论我国设施农业节水灌溉研究现状及其发展前景

1. 引言

农业发展进入了从传统农业向现代农业转化的新阶段，优质、高产、高效已成为现代农业的发展方向。在这一过程中，设施农业发挥着重要作用。我国设施农业面积虽居世界首位，目前全国设施园艺面积已超过210 万公顷，但产量仅为世界先进水平的1/3。其中的一个重要原因是设施内灌溉技术落后，严重影响设施内的环境状况，使其未能充分发挥节水增产的巨大作用。设施内的水分调控必须依据作物种类、品种和各生育期对设施内空气湿度和土壤湿度的要求进行适时、适量的调节控制。Hillel 指出，节水灌溉理论研究的根本目的并非单纯节约用水，而是通过供水和其它环境变量的优化提高劳动生产率。从这个意义上，国外更多把节水灌溉称为如何高效用水。节水农业的最终目的是提高单位水资源的农业产出效率，在农田尺度上就是提高作物对土壤水分的利用效率，即消耗单位土壤水量而获得的经济产量。

灌溉是温室作物栽培中唯一水分来源，灌溉用水消耗量大。温室设施是一个半封闭体系，与大田作物栽培相比较，湿度高，室内风速度较低，水分－土壤－植物－空气有着独特的封闭性特点。因此，在充分利用灌溉水效率基础上，按需精量灌溉策略成为设施园艺作物水分管理的重要内容，在一天中，根据环境条件决策灌多少（即灌溉量）、根据作物需水信息决策什么时候灌（即灌溉时机）是温室作物生产灌溉管理中需要确定的两大基本问题。因此研究温室设施中作物节水灌溉理论与技术，同时结合温室湿度控制策略，有效控制实施温室作物灌溉量，缓和温室高湿环境的矛盾，这对指导温室作物精量灌溉与按需灌溉，进一步提高灌溉水的利用率和生产效率，改善温室作物的生长环境，以及改善作物品质与提高产量均具有十分重大的意义。

2.温室作物需水规律研究

研究设施栽培条件下作物需水量及其变化规律，是做好设施农业节水灌溉、精量按需灌溉的前提和基础。温室目前主栽蔬菜（如黄瓜、蕃茄等）需水量的研究工作起步较晚，相对大田作物而言，没有一套成熟的计算方法。

随着节水灌溉理论研究的进一步发展，国内学者开始对温室栽培作物的灌水上限进行试验研究，并提出了不同蔬菜的灌水上限。贺忠群等[1]采用水分张力计控制滴灌系统对温室黄瓜开花结果期适宜灌溉土壤水分上限进行了研究，确定适宜的灌溉上限、灌溉次数和灌溉量（可参考：《浅谈节水灌溉》）。

认为秋延后温室黄瓜栽培在滴灌条件下，开花座果以灌水上限为90%，灌水次数10 次，总灌溉定额为1934.76m3/hm2 为宜。王绍辉等[2]对不同土壤含水量对日光温室黄瓜生理特性影响进行了试验研究，结果表明，当土壤含水量为饱和含水量的85－90%时，根系活力较高，光合速率较强，气孔阻力较小；当土壤含水量达到饱和含水量的55－60%时，黄瓜植株容易发生水分胁迫。部分学者[3,4,5]也研究了温室－作物－环境体系中水热耦合问题，讨论了温室中影响作物生长的水分和热量在温室中的流动和作物的需水规律和灌溉指标。

因此，通过试验研究和分析，确定节水灌溉条件下作物的灌溉指标是温室设施作物节水灌溉理论研究需要解决的首要问题。但局限的是，大多数学者均是针对作物某一具体生长阶段进行试验研究，缺乏对全生育期内作物的需水规律进行实验研究，并建立作物的需水量与环境参数之间的变化关系；同时由于地域和气候差异，缺乏不同地域和不同棚型的数据验证，从而局限了节水灌溉技术的推广。

