現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水理論研究的發(fā)展態(tài)勢(shì)和熱點(diǎn)問題

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水理論研究的發(fā)展態(tài)勢(shì)和熱點(diǎn)問題

農(nóng)業(yè)和生態(tài)水浪費(fèi)主要發(fā)生在渠道輸送區(qū)、田間排水、土壤儲(chǔ)水儲(chǔ)水、植物灌溉等環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水是指通過工程、農(nóng)藝、生物和管理措施盡可能減少各用水環(huán)節(jié)的水量損失,提高農(nóng)業(yè)用水的水利用率和水的生產(chǎn)效率,這不僅涉及到土壤—植物—大氣系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱SPAC)中的界面過程、水分傳輸和系統(tǒng)反饋的機(jī)制、水分調(diào)控的途徑以及大氣水、地表水、地下水、土壤水的轉(zhuǎn)化關(guān)系,還涉及到利用現(xiàn)代高技術(shù)對(duì)水資源、土壤水分和作物水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控,采集作物對(duì)缺水反應(yīng)的信息并根據(jù)作物需水規(guī)律進(jìn)行精量灌溉,開發(fā)有特殊環(huán)境參數(shù)要求的抗低溫、耐老化的新型節(jié)水材料和設(shè)備等一系列與農(nóng)業(yè)節(jié)水相關(guān)的前沿性高技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。因此,必須在對(duì)SPAC水分動(dòng)力學(xué),灌溉水—土壤水—作物水—光合作用—干物質(zhì)量—經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量轉(zhuǎn)化效率關(guān)系,水—土—作物—環(huán)境關(guān)系等具有多學(xué)科交叉性和綜合性的若干重大前沿性問題研究為基礎(chǔ),探索現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)體系,達(dá)到了同時(shí)提高水的利用率和水的生產(chǎn)效率的目的。我國的農(nóng)業(yè)和生態(tài)節(jié)水問題已引起黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人及全社會(huì)的高度重視。中央和地方政府投入了大量資金開展節(jié)水面研究與示范工作。這些項(xiàng)目的實(shí)施無疑對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水發(fā)展產(chǎn)生了積極的作用。但是,目前有關(guān)的項(xiàng)目較多涉及農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的具體技術(shù)和產(chǎn)品,還缺少農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究方面的重大項(xiàng)目,全國性和區(qū)域性的農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)還未形成,缺乏農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水發(fā)展所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累;農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水應(yīng)用基礎(chǔ)研究薄弱,特別是對(duì)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水發(fā)展起關(guān)鍵作用的從純基礎(chǔ)到應(yīng)用層面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究還很欠缺,在農(nóng)田尺度水分高效利用的應(yīng)用基礎(chǔ)、區(qū)域節(jié)水高效和對(duì)環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化模式等方面的研究深度還很不夠。對(duì)諸如節(jié)水引起的區(qū)域水循環(huán)與水平衡改變是否會(huì)加劇西北旱區(qū)內(nèi)陸河流域下游的環(huán)境退化,噴灌節(jié)水還是浪費(fèi)水,渠道防滲標(biāo)準(zhǔn)是否越高越好,如何通過作物區(qū)域耗水分異規(guī)律科學(xué)確定區(qū)域節(jié)水型農(nóng)作結(jié)構(gòu)等與農(nóng)業(yè)和生態(tài)節(jié)水有關(guān)的問題還缺少建立在科學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上的探索;對(duì)不同區(qū)域的灌溉水利用率、渠系水利用率、田間水利用率、降水有效利用率、作物水分利用效率等參數(shù)還缺少準(zhǔn)確的確定方法和多年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累;特別是對(duì)不同植物群體在不同水文年份、不同灌水技術(shù)條件和不同的虧水灌溉水平下的耗水規(guī)律及區(qū)域變化還缺少科學(xué)數(shù)據(jù)的積累。