节水灌溉理论的研究现状与发展趋势

1.2.2　节水灌溉理论的研究现状与发展趋势^③④

节水灌溉理论和节水灌溉技术是相互促进的，节水灌溉理论是节水灌溉概念、原理的体系化，是系统化了的理性认识，是在节水灌溉实践基础上产生并经过节水灌溉实践的检验和证明的理论，是节水灌溉的本质和规律性的正确反映。节水灌溉技术是根据灌溉实践经验和节水灌溉理论而发展成的各种节水灌溉操作方法与技能、节水灌溉工具与设备以及灌溉程序和方法。

1.2.2.1　节水灌溉理论的研究现状^⑤

1.2.2.1.1　节水条件下的作物需水规律及其灌溉制度研究

节水条件下的作物需水规律及其灌溉制度研究，是限水条件下水资源优化调度管理的基础工作。

在农田腾发研究领域，1948年，自Penman(彭曼)提出计算可能腾发量的公式以来，许多研究者对此进行了研究^⑥⑦。世界粮农组织在《作物需水量》一书中详细给出了修正后的Penman公式及计算方法^⑧。国内不同学科的学者也作了大量的研究^⑨。西北农林科技大学对作物蒸腾和农田蒸发进行了大量的现场测试和数值模拟。在作物需水量研究方面，围绕着作物对土壤水分的响应，即作物—水模型作了大量的研究工作^⑩。武汉水利电力大学对非充分灌溉条件下的水稻需水量进行了大量研究，中科院农田灌溉研究所组织全国协作，对我国十多种主要作物的需水量和需水规律进行了全面研究，制定了北方主要作物关键需水期与节水灌溉制度。

1.2.2.1.2　作物—水模型研究

作物—水模型(Model of Crop Response to Water)，是水分供应时间和数量对作物产量影响(即敏感性)的数学描述。从投入产出的经济观点看，称作时间水分生产函数(The Dated Water Production Function)，它是进行节水灌溉、选择最优节水灌溉策略、编制节水灌溉用水计划的依据。在国外，作物—水模型的研究文献多见于20世纪60～70年代，研究者主要依靠不同的回归模型去拟合试验资料，给出灌溉水量与产量的函数关系，Moore，Dorfman，Stewart，Yaron等人经过进一步的研究，发现作物的总产量不仅取决于全生长期的供水总量，而且取决于这些水在全生长期内时间上的分配。在国内，荣丰涛、康绍忠、郑仁塘、陈亚新、袁宏源、李会昌等，较早地结合国情开展了对作物—水模型的考核、筛选和参数的推求，并探索出新的模型。袁宏源等通过灌溉试验资料分析，采用多元回归分析方法，求得了冬小麦、夏玉米及棉花各生育阶段的需水量及缺水敏感指数λ_i，在此基础上采用动态规划方法制定了上述三种作物的高产节水灌溉制度。

1.2.2.1.3　节水条件下的SPAC系统研究

这是节水条件下土壤水分调控的微观方法，即基于SPAC系统理论基础上的方法。自从Philip(1996)提出农田SPAC水流运动的概念后，近年来，数学、土壤物理、植物生理学不断向该领域渗透，加上计算机的发展，使这一领域的研究不断深化。Fedrer(1979)考虑土壤水势和根系分布建立了估算根系水分运输阻力的理论模型，Harsen(1979)提出了考虑光合作用、呼吸和作物生长等因子的复杂SPAC水流模型。模型输入土壤物理参数、作物参数、气象参数，输出腾发量、土壤和作物水分状态以及作物生长情况，用于对灌溉进行决策和对土壤水分进行调控。

近年来，国内学术界对SPAC系统也进行了较多的研究。卢振明(1992)根据田间试验研究，对SPAC系统中各种参数进行了分析研究，提出了SPAC水流运动动力学模型，并在微机上实现。王宏(1992)对SPAC系统中作物对水分亏缺的响应进行研究，尤其对叶片水势、气孔导度、冠层温度和农田蒸散等指标进行了大量试验及分析。康绍忠、熊运章(1990)(1991)(1992)依据田间试验资料，对SPAC系统中的水分运移力能关系，冬小麦叶片水势、气孔阻力、蒸腾速率与环境因素间的定量关系，作物缺水状况的判别与灌水指标及水分传输的计算机模拟，进行了系统地研究，可用于指导农作物灌溉。SPAC系统水流模型具有考虑因素全面、计算成果丰富、能模拟农田实际耗水过程及作物动态生长等特性，但由于模型假设条件多、计算复杂，特别是水分在各个环节中运行和变化的物理机制还有待研究，再加上整个系统中的变异性、阶段性和非稳定性很难用数学模式精确描述，因此，SPAC系统目前在理论上还不完备，在一定程度上限制了其实际运用。因此，土壤水分调控的宏观方法——土壤水分平衡理论，仍受到人们的重视。

1.2.2.1.4　节水条件下的农田水分预报研究

该理论以田块尺度的土壤水分的收入与支出为对象，通过水量平衡原理，预测田间水分的平均动态变化，由于研究中不涉及土壤剖面具体的水分分布，因此，计算简便，得到广泛的应用。Rao和Sarma等(1988)利用土壤水分平衡理论和作物水分生产函数，建立了估算土壤水分亏缺和提高作物产量的最佳灌溉决策模型，并在印度水资源不足的产棉区得到利用。国内不少学者，根据水量平衡原理先后建立了土壤水分估算和灌溉预报模型，现发展到了实时灌溉预报，对灌溉决策起到了一定的作用。

1.2.2.1.5　节水条件下的水资源优化管理理论研究

节水灌溉是一个涉及因素众多的复杂大系统。如何使其高速运作，发挥效益，需要大系统优化理论等的指导。大系统优化理论方面代表性的成果有：郭元裕等人(1986)的大系统多目标优化理论在圩区规划中的应用;曾赛星、李寿声等人(1991)的大系统理论在灌区管理中的应用。对大系统问题而言，自优化模拟技术也是一种非常有效而实用的方法。

1.2.2.2　节水灌溉理论研究的发展趋势

1.着重非充分灌溉的需水规律、灌溉制度及实施策略的研究。

2.着重作物—水模型的改进及其新的应用研究。

3.着重土壤水分调控的微观方法(SPAC系统)与宏观方法(水量平衡系统)的结合。

4.着重节水灌溉的综合评价研究。

5.着重作物—水肥模型的研究。

6.着重调亏灌溉、精准灌溉、控制性分根交替灌溉等新方法的理论储备。

7.着重节水灌溉决策支持系统的应用研究和优化理论应用研究。

8.着重节水灌溉试验原理与方法的研究。

9.呼唤全新的节水灌溉学的诞生。