1.5 作物需水量与耗水量对变化环境的响应及调控
随着全球气候变化和人类活动的加剧，变化环境下的水循环及其时空演化规律研究已经引起各部门人士的高度关注。其中作物需水量与耗水量是水循环与水热平衡的重要分量，也是地-气相互作用与陆-气系统耦合与模拟的重要过程，还是水资源科学评价与管理以及农业水利工程规划设计的重要依据。越来越引起水文水资源、农业水利、农田生态、自然地理、农业气象等多学科的关注。气候变化以及不同区域耕地表面参数的空间变化、农业结构调整、作物布局改变和节水灌溉发展、作物生产力提高和水资源配置对区域尺度作物需水量与耗水量会产生重大影响。变化环境下不同尺度作物需水量和耗水量的响应过程研究是进行水资源科学管理的重要基础。
1.5.1 变化环境及其对作物需水与耗水的影响
变化环境分为气候变化和人类活动影响两个方面。人类活动的影响包括下垫面条件与人类生产实践改变两个方面。
1.5.1.1 气候变化及对作物需水与耗水的影响
目前，气候变化问题日益受到人们的关注，而温室效应是引起全球气候变化的最主要因素。自1750年以来，全球大气中二氧化碳浓度值从工业化前的约280mg/L增加到2005年的379mg/L[128]，对气候变化产生了重要影响，表现如下：
（1）气温呈不断增加趋势。过去100年（1906—2005年）中全球平均气温升高了0.74℃[129]。中国气温也上升了0.5～0.8℃，增温最强烈的地区为华北、内蒙古东部和东北地区[130]。
（2）降水的变化。北半球中高纬度陆区的降水每10年增加0.5%～1%，热带陆区的降水增加0.2%～0.3%，亚热带陆区每年减少0.3%左右；南半球的广大地区则变化不大。就中国而言，降水在20世纪50年代最多，以后逐渐减少[131]。
（3）空气湿度的变化。1976—2004年，大气水汽浓度升高了2.2%，到2100年，大气湿度可能再提高10%[132]。
（4）海平面升高，积雪和海冰面积减少。自1961年以来，全球平均海平面上升的平均速率为每年1.8mm。从1978年以来的卫星资料显示，北极年平均海冰面积已经以每10年2.7%的速率退缩[131]。
Goyal[133]研究了印度拉贾斯坦邦干旱区作物耗水对全球变暖的敏感性，用Penman-Monteith公式计算ET0。根据1971—2002年温度、太阳辐射、风速与水汽压±20%以内的变化研究对作物耗水的影响，没有考虑降水和气孔阻力对CO2浓度增加的响应。随着温度升高20%，耗水增加14.8%；净辐射增大20%，耗水增加11%；风速增大20%，耗水增加7%；水汽压增加20%，耗水减少4.31%。温度、水汽压增加10%而净辐射减少10%，从而使耗水减少0.3%。温度增加10%而净辐射、水汽压与风速减少10%，使耗水减少0.36%。
1.5.1.2 下垫面条件改变及对作物需水与耗水的影响
下垫面条件改变主要包括植树造林与垦荒、过度放牧、农村城市化、灌区开发等。大面积植树造林或大量砍伐森林，破坏原始植被，气候和周围环境受到严重的影响，均会对周围农田作物耗水产生影响。城市化是人类社会发展的必然趋势。1950年，中国城市化水平为12.51%，到1970年，仅增加了4.89%[134]。改革开放以来，中国的城市化发展迅速，按照常住人口统计，中国2014年的城镇化率达到54.77%[135]。随着中国城市化的进程加快，城市面积逐步扩张，导致绿地迅速减少，不透水面积增加，城市与郊区农田之间产生的温湿度水平差异，导致了城郊大气之间的平流作用，对整个下垫面的耗水量都产生了较大影响。