将作物水分生理调控机制与作物高效用水技术紧密结合开发出诸如调亏灌溉（RDI）、分根区交替灌溉（ARDI）和部分根干燥（PRD）等作物生理节水技术，可明显地提高作物和果树的水分利用效率。陈新明、蔡焕杰等[6]提出了局部控水灌溉温室大棚番茄需水耗水信息研究，比较了正常灌溉和局部控水灌溉情况下，研究了番茄的根须数量、气孔导度、叶水势和蒸腾速率变化，并比较了番茄生育期的耗水量和产量，认为局部灌溉虽然减少了番茄的根须数量，降低了番茄叶片光合速率蒸腾速率、气孔导度和叶水势，但提高了番茄的根系吸水力和根冠比，抑制了番茄的无效生长，同时可以降低温室内湿度，增加了土壤的通透性，减少了作物病虫害，可以使番茄的品质得到明显改善，提高了水分生产率，实现以水调质功效，从而为研究适合不同地区的非充分灌溉制度提供基础数据和支撑。作物调亏灌溉的发展和实施对温室农业的发展和精确农业的应用具有重要意义。

3.温室作物灌溉决策的定量指标研究

在温室设施内，考虑土壤-作物-大气连续体（SPAC），用于灌溉决策的定量指标有3 种：

1） 根据土壤水分状况确定灌溉时间和水量，考虑的因素包括不同作物适宜水分上下限、不同土壤条件、土壤水量平衡方程及参数选择等；

2） 根据作物对水分亏缺的生理反应信息来确定是否需要灌溉，常用的指标包括作物冠层温度相对环境温度的变化、茎果缩涨微变化、茎/叶水势、茎流变化等；

3） 根据作物生长的小环境气象因素的变化确定灌溉的时间和作物的灌水量，通过气象因素确定作物的蒸腾蒸发量来进行灌溉决策。

3.1土壤指标

利用土壤信息控制作物灌溉量可以间接得出作物的需水信息。包括土壤含水量和土水势两方面。用土壤含水量诊断作物缺水已较为成熟，主要包括称重法、电阻法、时域反射仪、射频反射仪等，实时监测土壤水分。目前在温室设施内应用较多的是采用时域反射仪（TDR）、张力计进行土壤水分和水势监测。以土壤水分运动和平衡为中心的土壤－作物－大气系统模拟，从简单的水均衡模型到复杂的水动力学模型，但在模拟作物生长和蒸腾与土壤水分有效性方面较差，且基本上不考虑地上部分作物生长以及光合作用对地下根系生长和吸水的影响。

3.2 作物指标

同土壤水分的变化相比，作物生长器官如叶、茎、果等的形态或生理变化，则可以更直接、快速、灵敏地反应植物体内水分状况，合理的灌溉应以作物的生长情况和需水信息指标为依据。主要包括植株外观形态指标（如叶面积系数、叶片颜色和厚度、叶片卷曲等）、根－茎－叶水势、茎流、冠层－气温差、图像纹理和光谱特征指标、茎秆、果实微收缩量、植株电特性等方面[7]。

对水势的研究上，主要是考虑在不同的水分处理条件下，研究水势随时间和空间的变化规律，同时，结合作物叶面积指数、叶绿素及作物干物质积累及水分利用效率等参数进行比较，确定土壤适宜的含水量[8，9]。贺忠群等[10]采用水分张力计控制滴灌系统对温室黄瓜开花结果期适宜灌溉土壤水分上限进行了研究，分析了不同水分处理条件下叶水势的变化关系。

鲍一丹等[11]结合叶片电特性（电容）与叶水势对玉米植株进行了缺水度的实验，能较好地反映植株干旱程度的变化。康绍忠等[12]研究了主要农作物不同生育期对不同程度水分胁迫的反应，以土壤基质势代替叶水势作为调亏灌溉 （RDI） 的指标，同时认为叶水势对土壤含水量有一明显的阈值反应。

