基于優(yōu)化灌溉制度模擬的作物對地下水利用研究進展

章啟兵 劉 猛 王 輝

一、引言

“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路賦予了新時期治水的新內(nèi)涵、新要求、新任務(wù)。節(jié)水優(yōu)先是新時期治水工作必須始終遵循的根本方針。這是在吸取世界各國發(fā)展經(jīng)驗和教訓(xùn)，對我國國情水情深刻分析研究后作出的科學(xué)選擇。為推進實行最嚴(yán)格水資源管理制度，確保實現(xiàn)水資源開發(fā)利用和節(jié)約保護的主要目標(biāo)，嚴(yán)格用水總量控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污“三條紅線”，著力挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，迫切需要改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式。要實現(xiàn)節(jié)水型農(nóng)業(yè)需從過去充分滿足作物豐產(chǎn)灌溉用水的舊觀念中走出來，圍繞優(yōu)化灌溉制度等方面研究農(nóng)田灌溉的經(jīng)濟用水問題，以便能在向農(nóng)田供給總灌溉水量一定的條件下，通過灌溉水量的合理分配，獲得最大的效益，或者在獲得同等效益時使耗費的灌溉水量最小。

在土壤—植物—大氣連續(xù)體SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continum）中作物對地下水的吸收利用是其中重要環(huán)節(jié)，作物對地下水利用是地下水通過土壤毛管作用向作物根系層運動被作物所利用的那部分騰發(fā)量，主要與地下水埋深、土壤質(zhì)地等因素有關(guān)，影響因素多且相互間的關(guān)系比較復(fù)雜。在地下水埋深較淺的地區(qū)，土壤—植物—大氣連續(xù)體中的水分因自然和人為作用必然要和地下水發(fā)生聯(lián)系，不同埋深地下水對土壤水分分布和農(nóng)作物產(chǎn)量、水分利用效率等有著不同程度的影響。定量研究地下水對SPAC系統(tǒng)水分過程、生物過程和能量過程等的作用和影響，對于深入分析包氣帶水分運移規(guī)律和科學(xué)利用地下水、制定合理優(yōu)化的灌溉制度方案以及農(nóng)田水資源調(diào)控等具有重大的科學(xué)意義。本文從優(yōu)化灌溉模型、作物對地下水利用等關(guān)鍵技術(shù)方法方面總結(jié)現(xiàn)有的成果和相關(guān)研究趨勢，為地下水淺埋區(qū)節(jié)水灌溉模式、農(nóng)田水資源調(diào)控等領(lǐng)域的研究提供參考和思路。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究進展

1.優(yōu)化灌溉制度模型研究進展

優(yōu)化灌溉制度是將一定灌溉水量在作物各生育階段進行合理分配的多階段決策過程，確定作物優(yōu)化灌溉制度的模型方法有線性規(guī)劃（LP）、非線性規(guī)劃（NLP）、動態(tài)規(guī)劃（DP）、隨機動態(tài)規(guī)劃（SDP）、模糊動態(tài)規(guī)劃模型（FDP）、大系統(tǒng)遞階模型等。DP模型一般將階段初可用灌溉水量與土壤含水率作為狀態(tài)變量，各階段灌溉水量為決策變量，SDP模型在該基礎(chǔ)上將降雨等不確定因素作為隨機變量處理。張展羽等基于Morgan模型，用二維DP模型求解了冬小麥的最優(yōu)灌溉制度。崔遠來等以作物水分生產(chǎn)函數(shù)為依據(jù)，用隨機動態(tài)規(guī)劃（SDP）模擬凈灌水量在作物各個生育階段的最優(yōu)分配，實現(xiàn)了對單一作物灌溉制度的優(yōu)化。付強等以改進的加速遺傳算法（RAGA）與多維動態(tài)規(guī)劃法（DP）相結(jié)合，建立了遺傳動態(tài)規(guī)劃模型（RA-GA-DP），解決了在求解作物非充分灌溉制度優(yōu)化過程中陷入局部最優(yōu)而難于得到真正最優(yōu)解的問題。模擬優(yōu)化模型及水量平衡模型也應(yīng)用到灌溉制度的模擬和評價中，尚松浩在水量平衡模型及作物生產(chǎn)函數(shù)的基礎(chǔ)上建立了作物灌溉制度的模擬優(yōu)化模型，并利用單純形搜索法求解北京地區(qū)冬小麥返青后的最優(yōu)灌溉制度。溫季等為了考慮隨機因素（氣象因素等）對冬小麥灌溉的影響，用時間序列方法建立了蒸發(fā)蒸騰量的隨機模型，并將其導(dǎo)入田間水量平衡方程，推導(dǎo)出冬小麥灌溉的隨機模擬模型。陳皓銳等提出冬小麥根層土壤水量平衡的系統(tǒng)動力學(xué)模型，為獲取冬小麥根系層水量轉(zhuǎn)化情況，采用系統(tǒng)動力學(xué)的建模思想和Vensim軟件構(gòu)建了冬小麥一維逐日土壤水量平衡模型。模型將2m土層概化為十個串聯(lián)的水箱，計算了灌溉降雨后的土壤水分下滲、土壤蒸發(fā)、作物蒸騰、毛管上升補給和水分重分配等物理過程。章啟兵采用離散微分動態(tài)規(guī)劃法（DDDP）建立安徽淮北平原區(qū)主要旱作物優(yōu)化灌溉制度模型。湯廣民等依據(jù)安徽水科院新馬橋農(nóng)水綜合試驗站作物水分生產(chǎn)函數(shù)專項試驗資料建立了小麥等4種主要農(nóng)作物的作物—水模型和作物優(yōu)化灌溉制度的數(shù)學(xué)模型，分析確定了經(jīng)濟灌溉定額以及優(yōu)化灌溉的節(jié)水增產(chǎn)效果。