扩大灌溉面积一定条件下改善了局部地区气候环境。灌溉可使土壤湿润，热容量增大，蒸发作用使空气湿润，也使土壤温度和近地层气温的日较差减小。在干旱与半干旱气候区进行大规模灌溉，使灌区地表的小气候发生改变，还能增加灌区范围水分的内循环，降水随之增多。长期灌溉导致局部相对湿度增加和ET0下降，陕西泾惠渠灌区20世纪30年代开灌后相对湿度呈明显上升，而ET0呈下降趋势；陕西宝鸡峡灌区开灌后礼泉、富平相对湿度呈上升，而ET0呈显著下降趋势[136]；内蒙古河套灌区过去50年相对湿度呈明显上升，而ET0呈下降趋势；石羊河流域凉州过去50年相对湿度呈微弱上升趋势，而ET0呈显著下降趋势[96]。
1.5.1.3 人类生产实践变化及对作物需水与耗水的影响
人类生产实践变化主要指设施农业发展、覆盖种植、节水栽培与实施非充分灌溉、调亏灌溉、调整种植结构、保墒抑蒸剂应用及作物抗旱节水新品种应用等。
荷兰、日本、以色列、美国、加拿大等国是设施农业十分发达的国家。中国从20世纪70年代开始引进蔬菜的设施栽培技术，并进行试验研究。70年代中期，塑料大棚发展到0.53万hm2，1981年发展为0.72万hm2。据不完全统计，1996年，全国的设施农业面积达到69.8万hm2，2012年达到386万hm2。中国设施农业面积增长迅速，改变了下垫面状况，使得农田水分状况和作物生长环境从根本上发生了改变，温室与大田相比，湿度增大，风速减小，在相同生产力条件下减小了作物需水或耗水。
近年来，覆膜种植面积大幅度增加。据相关部门统计，2011年，中国地膜用量已达120万t，覆盖栽培面积达2330万hm2。覆膜后，有效减少土壤蒸发量，对蒸腾量的影响不大，从而使耗水总量减少。这种减少在生育期的早期作物不能覆盖地表时表现显著，而生长盛期则不明显。
与传统灌溉相比，非充分灌溉与调亏灌溉等节水灌溉技术能有效减少作物奢侈蒸腾与棵间蒸发。康绍忠、杜太生等试验获得的甘肃民勤膜下滴灌棉花各阶段作物系数Kc比FAO推荐值在生育中期小50%左右，用此Kc估算ET比用FAO推荐值减少30%。在滴灌条件下，Farahani等[137]在叙利亚实验得到的棉花在中期的作物系数较FAO推荐值小24%，根据FAO推荐值算得的耗水量比实际值大33%。杜太生[138]研究得出西北干旱荒漠绿洲区棉花滴灌条件下的作物系数均低于同期沟灌的处理，棉花作物系数主要受灌水量的影响，相同灌水水平下不同供水模式对作物系数的影响差异不显著。
随着水资源日趋短缺，作物抗旱节水新品种越来越受重视。20世纪初，Briggs和Shantz通过6种C3作物盆栽试验发现不同作物的水分利用效率（WUE）有明显差别，其中小麦的WUE最高，达到1.97g/kg，而苜蓿最低为1.16g/kg，两者相差70%[139]。董宝娣、张正斌等对12个小麦品种的平均产量、耗水量和水分利用效率以及对灌溉处理的响应分析得出：在华北平原种植石家庄8号等高产高WUE型小麦，其在不降低产量和水分利用效率的情况下，可减少灌水60～120mm[140]。
农业种植结构调整会对单位面积作物耗水产生显著影响，如甘肃河西走廊石羊河流域，随着农业种植结构的调整，单位面积作物耗水量由20世纪50年代的506.9mm减少为2003年的449.1mm，单位面积净灌溉需水量由20世纪50年代的455.7mm减少为2003年的331.9mm。在农作物总播种面积一定条件下，降低粮食作物比例、增大经济作物与其他农作物比例均能显著降低流域单位面积耗水量及单位面积净灌溉需水量。但经济作物与其他农作物种植面积比例提高到一定程度后，继续调整农业种植结构，不能显著降低流域单位面积耗水量。