上述現(xiàn)象嚴(yán)重地制約了農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水工作的開展。1高效節(jié)水調(diào)控的必要性(1)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水研究由實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)向具有較嚴(yán)謹(jǐn)理論體系和定量方法的科學(xué)轉(zhuǎn)變,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)遷移模擬與區(qū)域植物耗水的定量計(jì)算模型得到較快的發(fā)展,尺度理論將是農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水領(lǐng)域用定量方法解決實(shí)際問題的關(guān)鍵。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微域的SPAC中水熱鹽運(yùn)移進(jìn)行了大量研究,但如何應(yīng)用小尺度的SPAC水分傳輸理論解決流域尺度水轉(zhuǎn)化過程的描述仍有較大距離,這涉及到如何考慮土壤與植被的空間變異性以及水文地質(zhì)條件的影響,把點(diǎn)上(小尺度上)得到的模型擴(kuò)展到面上、區(qū)域上應(yīng)用的問題。為了解決這一問題,有關(guān)土壤、植被和大氣的界面過程、尺度轉(zhuǎn)換。各部分介質(zhì)的非線性相互作用等將是未來研究的難點(diǎn)。由于節(jié)水技術(shù)水平的提高和作物水分利用效率的改善,迫切需要研究農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、作物布局改變和非充分灌溉條件下的作物需水規(guī)律及其區(qū)域分布;而且過去有關(guān)作物耗水量的研究以單點(diǎn)的和單一作物的計(jì)算模型較多,對(duì)于區(qū)域多種作物組合的耗水量計(jì)算還缺少科學(xué)的方法。有關(guān)作物需水量的計(jì)算方法目前應(yīng)用最多的是聯(lián)合國糧農(nóng)組織灌溉排水叢書第56分冊(cè)推薦的Penman-Monteith方法,但此方法主要適用于單點(diǎn)的單一作物需水量計(jì)算,對(duì)于區(qū)域多種作物組合的需水量計(jì)算首先要根據(jù)不同代表點(diǎn)的氣象觀測(cè)資料計(jì)算代表點(diǎn)的需水量,然后用插值法繪制區(qū)域需水量的分布圖,再根據(jù)代表點(diǎn)控制的面積用加權(quán)平均法確定區(qū)域需水量,但這種方法很難克服氣象因素和作物需水的空間變異所產(chǎn)生的較大計(jì)算誤差,沒有考慮多種作物組合中作物與作物間的交互作用。20世紀(jì)60年代后期遙感技術(shù)的應(yīng)用為用能量平衡法計(jì)算區(qū)域作物需水量提供了可能,20世紀(jì)80年代以后,利用遙感作物冠層溫度估算區(qū)域需水量分布的研究變得十分活躍,并在一些發(fā)達(dá)國家得到了一定的應(yīng)用。但目前在應(yīng)用上還存在一些技術(shù)問題,如計(jì)算冠層表面熱通量的SVAT模型參數(shù)的空間分辨率問題,陸地衛(wèi)星熱映像(TM)波譜參數(shù)和SVAT模型參數(shù)的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系等。由于近年提出的大多數(shù)遙感通量算法是以面積為常量的SVAT模型參數(shù)為基礎(chǔ)的,其直接在流域或區(qū)域上應(yīng)用還受到限制。另外,由于作物高效用水理論的突破和新的節(jié)水調(diào)控途徑的開拓,需要考慮利用作物本身的生理功能挖掘其節(jié)水的潛力,減少作物本身奢侈的蒸騰量,傳統(tǒng)的按能量平衡理論估算作物需水的方法和在充分濕潤(rùn)條件下獲得的作物系數(shù)均遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),迫切需要建立作物高效用水和非均勻濕潤(rùn)條件下的需水量計(jì)算方法和相應(yīng)的作物系數(shù)值,以擴(kuò)展和補(bǔ)充FAO灌溉排水叢書第56分冊(cè)中的研究成果。(2)水分脅迫對(duì)作物的影響及其提高水分生產(chǎn)效率的機(jī)理已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn),植物高效用水生理調(diào)控與非充分灌溉理論研究不斷深入,利用植物生理特性改進(jìn)植物水分利用效率的研究將會(huì)更加引人關(guān)注。