2.作物對地下水利用研究進展

由于地表蒸發(fā)和作物蒸騰作用，淺埋地下水能補給土壤一定的水量以滿足作物根系吸水。地下水補給土壤的水量或作物對地下水的利用量實際是指在有作物覆蓋情況下的潛水蒸發(fā)。此部分水量從不能被作物直接利用的地下水轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀蛔魑镂绽玫耐寥浪瑢p少灌溉定額，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，對擬定灌溉制度等具有一定的指導(dǎo)意義，對地下水埋深較淺的黃淮海平原地區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)也具有重大的實際意義。

在地下水淺埋地區(qū)，地下水可通過毛管上升而補給包氣帶土壤，作物根系的吸水作用大大加快地下水向包氣帶土層水分運動的強度。地下水通過影響作物的根系生長，進而影響作物的根冠關(guān)系和灌層的光合作用，對作物的水分利用效率和作物產(chǎn)量發(fā)生作用。Wesseling等認為地下水過淺時減少了根系的氧氣供給，從而限制了作物的養(yǎng)分吸收和生長。Shin對地下水埋深為0.30m、0.60m、0.85m時甜高梁的生長研究表明，甜高梁的產(chǎn)量與地下水埋深成負相關(guān)關(guān)系。一些研究表明對于地下水作用下作物產(chǎn)量和地下水埋深之間存在一個最優(yōu)的地下水埋深，這一最優(yōu)地下水埋深是作物、土壤和氣候的函數(shù)。Hiler等對不同地下水位埋深時高粱的產(chǎn)量研究表明地下水位埋深為0.90m時高粱產(chǎn)量最高。Cavazza等發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.25m時，冬小麥產(chǎn)量最高，地下水埋深大于1.25m時，如果不進行人工灌溉，冬小麥產(chǎn)量會降低。楊建鋒就淺地下水埋深區(qū)潛水對SPAC系統(tǒng)作用進行了初步研究，結(jié)果表明，在地下水埋深較淺的地區(qū)，潛水參與和影響了SPAC系統(tǒng)的水分、生物、化學(xué)等過程。潛水通過控制土壤水分分布影響冬小麥根系發(fā)育和冬小麥產(chǎn)量，對于冬小麥，在沒有灌溉的條件下，存在著一個最優(yōu)地下水位埋深，約在1.5m左右。陳建耀等利用大量水平衡因子的實驗數(shù)據(jù)就潛水蒸發(fā)量對蒸散的貢獻進行了研究，結(jié)果表明潛水蒸發(fā)與作物蒸散發(fā)的關(guān)系非常復(fù)雜，當(dāng)?shù)叵滤粸?.89～2.65m，潛水蒸發(fā)對蒸散發(fā)的貢獻份額平均約為17%。王曉紅等通過開展不同地下水埋深條件下冬小麥和玉米全生育期潛水蒸發(fā)實驗，探討淺埋深地下水對作物生長規(guī)律的影響。實驗表明，在地下水淺埋地區(qū)地下水對作物的生長過程有著明顯的影響作用。地下水埋深的不同導(dǎo)致了主根的下扎深度和側(cè)根與分枝根在不同層次上的分布密度有很大差異，地下水通過影響作物的根系生長，進而影響到作物耗水規(guī)律、作物的水分利用效率及作物地上部分的生長發(fā)育。張朝新利用安徽省水科院五道溝實驗站地中蒸滲儀觀測設(shè)備對旱作物對地下水利用進行了研究，表明作物對地下水利用量是非常可觀的，從多年平均值來看，在適宜生長的地下水埋深的范圍內(nèi)，早作物對地下水利用量一般占蒸發(fā)蒸騰量的50%～70%，其中小麥占60%～85%，黃豆占50%～87%，玉米占60%～87%。楊鵬年等研究了淺層地下水對灌溉的補償效應(yīng)，利用Hydrus軟件對不同地下水埋深下膜下滴灌棉花生育期耗水量進行了模擬。研究揭示地下水對棉花的耗水具有一定的補償作用，地下水埋深越淺，灌溉定額越小。