1.5.2 不同尺度作物耗水对变化环境响应的定量研究
部分学者研究了单株尺度、群体尺度、农田尺度、区域尺度上两者对ET变化的影响，但定量区分人类活动与气候变化对ET变化的贡献率的研究还鲜有报道。
1.5.2.1 单株与群体尺度
康绍忠等[141]在大型人工气候室内进行了CO2浓度增加对春小麦耗水和水分利用效率影响的试验。研究结果表明：空气中CO2浓度由325×10-6增加为650×10-6时，叶气孔阻力Rs在充分和中等供水条件下增大125.67%，在干旱条件下增加47.93%；叶片水平的水分利用效率增加2.522～6.936倍，平均为4.057倍；试验期内的群体耗水平均减小10.04%。基于GISS和GFDL通用循环模型，模拟了CO2浓度增加一倍后农田耗水的变化规律，研究表明：不同月份作物耗水对气候因素和植被特征（Rs、LAI）变化的敏感性不同，仅考虑气温增高的最大，考虑全部气候因素变化时的作物耗水变化居中，气候因素与植被特征均变化时作物耗水的变幅最小，植被特征变化使作物耗水减小的效应能抵消气候变化使作物耗水增加的效应。Allen等[142]研究了环境控制室内CO2浓度增加对大豆耗水的影响。CO2浓度增加一倍，最高温度/最低温度为28℃/18℃时作物耗水减小9%，表明CO2浓度的升高对作物耗水有抑制作用。
1.5.2.2 区域尺度
如何定量区分区域上作物对变化环境中人类活动与气候变化的响应？对于长时间尺度上的作物耗水，可以看成是对降水（P）和蒸发能力（E0）的响应。不少学者根据观测到的流域作物耗水与降水、径流以及蒸发能力之间的数量关系提出了描述流域作物耗水（ET）的经验公式，Budyko公式[143]是这类公式中被广泛应用的代表之一：
傅抱璞[144]从Budyko基本的假设出发，运用量纲分析和微积分理论推导了式（1.4）：
式中：ω为与下垫面条件有关的一个综合参数，与地形、植被和土壤透水性等因素有关。不同时期，由于人类活动引起的下垫面条件变化是影响ω的主要原因。通过不同时期ω值求出气候条件改变情况下的大尺度ET，从而区分气候及人类活动对ET的影响。
ET变化可以看作是由气候原因引起的变化ΔETclim和由人类活动引起的变化ΔEThum两部分组成，表示如下：
在下垫面条件不变的情况下，可以推出ET随气候因素变化的公式如下：
基于傅抱璞公式[144]：
这样，我们可尝试将气候变化和人类活动对ET的影响区分开来。
1.5.3 变化环境下作物耗水时空格局优化设计与管理
1.5.3.1 变化环境下区域尺度作物耗水时空格局优化设计
区域作物耗水时空格局优化设计就是在一定的区域产量或效益目标下，如何在空间上和时间上设计作物耗水过程，使区域作物净耗水损失最小，减少区域总耗水损失，提高水分生产率和水分效益，或在总量控制、定额管理的条件下，如何进行数字化设计，使区域用水总额通过耗水在时空上的优化分配，实现最高区域产量或效益。它需要基于地理信息系统，在充分考虑影响作物生长的气象、地形、土壤等自然因素的时间和空间维度变异性，以主要作物生命需水指标及生长影响因子时空分异为基础，通过建立作物分布式耗水模型和区域作物耗水时空格局动态优化模型，得到区域作物耗水最高产出效率的分配方案，实现优化区域作物耗水时空格局的目的。其具有时空变异性、农业用水高效性和生态环境和谐性的特征。依据区域作物耗水时空格局优化设计结果，可按照水资源和农业资源的时空分布特征，考虑作物耗水影响因子的时空变异性，兼顾经济、社会和生态效益，得到区域作物耗水最高水分产出效益的分配方案，合理调整作物时空布局，对指导农业生产，促进研究区域水资源高效利用、农业可持续发展和缓解水资源供需矛盾具有重要的科学意义。