近年來,國內(nèi)外提出了許多新的概念和方法,如限水灌溉(Limitedirrigation)、非充分灌溉(No-fullirrigation)與調(diào)虧灌溉(Regulateddeficitirrigation)等等,對(duì)由傳統(tǒng)的豐水高產(chǎn)型灌溉轉(zhuǎn)向節(jié)水優(yōu)產(chǎn)型灌溉,提高水的利用效率起到了積極作用。20世紀(jì)70年代以來,大量研究結(jié)果表明,植物各個(gè)生理過程對(duì)水分虧缺的反應(yīng)各不相同,而且水分脅迫可以改變光合產(chǎn)物的分配。同時(shí)一些研究還表明,水分脅迫并非完全是負(fù)效應(yīng),特定發(fā)育階段、有限的水分脅迫對(duì)提高產(chǎn)量和品質(zhì)是有益的,結(jié)果證明作物在某些階段經(jīng)受適度的水分脅迫,對(duì)于有限缺水具有一定的適應(yīng)性和抵抗性效應(yīng)。調(diào)虧灌溉就是基于作物生理生化過程受遺傳特性或生長(zhǎng)激素的影響,在作物生長(zhǎng)發(fā)育的某些階段主動(dòng)施加一定的水分脅迫,即人為地讓作物經(jīng)受適度的缺水鍛煉,從而影響光合同化產(chǎn)物向不同組織器官的分配,以調(diào)節(jié)作物的生長(zhǎng)進(jìn)程,改善產(chǎn)品品質(zhì),達(dá)到在不影響作物產(chǎn)量的條件下提高水分利用效率的目的。但是,這些方法僅考慮在時(shí)間上的調(diào)虧或水量的優(yōu)化分配,沒有考慮作物根系的功能和根區(qū)土壤濕潤(rùn)方式變化對(duì)提高作物水分利用效率與節(jié)水的作用。對(duì)如何通過改變根區(qū)空間的土壤濕潤(rùn)方式,誘發(fā)根—土系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的有利變化,達(dá)到改善根系微域內(nèi)的水分、養(yǎng)分有效性,刺激根系吸收的補(bǔ)償效應(yīng)和作物氣孔的最優(yōu)調(diào)節(jié),提高根區(qū)水肥利用效率的研究比較少。大量的研究發(fā)現(xiàn)根區(qū)土壤充分濕潤(rùn)的作物通常其葉氣孔開度較大,以致于其單位水分消耗所產(chǎn)生的CO2同化物(即水分利用效率)較低。作物葉片的光合作用與蒸騰作用對(duì)氣孔的反應(yīng)不同,在一般條件下,光合速率隨氣孔開度增大而增加,但當(dāng)氣孔開度達(dá)到某一值時(shí),光合增加不明顯,即達(dá)到飽和狀態(tài),而蒸騰耗水則隨氣孔開度增大而線性增加。因此,在充分供水、氣孔充分張開的條件下,即使出現(xiàn)氣孔開度一定程度上的縮窄,其光合速率不下降或下降較小,則可減小大量奢侈的(Luxury)蒸騰耗水,達(dá)到以不犧牲光合產(chǎn)物積累而大量節(jié)水的目的。許多研究結(jié)果表明,根系部分區(qū)域干燥時(shí)根ABA可以作為一種水分脅迫的信號(hào),因?yàn)樗膹?qiáng)度隨干旱程度的加劇而增加,它能幫助植物檢測(cè)土壤中的有效水量,且據(jù)此調(diào)節(jié)其水分消耗,提高植物水分利用效率。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)提出的“控制性作物根系分區(qū)交替灌溉”的節(jié)水技術(shù)體系,強(qiáng)調(diào)交替控制部分根系區(qū)域干燥、部分根系區(qū)域濕潤(rùn),以利于交替使不同區(qū)域的根系經(jīng)受一定程度的水分脅迫鍛煉,刺激根系吸收補(bǔ)償功能,誘導(dǎo)作物部分根系處于水分脅迫時(shí)的木質(zhì)部汁液ABA濃度的升高,以調(diào)節(jié)氣孔保持最適宜開度,達(dá)到以不犧牲作物光合產(chǎn)物積累而提高作物水分利用效率的目的。同時(shí),還可減少再次灌水間隙期間棵間土壤濕潤(rùn)面積,減少棵間蒸發(fā)損失;因濕潤(rùn)區(qū)向干燥區(qū)的側(cè)向水分運(yùn)動(dòng)而減小深層滲漏。該項(xiàng)技術(shù)具有良好的開發(fā)前景和節(jié)水效果。但這種供水方式對(duì)作物水分利用效率的影響和節(jié)水的機(jī)理以及最優(yōu)供水模式等問題還有待更進(jìn)一步的研究,以期更好的在農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水中發(fā)揮作用。另一方面,在存在土壤次生鹽堿化威脅的地區(qū),是否會(huì)導(dǎo)致土壤鹽分積累,也需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和分析。國內(nèi)外雖然對(duì)非充分灌溉條件下的作物水分生產(chǎn)模型進(jìn)行了大量的研究,并相繼提出了加法模型、乘法模型及加乘混合模型等,但它們大多是缺乏物理意義的統(tǒng)計(jì)回歸分析模型,且水分敏感系數(shù)或指數(shù)在不同地區(qū)和同一地區(qū)不同水文年間的變化較大,因此需要通過對(duì)非充分灌溉條件下作物產(chǎn)量與水分關(guān)系的研究,建立參數(shù)變化比較穩(wěn)定且具有較強(qiáng)物理意義的水分生產(chǎn)模型,還需要考慮不同土壤肥力和鹽分水平對(duì)作物缺水敏感指數(shù)的調(diào)節(jié)作用,以實(shí)現(xiàn)水肥鹽聯(lián)合調(diào)控的目的;同時(shí),需要由研究單點(diǎn)的作物水分生產(chǎn)函數(shù),轉(zhuǎn)向研究區(qū)域范圍內(nèi)的作物水分生產(chǎn)函數(shù)及其分布特征;從傳統(tǒng)地研究小麥、玉米、棉花等大田作物的水分生產(chǎn)函數(shù),轉(zhuǎn)向研究經(jīng)濟(jì)作物水分生產(chǎn)函數(shù);而且對(duì)于不同作物和不同地區(qū)適用的非充分灌溉模式亦需進(jìn)一步的深入研究。