在温室作物灌溉控制系统中，茎流不单独作为一个指标进行研究，一般与作物冠层的蒸腾速率结合在一起研究作物的需水信息。谢华等[13]通过田间试验和理论计算， 用茎流计研究了冬小麦的蒸腾规律。彭致功等[14]系统地研究了日光温室内茄子的茎流变化规律及其与环境因子之间的关系。伍德林[15]、李国臣等[16]分析了不同供水条件下的黄瓜茎流日变化规律及环境因素对茎流变化的影响，提出了基于作物茎流变化的作物亏水诊断方法。

根据茎直径变化来反映作物水分状况因为具有不破坏植株组织、适合长期自动监测的优点，在自动灌溉领域已引起广泛的关注[17,18]。国内以作物茎、果的微变化信息作为检测方法，采用位移传感器研究植株茎、果形态微变化作为作物需水信息进行自动控制灌溉的可行性已得到广泛研究[17-22]。

由于各种作物在形体、生理等方面有较大差异，种类作物对水分亏缺的响应不同，同时作物的生理变化不仅仅只与水分相关，同时取决于温室设施内微环境因子的变化和土壤肥力及病虫害等，从而作物各种水分指标在实际应用中有很大的变异性、适用性和局限性。

3.3气象指标

以影响作物生长的温室内气温、空气湿度、光照等基本的气象信息为输入变量，计算温室内蒸发蒸腾量，以判断作物需水量。温室中蒸腾速率是反映作物需水状况的基本信息，一般与土壤含水率一起，作为传统的作物亏水指标，来反映作物需水程度和土壤的供水强度。

在蒸腾速率的计算尺度上，目前温室内作物的蒸腾计算主要局限于单株作物的叶片或者是冠层的蒸腾强度计算，以及植株蒸腾的日变化规律。计算公式一类是采用参考作物腾发量乘以作物系数，另一类是采用能量平衡法如Penman-Monteith 模型来模拟计算温室作物蒸腾速率的研究[23,24]。由于室内风速一般小于0.5m/s，空气混合并不均匀，导致室内温度、湿度空间分布差异较大，植株不同位置的蒸腾强度变化也大，在采用该指标用来判断作物缺水度时需注意这种差异性。近年主要探讨作物蒸腾与其它指标的相互影响关系。温室环境条件下，这种基于实验数据建立作物蒸腾量从而估计作物需水量的建模方法，对作物的水分和营养供应来说，实质是一种开环控制，没有考虑室外气候参数以及室内半封闭环境条件发生变化对作物蒸腾带来的影响。这导致在对作物蒸腾速率进行估算进而安排作物灌溉量时会带来一定的误差。

4.作物需水信息检测装置研究

目前，在以下作物需水信息与精量控制灌溉技术方面进行了尝试和探索：1）研究作物对水分亏缺信息的感受、传递与信号转导的过程，建立作物水分信号诊断指标体系，获得利用作物茎杆变形测量、作物电特性等指标诊断作物缺水状况的新技术与新产品；2）研究作物水分区域分布监测技术和作物蒸腾过程快速监测技术，提出区域土壤水分空间变异性与最佳动态监测布点方式和区域土壤墒情监测预报技术，获得土壤水分动态快速测定与预报技术及新产品；3）以土壤墒情监测预报、作物水分动态监测信息与作物生长信息的结合为基础，研究运用模糊人工神经网络技术、数据通讯技术和网络技术建立具有监测、传输、诊断、决策功能的作物精量控制灌溉系统，研制开发智能化的灌溉信息采集装置和智能化的灌溉预报与决策支持软件[25]。如李国臣等[26]开展了作物茎流变化规律的分析并应用到作物水分亏缺应用上；杨世凤等[27]通过检测作物蒸腾量的变化速率和声发射的变化关系检测作物水胁迫的程度并应用于作物的视情节水灌溉方面；张兵等[28]以太阳辐射、空气湿度、风速、空气温度为决策变量建立了作物需水量神经网络预测系统，又以作物需水量和土壤湿度建立了作物灌水量模糊推理系统。Zhang Naiqian[29]对土壤湿度无线传感器进行研究，采用频率响应测定了土壤的湿度和盐分，并应用该无线传感器开发了一套土壤湿度监控系统。