区域作物耗水时空格局优化设计研究立足于区域作物生长的时间维度和空间维度，基于地理信息系统将作物耗水及其影响因子进行空间离散，划分作物耗水响应单元并建立作物分布式耗水模型；基于空间状态函数的元胞自动机等方法获取作物生产优势区域；构建基于智能区间优化算法的区域作物耗水时空格局动态优化模型，获得以作物耗水产出效率最高为目标的区域作物耗水时空动态格局。
区域作物耗水时空格局与农业种植结构密切相关，合理调整作物种植结构对提高区域耗水的水分产出效益有着重要的作用。合理的农业种植结构的内涵可理解为时间变异性、空间变异性和效益综合性的体现。种植业同时具有经济、社会及生态环境属性，这就要求农业种植结构优化要满足经济、社会及生态环境等综合效益的最大化。种植结构优化主要采用线性规划、非线性规划、动态规划等传统的方法以及新近发展起来的智能优化方法，如遗传算法、模拟退火方法、模糊优化、混沌优化、禁忌搜索、蚁群算法、粒子群算法等方法，对于这种复杂大系统的优化具有很大的优越性。这些智能方法与现代信息技术、计算机技术的有机结合，使得种植结构优化这些复杂大系统模型的建立、求解变得容易起来，同时提高了优化效率和优化效果。
在该领域的研究虽然取得了一些进展，但还未能综合考虑不同经济与生态环境效益下，区域多种作物组合及多种景观单元组合的不同尺度耗水规律及交互作用的作物时空格局，未实现变化环境下的区域耗水时空格局的优化。在该领域的研究难点是如何建立基于作物生长机制的区域分布式耗水模型。
1.5.3.2 变化环境下农田作物耗水管理与调控
在满足一定产量（生物量）或收益前提下，通过遗传改良、生理调控、群体适应、灌水技术改进，尽可能地降低作物耗水量。
作物抗旱节水是在干旱半干旱气候环境下生存和繁衍的手段，高水分利用效率和高产是目的。作物要抗旱、高WUE、高产，必须具备三个方面的性能：一是保持水分；二是耐旱；三是水分高效利用。作物在抗旱和水分高效利用方面有明显的遗传和生理差异[145]。董宝娣等[140]试验结果表明同一灌溉处理下不同小麦品种的耗水量有显著差异，平均耗水量一般为420～470mm，差异在10%左右。
降低作物奢侈蒸腾是作物耗水管理的重要手段。研究发现[146，147]，作物在水分充分供应、气孔开度较大的条件下，存在奢侈蒸腾。其机理是作物叶片光合速率与蒸腾速率对气孔开度的响应不同。一般条件下，光合速率随气孔开度增加而增加，但当气孔开度达到某一值时，光合速率增加不再显著；而蒸腾速率则随气孔开度增大而线性增加，即可通过（叶片）气孔调节、（单株）株型调控、（群体）理想冠层构建，减少奢侈蒸腾，实现节水与增产的统一。通过作物的株型形成与耗水及产量形成之间的关系，提出节水高效型理想株型的形态特征指标。基于作物地上部和地下部之间的互反馈关系及其对根-土环境的响应，建立有利于低耗水与高WUE的根冠关系。确定农田高效用水的作物群体时空分布特征以及影响农田整体抗旱特性和水分利用效率的群体因素及调控指标，主要农作物高效用水群体优化结构的综合栽培技术要素。但在该领域的研究单一叶片尺度较多，没有考虑多尺度的耦合，个体研究或者微观尺度的研究不能代表区域实际。在该方面的研究还面临许多挑战，例如，如何根据作物环境因素优化设计和调控气孔的开度？采用什么量化模型？气孔最优如何扩展到单株或群体的最优？瞬时最优如何到生育期、周年或多年最优？时空尺度如何转换？