關(guān)于有限灌溉水在作物間和作物生育期不同生育時(shí)段間的優(yōu)化分配問題,國外在編制不同虧水度作物生長(zhǎng)模擬模型的基礎(chǔ)上,將作物水分生產(chǎn)模型廣泛地應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)的模擬,提出了各種不同配水計(jì)劃的預(yù)測(cè)效果,制定了相應(yīng)的作物非充分灌溉模式與實(shí)施操作技術(shù);國內(nèi)在這方面雖然也做了大量的研究工作,但大多數(shù)的優(yōu)化配水結(jié)果多是針對(duì)某一具體作物或某一具體灌區(qū)的,到現(xiàn)在還沒有形成比較通用的非充分灌溉設(shè)計(jì)軟件,更無基于網(wǎng)絡(luò)、便于基層水管人員或農(nóng)戶使用的非充分灌溉設(shè)計(jì)軟件。(3)區(qū)域生態(tài)水文過程與水資源持續(xù)高效利用研究得到了廣泛重視,水資源的生態(tài)價(jià)值和生態(tài)需水、水資源系統(tǒng)承載力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程定量模型、分布式水文模型、面向生態(tài)的水資源配置與調(diào)控等研究將會(huì)更加活躍。生態(tài)需水是目前非常熱門和較新的研究課題,但有關(guān)生態(tài)需水的論文還基本停留在介紹一些基本的概念或定義,其計(jì)算方法主要從物理的水量平衡、水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等方面考慮,而且主要是針對(duì)現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)水文條件,沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)和水文過程的相互反饋?zhàn)饔靡约安煌z傳特性物種的水分生產(chǎn)力關(guān)系,還缺乏系統(tǒng)的建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳韺W(xué)、生態(tài)學(xué)和物理學(xué)理論及定量的數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)之上的生態(tài)需水量計(jì)算方法。區(qū)域水循環(huán)研究一直是非常活躍的領(lǐng)域。國際上有關(guān)水文循環(huán)的生物學(xué)方面的研究變得越來越活躍。20世紀(jì)90年代以來,隨著全球水危機(jī)的出現(xiàn),與生態(tài)有關(guān)的可持續(xù)水資源管理已成為當(dāng)今世界水問題研究的熱點(diǎn)之一。水資源與生態(tài)安全研究已上升到全球共同行動(dòng)的高度,將水與生態(tài)結(jié)合起來研究是發(fā)展趨勢(shì),尤其在干旱半干旱區(qū),由于經(jīng)濟(jì)與生態(tài)對(duì)水資源的雙重依賴,水與生態(tài)問題更為密切相關(guān)。如何協(xié)調(diào)和解決經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系以及區(qū)域之間或流域上下游之間用水競(jìng)爭(zhēng)的矛盾,是面向生態(tài)的水資源優(yōu)化配置需要重點(diǎn)研究和解決的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)代決策理論與方法,已從單純追求一個(gè)目標(biāo)最優(yōu)的擇優(yōu)準(zhǔn)則,向著有復(fù)雜系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化的最滿意準(zhǔn)則轉(zhuǎn)變;從單一整體、功能有限的優(yōu)化模型結(jié)構(gòu),向分散的、多層次的且又能協(xié)調(diào)和聚合的多功能模型系統(tǒng)發(fā)展;由“策略導(dǎo)向型”的個(gè)人決策模式,向“決策過程導(dǎo)向型”的群體決策模式發(fā)展。近20年來,國內(nèi)外大系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型的方法有集結(jié)法、大系統(tǒng)遞階分析法,包括多目標(biāo)分解協(xié)調(diào)方法、多目標(biāo)分解聚合法等,近年模擬生物進(jìn)化過程中優(yōu)勝劣汰規(guī)則與群體內(nèi)部染色體信息交換機(jī)制的遺傳算法在處理水資源優(yōu)化分配問題中也有應(yīng)用。