三、研究展望

以往優(yōu)化灌溉制度主要研究一定的水量如何在作物的生育期進行合理分配，以實現(xiàn)作物產(chǎn)量最大或效益最高的目標(biāo)。農(nóng)作物優(yōu)化灌溉制度及水資源優(yōu)化分配模型研究中存在僅考慮經(jīng)濟效益而忽略生態(tài)環(huán)境效益、農(nóng)業(yè)用水效率較低、模型中指數(shù)取值研究不足等問題，今后在農(nóng)作物水資源優(yōu)化分配模型的相應(yīng)研究中，應(yīng)考慮多目標(biāo)規(guī)劃模型及生態(tài)影響目標(biāo)，在優(yōu)化灌溉制度模型中嵌套作物對地下水利用模型，并運用決策支持系統(tǒng)來進行水資源優(yōu)化，發(fā)展多作物優(yōu)化組合及優(yōu)化配水模型，從而為確定區(qū)域節(jié)水模式和水資源承載能力及生態(tài)環(huán)境改良提供更加科學(xué)合理的依據(jù)。因此，今后應(yīng)在以下幾個方面加強研究：

1.作物根系吸水模型研究

構(gòu)建科學(xué)合理的根系吸水模型可定量化研究模擬植物根系吸水情景并準(zhǔn)確估算植物根系吸水量，根系吸水模型從機理上闡釋了根對土壤水分的吸收，能夠描述根區(qū)微域內(nèi)土壤水運動規(guī)律，也有助于深刻理解和描述植物的需水特性和水分來源。

根系在吸水過程中充當(dāng)重要角色，決定著作物持續(xù)吸水的時間和區(qū)域，控制著根吸收水分的速率在土壤剖面上的相對強度。無論根系是主動還是被動吸水，均需克服土壤阻力、土根界面阻力及根的徑向、軸向阻力，而這些阻力大小和分布與根系特性及生長、分布狀況具有密切關(guān)系。此外，根系大小還會改變土壤有效含水量和臨界土水勢，從而影響作物利用水分狀況及抗旱能力。

在SPAC系統(tǒng)中水分運移是其中一個重要的子系統(tǒng)，而在這個子系統(tǒng)中，水分運動定量描述的關(guān)鍵在于確定根系吸水率的大小及其在剖面上的分布。因此需加強微觀和宏觀尺度作物根系吸水模型的深入研究。

2.地下水與SPAC系統(tǒng)耦合機理研究

淺層地下水對SPAC系統(tǒng)的水分過程和生物過程都有著顯著的影響，淺層地下水參與和影響了SPAC系統(tǒng)中水分運移和能量分配的物理過程，作物生長和根系發(fā)育的生物過程，農(nóng)藥化肥等化學(xué)物質(zhì)運移、轉(zhuǎn)化和積累的化學(xué)過程。SPAC系統(tǒng)應(yīng)向地下水含水層擴展和延伸，將地下水含水層與土壤—植物—大氣連續(xù)體納入到統(tǒng)一體系中構(gòu)成地下水含水層—土壤—植物—大氣連續(xù)體（Groundwater aquifer-Soil-P1ant-Atmosphereontinuum，GSPAC）。構(gòu)建GSPAC系統(tǒng)的關(guān)鍵在于將地下水的作用耦合嵌入到統(tǒng)一模型中。開展地下水與SPAC系統(tǒng)耦合機理研究，深入闡明淺層地下水參與SPAC系統(tǒng)水分過程、生物過程和化學(xué)過程的機理，能夠更加系統(tǒng)全面地掌握地表水文過程、含水層中地下水流動過程以及農(nóng)田尺度下SPAC過程的相互影響。

3.地下水埋深對作物影響機理研究

地下水埋深影響作物土壤水分吸收和鹽份運移，影響作物生長發(fā)育狀況和最終產(chǎn)量。作物產(chǎn)量隨地下水埋深變化只是地下水對作物生長發(fā)生作用的外在表現(xiàn)，問題的實質(zhì)是土壤水分布控制著作物干物質(zhì)的積累與分配和作物對水分的有效利用。開展地下水埋深對作物根系土壤水分和鹽分運移的影響、地下水埋深對作物生長發(fā)育的影響、地下水埋深對作物產(chǎn)量的影響、地下水補給通量、根區(qū)土壤儲水量和作物騰發(fā)量關(guān)系等相關(guān)實驗研究，揭示地下水埋深對作物影響機理，在闡明機理的基礎(chǔ)上，可以通過調(diào)控地下水埋深來協(xié)調(diào)作物根冠關(guān)系，提高作物水資源利用效率，促進和優(yōu)化干物質(zhì)的積累和分配