系統,又以作物需水量和土壤濕度建立了作物灌水量模糊推理系統。Zhang Naiqian[29]對土壤濕度無線傳感器進行研究,采用頻率響應測定了土壤的濕度和鹽分,并應用該無線傳感器開發了一套土壤濕度監控系統。

近年來國內相繼開展了作物葉片圖像特征和光譜特征與作物缺水度之間的關系,利用圖像特征和光譜特征來判別作物的需水程度,并在此基礎上構建溫室作物水肥灌溉控制系統。1989年,Hashimoto[30]就提出了SPA (Speaking Plant Approach) 的控制新思想。實現SPA 控制的關鍵是利用先進的傳感器,實時準確采集作物生長信息。開發視覺傳感器和控制系統,采集溫室作物生長信息也已經成為國內外研究的熱點。目前在國內,利用計算機視覺技術進行溫室作物生長監測方面的研究才剛剛展開[31]。趙杰文等[32]對蔬菜葉片的近紅外圖像的紋理特征值與其含水率之間的關系進行了一些基礎性的研究。張憲法等[33]粗略的觀察葉片的顏色、仰角來作為灌溉的形態指標。滕光輝等[30]利用量測葉冠投影面積來對黃瓜幼苗進行生長檢測,取得了比較好的效果。

溫室作物灌溉策略研究,目前主要開展了溫室作物灌溉的決策支持系統,即在實際的溫室作物生產過程中,針對不同的溫室環境因子,選擇合適的灌溉需水信息指標,智能決策出灌溉量理論值,從而實現溫室設施內的節水灌溉和精確灌溉。黃紅霞[34]、胡宏劫[35]等開發了溫室黃瓜灌溉量的決策支持系統,可以實現對溫室內黃瓜蒸騰速率的日變化和季節變化、不同葉位蒸騰速率的變化以及不同環境因子條件下蒸騰速率變化提供決策支持,同時,可以對不同季節條件下溫室黃瓜栽培灌溉量提供決策支持。在溫室設施作物節水灌溉控制策略和智能管理方面進行了有益的嘗試。

5.溫室設施濕度控制策略研究

隨著無公害作物生產發展的需要,溫室設施環境調控由以溫度調控為核心逐漸向溫、濕度控制并重的方向發展。在灌溉實施和管理過程中,應該考慮作物生長濕度要求以及灌溉對設施濕度的影響程度。目前,溫室中濕度控制主要涉及兩個方面:為了避免作物葉片表面結露,而這一點很容易滋生作物真菌類病害;為了防止作物非常低的蒸騰速率,過低的蒸騰速率會導致作物中鈣元素的虧缺從而會引起作物發育的異常[36]。前者取決于室內空氣的含濕量、RH 的值與葉片表面結露量(與葉片溫度有關),后者主要與VPD 大小有關,相關濕度量的變化取決于溫室的濕度控制策略。

5.1濕度設定值控制策略

在環境控制過程中,根據作物在不同生長階段生長發育的濕度要求,限制含濕量(或者是RH,或者是VPD)參數在預先設定值內,以設定值作為控制的邊界條件,通過控制系統相配套的運行裝置來對溫室生產的環境因子溫、光、濕、氣、水和風等進行綜合調控,國內設施溫室控制一般均采取這種策略[37]。一般對濕度的調節是通過加熱或者是通風操作來實現,缺乏直接的方法去控制溫室內的濕度狀況,這往往會增加溫室的能耗與生產成本。

5.2蒸汽壓差控制策略

控制作物-空氣之間的蒸汽壓差或者是冠層-空氣之間的蒸汽壓差既能減少植株水分消耗,同時能維持葉片氣孔一定開度以保證CO2 和水分的交換速率。一種方法是直接設定溫室內環境的蒸汽壓差;另一種可行的方法是,對于不加濕條件下,由于作物蒸騰過程是溫室內主要水汽源,可以通過限定作物的蒸騰速率來控制灌溉量和調節室內濕度狀況。選擇合適的蒸騰速率計算公式,把RH(或者是VPD)表達成蒸騰速率的函數關系,通過設定的蒸騰速率,轉化成對濕度的設定要求。在計算作物蒸散量模型中,有把白天或夜里的氣孔阻力考慮成常數的傾向[38],這會導致預測精度和準確性降低。而且在模型建立過程中,對于不同的假設將導致在預測濕度和蒸散強度時出現很大的差異,但這種差異性缺乏實驗驗證。對于不同的作物和作物生長的不同階段,如何選取合適的VPD 值甚為關鍵。

5.3基于過程的濕度控制策略

首先,確定溫室內栽培的作物與濕度相關的生理和生態過程:作物水分脅迫,鈣缺乏,作物生長發育,通過空氣傳播的真菌類病害等方面。其次,確定每一過程中影響的主要濕度量,即是含濕量,是RH 還是VPD。最后,針對每一過程中,根據控制的要求,確定相應的濕度閾值。這種策略比單純的固定的RH 設定值控制要節能的多,同時作物總的光合產物量要明顯增加[39]。

6.結論與建議

溫室內作物灌溉決策主要是解決兩方面問題,即何時灌和灌多少。合理節水灌溉技術的關鍵是以適量的水進行適時灌溉,既能滿足作物對水的需要,又不致造成溫室土壤含水量和空氣濕度過大。目前,設施農業中作物栽培以蔬菜和花卉為主,目前對它們的需水規律的研究比較零散,還沒有取得可供推廣應用的成果[40]。表征作物水分信息的眾多指標,因基本原理和操作可行性有其特定的適用性和局限性,在選取合適的作物需水信息指標和灌溉決策指標上,多數只是考慮了土壤-植物-空氣-環境連續體中某一個因素或某兩個因素進行作物水分研究和旱情診斷,缺乏多指標的綜合。環境調控系統中只注重光照、溫度環境因子調節,濕度對作物生長、品質的影響及調控重視不夠。

因而,在灌溉決策中對作物、土壤、氣象復合系統做出綜合性的分析和判斷, 將是今后溫室作物灌溉管理工作中的難點和新點。即在溫室設施內,將土壤、作物和設施環境作為一個連續體[40],研究作物根系吸水、水分在作物體內的傳輸和水分蒸騰散失過程,從系統角度研究溫室設施內水分遷移規律,同時考慮在灌溉實施過程中作物對灌溉的響應以及對溫室內微環境的影響,從而真正實現設施農業的按需灌溉,實現溫室設施作物栽培過程中環境控制、節水、增產和降低能耗并行之目的。同時進行農學、植物生理、環境控制、工程技術等學科知識相互結合,有效開展溫室設施作物試驗測試裝置和研究方法的創新。

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