此外,由于集總式模型難以反映流域尺度水循環(huán)的空間不均勻性變化和不同地貌單元的水文特性與相互作用以及水資源時(shí)空變化對(duì)生態(tài)演變的驅(qū)動(dòng)作用,如何確定分布式流域模型的有效結(jié)構(gòu)、如何對(duì)水資源利用在分布式模型中進(jìn)行有效表達(dá)、如何在野外對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)定和對(duì)分布式流域模型的柵格參數(shù)率定,確定流域水資源多維調(diào)控的決策方法將是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。(4)高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水現(xiàn)代化管理中的應(yīng)用日益廣泛,3S技術(shù)的應(yīng)用將全面提升農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水管理的現(xiàn)代化水平,數(shù)字水文、數(shù)字河流、數(shù)字渠道、數(shù)字灌區(qū)的發(fā)展將大大促進(jìn)精準(zhǔn)灌溉和水資源精準(zhǔn)調(diào)度的實(shí)踐。3S技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了數(shù)字水文、數(shù)字河流、數(shù)字渠道、數(shù)字灌區(qū)等概念。面對(duì)“數(shù)字地球”對(duì)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水信息化的召喚,建立數(shù)字河流、數(shù)字灌區(qū),以實(shí)現(xiàn)河流和灌區(qū)信息資源在區(qū)域定位基礎(chǔ)上的高度共享,對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展帶來積極而深遠(yuǎn)的影響。隨著GIS空間信息處理技術(shù)及相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件、高性能微機(jī)工作站及數(shù)字地形高程(DEM)等技術(shù)的出現(xiàn),使得與水文水環(huán)境、灌溉水管理等有關(guān)的地理空間資料的獲取、管理、分析、模擬和顯示變?yōu)榭赡堋Ｔ诠鄥^(qū)用水管理中,綜合各種預(yù)測(cè)技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)的灌溉用水計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)已開始在我國灌區(qū)大面積應(yīng)用,使灌區(qū)的灌溉用水實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)用水向動(dòng)態(tài)用水的轉(zhuǎn)變,為提高灌區(qū)水資源的利用率提供了技術(shù)保障。為實(shí)現(xiàn)渠系優(yōu)化配水的要求,應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的渠道水量、流量實(shí)時(shí)調(diào)控的研究也在國內(nèi)外逐步興起。灌區(qū)用水管理系統(tǒng)方面,已逐步轉(zhuǎn)向研究將數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識(shí)庫和地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的灌區(qū)節(jié)水灌溉綜合決策支持系統(tǒng)。特別是近年來發(fā)達(dá)國家已開展了基于田間水肥等生產(chǎn)要素的巨大差異性,利用GPS和GIS、RS和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),精細(xì)準(zhǔn)確調(diào)整灌水施肥的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究,為最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入,充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產(chǎn)潛力創(chuàng)造了條件。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理,首先要有灌溉工程控制設(shè)備的自動(dòng)化,其次有先進(jìn)的系統(tǒng)運(yùn)行軟件對(duì)系統(tǒng)控制問題進(jìn)行決策,從而建立灌區(qū)現(xiàn)代化管理決策支持系統(tǒng),指導(dǎo)灌溉用水過程。