近年来国内相继开展了作物叶片图像特征和光谱特征与作物缺水度之间的关系，利用图像特征和光谱特征来判别作物的需水程度，并在此基础上构建温室作物水肥灌溉控制系统。1989年，Hashimoto[30]就提出了SPA （Speaking Plant Approach） 的控制新思想。实现SPA 控制的关键是利用先进的传感器，实时准确采集作物生长信息。开发视觉传感器和控制系统，采集温室作物生长信息也已经成为国内外研究的热点。目前在国内，利用计算机视觉技术进行温室作物生长监测方面的研究才刚刚展开[31]。赵杰文等[32]对蔬菜叶片的近红外图像的纹理特征值与其含水率之间的关系进行了一些基础性的研究。张宪法等[33]粗略的观察叶片的颜色、仰角来作为灌溉的形态指标。滕光辉等[30]利用量测叶冠投影面积来对黄瓜幼苗进行生长检测，取得了比较好的效果。

温室作物灌溉策略研究，目前主要开展了温室作物灌溉的决策支持系统，即在实际的温室作物生产过程中，针对不同的温室环境因子，选择合适的灌溉需水信息指标，智能决策出灌溉量理论值，从而实现温室设施内的节水灌溉和精确灌溉。黄红霞[34]、胡宏劫[35]等开发了温室黄瓜灌溉量的决策支持系统，可以实现对温室内黄瓜蒸腾速率的日变化和季节变化、不同叶位蒸腾速率的变化以及不同环境因子条件下蒸腾速率变化提供决策支持，同时，可以对不同季节条件下温室黄瓜栽培灌溉量提供决策支持。在温室设施作物节水灌溉控制策略和智能管理方面进行了有益的尝试。

5.温室设施湿度控制策略研究

随着无公害作物生产发展的需要，温室设施环境调控由以温度调控为核心逐渐向温、湿度控制并重的方向发展。在灌溉实施和管理过程中，应该考虑作物生长湿度要求以及灌溉对设施湿度的影响程度。目前，温室中湿度控制主要涉及两个方面：为了避免作物叶片表面结露，而这一点很容易滋生作物真菌类病害；为了防止作物非常低的蒸腾速率，过低的蒸腾速率会导致作物中钙元素的亏缺从而会引起作物发育的异常[36]。前者取决于室内空气的含湿量、RH 的值与叶片表面结露量（与叶片温度有关），后者主要与VPD 大小有关，相关湿度量的变化取决于温室的湿度控制策略。

5.1湿度设定值控制策略

在环境控制过程中，根据作物在不同生长阶段生长发育的湿度要求，限制含湿量（或者是RH，或者是VPD）参数在预先设定值内，以设定值作为控制的边界条件，通过控制系统相配套的运行装置来对温室生产的环境因子温、光、湿、气、水和风等进行综合调控，国内设施温室控制一般均采取这种策略[37]。一般对湿度的调节是通过加热或者是通风操作来实现，缺乏直接的方法去控制温室内的湿度状况，这往往会增加温室的能耗与生产成本。

5.2蒸汽压差控制策略

控制作物－空气之间的蒸汽压差或者是冠层－空气之间的蒸汽压差既能减少植株水分消耗，同时能维持叶片气孔一定开度以保证CO2 和水分的交换速率。一种方法是直接设定温室内环境的蒸汽压差；另一种可行的方法是，对于不加湿条件下，由于作物蒸腾过程是温室内主要水汽源，可以通过限定作物的蒸腾速率来控制灌溉量和调节室内湿度状况。选择合适的蒸腾速率计算公式，把RH（或者是VPD）表达成蒸腾速率的函数关系，通过设定的蒸腾速率，转化成对湿度的设定要求。在计算作物蒸散量模型中，有把白天或夜里的气孔阻力考虑成常数的倾向[38]，这会导致预测精度和准确性降低。而且在模型建立过程中，对于不同的假设将导致在预测湿度和蒸散强度时出现很大的差异，但这种差异性缺乏实验验证。对于不同的作物和作物生长的不同阶段，如何选取合适的VPD 值甚为关键。