2建立水資源調(diào)控體系,建立動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控的理論及方法應(yīng)針對(duì)我國水資源緊缺,生態(tài)環(huán)境脆弱,農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大的現(xiàn)狀,面向我國發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)和建設(shè)節(jié)水型生態(tài)植被的需求,以建立農(nóng)業(yè)與生態(tài)高效用水理論為核心,通過土壤—植物—大氣系統(tǒng)(SPAC)水分運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)控理論、植物適度缺水的補(bǔ)償效應(yīng)和作物水分生產(chǎn)函數(shù)模型等問題的研究,建立植物高效用水調(diào)控與非充分灌溉的新理論;通過不同尺度植物需水估算模型及灌溉節(jié)水潛力計(jì)算方法的研究,建立農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的可控指標(biāo)體系;通過節(jié)水灌溉條件下水量轉(zhuǎn)化理論及尺度效應(yīng)的研究,為不同尺度水轉(zhuǎn)化過程的定量模擬和節(jié)水調(diào)控提供有力的工具;通過植被建設(shè)中的水分承載力與生態(tài)需水計(jì)算方法、農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水配置理論的研究,建立動(dòng)態(tài)多目標(biāo)分解聚合的水資源調(diào)控模型和區(qū)域水資源多維動(dòng)態(tài)調(diào)控的決策方法。在植物高效用水調(diào)控與非充分灌溉理論,節(jié)水灌溉條件下水轉(zhuǎn)化理論及尺度效應(yīng),多種植物組合層次的需水估算及灌溉節(jié)水潛力計(jì)算,節(jié)水灌溉的區(qū)域水土環(huán)境效應(yīng)評(píng)估與調(diào)控等重點(diǎn)領(lǐng)域建立新理論、提出新方法;在新理論指導(dǎo)下開發(fā)出農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水前沿與關(guān)鍵技術(shù)及模型軟件包等,其成果應(yīng)用后,使灌溉水利用率和植物水分利用效率大幅度提升。3科學(xué)問題提出的主要內(nèi)容(1)解決節(jié)水灌溉條件下不同區(qū)域植物(作物和主要生態(tài)建設(shè)用林草)需水指標(biāo)的確定和多種作物組合層次的需水計(jì)算模型及區(qū)域作物需水計(jì)算問題;摸清耕地表面參數(shù)的空間變化對(duì)區(qū)域植物需水影響的定量關(guān)系和陸地衛(wèi)星熱映像(TM)波譜參數(shù)和需水量計(jì)算模型參數(shù)的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系以及器官—植株—群體—景觀生態(tài)等不同尺度的植物需水模型的耦合關(guān)系,建立既有理論基礎(chǔ)、又便于實(shí)際應(yīng)用的區(qū)域植物需水計(jì)算新方法;解決植物個(gè)體水分信息采集、監(jiān)測(cè)、診斷、評(píng)估和區(qū)域植物缺水信息與土壤墑情監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)問題,建立植物缺水信息診斷指標(biāo)體系。探明“不同區(qū)域作物需水和用水結(jié)構(gòu)的區(qū)域分布究竟怎樣,其變化趨勢(shì)如何”,“植物何時(shí)需要補(bǔ)充灌溉,如何通過獲取植物需水信息并實(shí)行精量控制植物用水”的科學(xué)問題。(2)建立不同區(qū)域節(jié)水灌溉條件下土壤水、肥、鹽遷移模型和植物根系吸收養(yǎng)分的動(dòng)力學(xué)模式,解決植物水、肥、氣、熱、鹽環(huán)境聯(lián)合調(diào)控理論和水分養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的尺度轉(zhuǎn)換理論問題,摸清節(jié)水灌溉條件下不同灌水方式和根區(qū)不同濕潤(rùn)方式與供水參數(shù)對(duì)根土微域中水分養(yǎng)分耦合遷移、有效性、水分養(yǎng)分離子傳輸參數(shù)和根系吸收補(bǔ)償功能影響的過程、反饋機(jī)制和定量關(guān)系;了解有限灌溉條件下氮磷營(yíng)養(yǎng)對(duì)作物缺水敏感性指數(shù)調(diào)節(jié)的效應(yīng)與定量關(guān)系及作物水分—養(yǎng)分—產(chǎn)量綜合生產(chǎn)函數(shù)表達(dá)式的確定,為提高作物水分養(yǎng)分耦合利用效率確定最佳作物根區(qū)濕潤(rùn)方式和供水參數(shù)及其供水供肥模式?；卮稹霸诠?jié)水灌溉條件下土壤水分養(yǎng)分如何遷移轉(zhuǎn)化和如何進(jìn)行作物水肥鹽聯(lián)合調(diào)控”的科學(xué)問題。(3)實(shí)現(xiàn)灌溉水—土壤水—植物水—光合作用—生物量—經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量轉(zhuǎn)化過程的定量描述并建立提高各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化效率的節(jié)水調(diào)控理論,提出作物生理節(jié)水潛力—農(nóng)田節(jié)水潛力—區(qū)域節(jié)水潛力的耦合關(guān)系及理論節(jié)水潛力與現(xiàn)實(shí)節(jié)水潛力指標(biāo)體系?