5.3基于过程的湿度控制策略

首先，确定温室内栽培的作物与湿度相关的生理和生态过程：作物水分胁迫，钙缺乏，作物生长发育，通过空气传播的真菌类病害等方面。其次，确定每一过程中影响的主要湿度量，即是含湿量，是RH 还是VPD。最后，针对每一过程中，根据控制的要求，确定相应的湿度阈值。这种策略比单纯的固定的RH 设定值控制要节能的多，同时作物总的光合产物量要明显增加[39]。

6.结论与建议

温室内作物灌溉决策主要是解决两方面问题，即何时灌和灌多少。合理节水灌溉技术的关键是以适量的水进行适时灌溉，既能满足作物对水的需要，又不致造成温室土壤含水量和空气湿度过大。目前，设施农业中作物栽培以蔬菜和花卉为主，目前对它们的需水规律的研究比较零散，还没有取得可供推广应用的成果[40]。表征作物水分信息的众多指标，因基本原理和操作可行性有其特定的适用性和局限性，在选取合适的作物需水信息指标和灌溉决策指标上，多数只是考虑了土壤－植物－空气－环境连续体中某一个因素或某两个因素进行作物水分研究和旱情诊断，缺乏多指标的综合。环境调控系统中只注重光照、温度环境因子调节，湿度对作物生长、品质的影响及调控重视不够。

因而，在灌溉决策中对作物、土壤、气象复合系统做出综合性的分析和判断， 将是今后温室作物灌溉管理工作中的难点和新点。即在温室设施内，将土壤、作物和设施环境作为一个连续体[40]，研究作物根系吸水、水分在作物体内的传输和水分蒸腾散失过程，从系统角度研究温室设施内水分迁移规律，同时考虑在灌溉实施过程中作物对灌溉的响应以及对温室内微环境的影响，从而真正实现设施农业的按需灌溉，实现温室设施作物栽培过程中环境控制、节水、增产和降低能耗并行之目的。同时进行农学、植物生理、环境控制、工程技术等学科知识相互结合，有效开展温室设施作物试验测试装置和研究方法的创新。

参考文献

[1] 贺忠群，邹志荣，陈小红，等.温室黄瓜节水灌溉指标的研究[J].西北农林大学学报(自然科学版)，2003，31(3) ：77-80.

[2] 王绍辉，张福墁.不同土壤含水量对日光温室黄瓜生理特性的影响[J].中国蔬菜，2000（增刊）：26-29.

[3] 何华, 杜社妮, 梁银丽, 等. 土壤水分条件对温室黄瓜需水规律和水分利用的影响[J]. 西北植物学报,2003, 23: 1372-1376.

[4] 张辉，张玉龙，虞娜，等. 温室膜下滴灌灌水控制下限与番茄产量、水分利用效率的关系[J]. 中国农业科学, 2006, 39(2): 425-432.

[5] 诸葛玉平, 张玉龙, 李爱峰,等. 保护地番茄栽培渗灌灌水指标的研究[J]. 农业工程学报, 2002, 18(2):53-57.

[6] 陈新明，蔡焕杰，单志杰，等.局部控水灌溉温室大棚番茄需水耗水信息研究[C]. 中国农业工程学会学术年会论文集第V 分册，2005：119-123.

[7] 伍德林,毛罕平.温室作物需水信息指标及湿度控制策略研究进展[J]. 中国农村水利水电, 2007, 1: 35-40.

[8] 邵孝侯，俞双恩，姜翠玲.土壤水势对冬小麦干物质累积、矿质营养和产量的影响[J].河海大学学报，1996，24(4) ：44-48.