；卮稹稗r(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的潛力究竟有多大”的科學(xué)問題。(4)建立考慮下墊面非均勻性與各部分介質(zhì)的相互反饋關(guān)系,能模擬區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、作物布局改變和節(jié)水灌溉發(fā)展、作物生產(chǎn)力提高及生態(tài)植被建設(shè)對(duì)水轉(zhuǎn)化關(guān)系與水平衡要素影響的區(qū)域尺度SVAT水轉(zhuǎn)化與水平衡動(dòng)力學(xué)模式,解決不同尺度水轉(zhuǎn)化模型的耦合和區(qū)域灌溉水利用效率的定量計(jì)算方法以及模型尺度放大與模型參數(shù)的野外原位率定等問題。回答“不同區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、作物布局改變和節(jié)水灌溉發(fā)展、作物生產(chǎn)力提高及生態(tài)植被建設(shè)對(duì)區(qū)域尺度水轉(zhuǎn)化與水平衡關(guān)系究竟有什么影響,其定量關(guān)系如何”的科學(xué)問題。(5)探索不同典型區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化與水平衡因素之間的定量關(guān)系,節(jié)水灌溉對(duì)區(qū)域水循環(huán)的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng);建立區(qū)域尺度水平衡關(guān)系改變的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)定量評(píng)估指標(biāo)體系和方法,評(píng)估因不同區(qū)域節(jié)水灌溉發(fā)展對(duì)區(qū)域水循環(huán)的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)?；卮稹安煌瑓^(qū)域在灌溉農(nóng)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大、農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量增加、節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)植被建設(shè)的同時(shí),所導(dǎo)致的水轉(zhuǎn)化與水平衡關(guān)系改變給區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了什么影響,未來進(jìn)一步影響到什么程度”的科學(xué)問題。(6)建立生態(tài)植被建設(shè)中的水分承載力與流域生態(tài)需水的計(jì)算方法及脆弱生態(tài)環(huán)境下水資源優(yōu)化配置的動(dòng)態(tài)目標(biāo)分解聚合模型及其水資源的多維調(diào)控決策方法,提出系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水配置理論,建立有利于節(jié)水、高效和對(duì)環(huán)境友好的最優(yōu)高效用水調(diào)控模式。回答“如何科學(xué)分配不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水,才能使生態(tài)環(huán)境向良性循環(huán)方向發(fā)展;如何科學(xué)確定合理的節(jié)水灌溉發(fā)展模式與農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)的規(guī)模;如何科學(xué)確定典型生態(tài)脆弱區(qū)節(jié)水型生態(tài)植被結(jié)構(gòu)”的科學(xué)問題。4土壤水分與灌溉高效協(xié)同調(diào)控的理論研究(1)植物需水模型與區(qū)域植物需水分異規(guī)律。研究植物(作物和主要生態(tài)環(huán)境建設(shè)用林草)需水指標(biāo),節(jié)水灌溉條件下不同尺度的植物需水估算方法與模型,多種植物組合層次的需水估算模型,區(qū)域植物需水分異規(guī)律和預(yù)測(cè)方法,典型區(qū)域作物生理節(jié)水潛力—農(nóng)田節(jié)水潛力—區(qū)域節(jié)水潛力的耦合關(guān)系等;通過解決耕地表面參數(shù)的空間變化對(duì)區(qū)域水分信息的影響、遙感信息與區(qū)域需水信息的耦合關(guān)系及穩(wěn)定性、器官—植株—群體—景觀生態(tài)等不同尺度的植物需水模型的耦合等關(guān)鍵與難點(diǎn)問題,建立區(qū)域植物需水估算的新理論與新方法,構(gòu)建中國植物需水?dāng)?shù)據(jù)庫和數(shù)字化植物需水等值線圖。(2)節(jié)水灌溉條件下水轉(zhuǎn)化理論及尺度效應(yīng)。