[9] 万书勤，康跃虎，刘士平.华北平原滴灌条件下土壤水势对萝卜生长的影响[J].干旱地区农业研究，2005，23(1) ：16-27.

[10] 贺忠群，邹志荣，陈小红，等.温室黄瓜节水灌溉指标的研究[J].西北农林大学学报(自然科学版)，2003，31(3) ：77-80.

[11] 鲍一丹，沈杰辉.基于叶片电特性和叶水势的植物缺水度研究[J].浙江大学学报(农业与生命科学版)，2005，31(3) ：341-345.

[12] 康绍忠，蔡焕杰.作物根系分区交替灌溉和调亏灌溉的理论与实践[M].中国农业出版社，2002，205p.

[13] 谢华，沈荣开.用茎流计研究冬小麦蒸腾规律[J].灌溉排水，2001，20(1):5-9.

[14] 彭致功，段爱旺，刘祖贵，等.日光温室条件下茄子植株蒸腾规律的研究[J].灌溉排水，2002，21(2):47-50.

[15] 伍德林，毛罕平.温室滴灌黄瓜茎流变化规律的试验研究[J].安徽农业科学，2007，35(12):3455-3456,3477.

[16] 李国臣，于海业，马成林，等.作物茎流变化规律的分析及其在作物水分亏缺诊断中的应用[J].吉林大学学报（工学版），2004，34(4):573-577.

[17] 张寄阳，段爱旺，孙景生，等.作物水分状况自动监测与诊断的研究进展[J]. 农业工程学报，2006，22(1)：174-178.

[18] 张寄阳, 段爱旺, 孟兆江. 基于茎直径变化的作物水分状况监测研究进展[J].中国农业气象，2004，25(4)：11-13.

[19] 郑荣良，赵新明，金树德，等.植物生理需水信息的采集研究[J].农业机械学报，1996，27(4)：45-47.

[20] 苏臣，孙一源，陈勇.新型节水灌溉控制原理的应用研究[J].水科学进展，1994，5(2) ：142-148.

[21] 孟兆江，刘祖贵，张寄阳，等. 辣椒植株茎直径微变化与作物体内水分状况的关系[J].中国农村水利水电，2004，2：28-30.

[22] 孟兆江, 段爱旺,刘祖贵，等.根据植株茎直径变化诊断作物水分状况研究进展[J].农业工程学报，2005，21(2) ：30-33.

[23] 戴剑锋，罗卫红，徐国彬，等.长江中下游地区Venlo 型温室空气温湿度以及黄瓜蒸腾速率模拟研究[J].农业工程学报，2005，21(5)：107-112.

[24] 汪小涵,罗卫红,丁为民,等.南方现代化温室黄瓜夏季蒸腾研究[J]. 中国农业科学, 2002, 35(11):1390-1395.

[25] 许迪,康绍忠. 现代节水农业技术研究进展与发展趋势[J]. 高技术通讯，2002,12(12):103-108.

[26] 李国臣, 于海业, 马成林,等. 作物茎流变化规律的分析及其在作物水分亏缺诊断中的应用[J]. 吉林大学学报（工学版），2004,34(4):573-576.

[27] 杨世凤, 钱东平, 霍晓静,等. 作物水胁迫声发射检测及视情灌溉系统的研究[J]. 农业工程学报，2001,17(5):150-152.

[28] 张兵. 作物精量灌溉智能决策系统研究[D]. 镇江：江苏大学，2006.

[29] Naiqian Zhang，Kyeong-Hwan Lee，Gangjuan Fan. Simultaneous Measurement of Soil Water Content and Salinity Using a Frequency-Response Method[C]. CIGR International Conference. Beijing，2004：Ⅲ140~Ⅲ141.

[30] 武聪玲, 滕光辉, 李长缨. 黄瓜幼苗生长信息的无损监测系统的应用与验证[J].农业工程学报，2005，21(4):109-112.

[31] 李长缨.基于计算机视觉的温室黄瓜幼苗生长监测系统研究[M]. 北京：中国农业大学, 2003.