研究節(jié)水灌溉條件下SPAC水分運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系與節(jié)水調(diào)控理論,渠系水量輸送與損失過程模擬和渠系水利用系數(shù)確定方法及調(diào)節(jié)理論,區(qū)域水轉(zhuǎn)化關(guān)系的時(shí)空變化規(guī)律與調(diào)控理論,水轉(zhuǎn)化規(guī)律的尺度轉(zhuǎn)化理論等;通過解決定量描述不同尺度水轉(zhuǎn)化過程的數(shù)學(xué)模型,不同尺度水分傳輸模型與節(jié)水調(diào)控問題的結(jié)合,不同尺度模型的耦合等關(guān)鍵與難點(diǎn)問題,建立節(jié)水灌溉條件下不同尺度水轉(zhuǎn)化關(guān)系和灌區(qū)灌溉水利用率計(jì)算的新方法。(3)植物高效用水調(diào)控機(jī)理與非充分灌溉理論。研究節(jié)水灌溉條件下植物水分生產(chǎn)函數(shù)模型,植物適度缺水補(bǔ)償效應(yīng)與高效用水調(diào)控機(jī)理,作物調(diào)虧灌溉、根系分區(qū)交替灌溉的節(jié)水機(jī)理與效應(yīng),缺水條件下作物非充分灌溉理論、灌溉指標(biāo)與灌溉模式等;解決土壤水—植物水—光合作用—生物量—經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量轉(zhuǎn)化過程的定量描述及提高各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化效率的節(jié)水調(diào)控,植物對(duì)特殊水分脅迫的反應(yīng)與植物生長(zhǎng)補(bǔ)償效應(yīng)的刺激等關(guān)鍵與難點(diǎn)問題,建立主要作物調(diào)虧灌溉、根系分區(qū)交替灌溉和非充分灌溉的控制指標(biāo)與調(diào)控模式。(4)節(jié)水灌溉條件下土壤水肥鹽遷移模型與植物水肥鹽環(huán)境聯(lián)合調(diào)控理論。研究節(jié)水灌溉條件下土壤水、肥、鹽遷移模型和作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型;建立考慮土壤養(yǎng)分和水流狀況、植物根形態(tài)以及根系吸收養(yǎng)分的機(jī)制性模型,探索作物養(yǎng)分吸收的數(shù)值計(jì)算方法;研究灌水方法和灌溉制度、灌水定額和灌水次數(shù)以及灌水技術(shù)參數(shù)改變對(duì)土壤水分和養(yǎng)分運(yùn)移及作物水分養(yǎng)分利用效率的影響;探索不同埋深、不同初始土壤含水量、不同灌水量以及不同滴孔流量對(duì)土壤水分養(yǎng)分遷移與分布以及作物水分養(yǎng)分利用效率的影響;從提高作物水分養(yǎng)分利用效率和減少地下水環(huán)境污染出發(fā),提出最優(yōu)灌水技術(shù)參數(shù)組合和不同節(jié)水灌溉標(biāo)準(zhǔn)條件下農(nóng)田洗鹽用水定額的確定方法。為促進(jìn)作物對(duì)水分養(yǎng)分的耦合高效利用以及調(diào)控最優(yōu)的作物水肥鹽環(huán)境提供科學(xué)的理論和方法。(5)提高田間灌水效率的理論。研究地面灌溉條件下水流在田間推進(jìn)的過程與定量模擬模型;多孔管道水力學(xué)模擬;噴微灌灌水器出流過程和水流運(yùn)動(dòng)模擬;土壤氣阻對(duì)灌溉水流入滲的影響機(jī)理與模型;渾水入滲特征與模擬;膜孔灌點(diǎn)源入滲特性及膜孔灌田面水流運(yùn)動(dòng)特性;灌水均勻度計(jì)算新方法以及提高不同灌水方法灌水均勻性途徑等。所涉及的關(guān)鍵與難點(diǎn)問題是地面灌溉條件下水流在田間推進(jìn)過程與氣阻對(duì)水流入滲影響以及膜孔灌點(diǎn)源入滲的定量模擬。(6)區(qū)域尺度土壤墑情與灌溉用水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)理論。研究區(qū)域土壤遙感監(jiān)測(cè)信息與土壤水分分布的關(guān)系,建立區(qū)域土壤墑情預(yù)報(bào)理論;研究數(shù)字渠道系統(tǒng)(應(yīng)用GIS技術(shù),對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行編碼,實(shí)現(xiàn)精確定位,建立數(shù)字渠道系統(tǒng),動(dòng)態(tài)顯示各級(jí)灌溉渠系及各配水點(diǎn)的特征參量);灌溉渠系非恒定流仿真技術(shù)與模擬模型及灌溉系統(tǒng)水量流量實(shí)時(shí)調(diào)控理論與方法;灌溉水源模糊人工網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型和灌溉預(yù)報(bào)。需解決的關(guān)鍵問題是基于現(xiàn)代信息技術(shù)的灌溉渠系非恒定水流的仿真模擬,渠系動(dòng)態(tài)優(yōu)化配水模型與實(shí)時(shí)調(diào)控理論。(7)植被建設(shè)中的水分承載力與節(jié)水型植被建設(shè)的生態(tài)水文效應(yīng)。研究區(qū)域天