1.2　微咸水灌溉研究进展

1.2.1　微咸水灌溉发展过程

国内外利用微咸水灌溉已有100多年的历史。联合国教科文组织于1968年把微咸水利用的研究课题列入计划,协同一些国家对大量的作物及果树进行了试验研究。微咸水灌溉的研究起源于农业生产实际,并在不同的地区取得了良好的应用效果,但由于微咸水中含有大量的盐分,这些盐分随着灌溉水进入土壤,从而增加了土壤的含盐量,直接影响作物对水分的吸收利用并威胁作物生长,同时带入的盐分与土壤胶体颗粒和土壤中原有的化学成分发生物理化学作用,改变土壤物理和化学特征,影响土壤中物质迁移特征,改变土壤向作物供水供肥的能力以及土壤的通气特征,从而综合影响土壤功效。多年来,国内外学者从微咸水灌溉水质、适宜灌溉的土壤质地、灌水方法和灌溉制度、对作物产量及品质的影响、田间管理等不同角度对微咸水灌溉所引发的科学问题和实际应用问题展开研究,取得了显著的进展,为微咸水的科学合理利用奠定了良好的基础。在此项研究中,美国盐碱地实验室和苏联、以色列、印度、埃及等国家的学者做了大量的工作。

在美国西南部和西部,采用矿化度为3～5g/L的微咸水灌溉棉花、甜菜、苜蓿等作物,灌溉水的p H值为7.8左右,钠吸附比(SAR)为5～11,采用传统地面灌溉和微灌两种灌溉方式,结果表明与传统淡水灌溉相比,在微咸水微灌条件下,棉花产量不但没有减少,甚至还高于传统灌溉的产量。以色列地处西亚地区,淡水资源极其短缺,其地下水矿化度在1.2～5.6g/L范围内,将其地下水稀释后采用滴灌和喷灌对西瓜、小麦和西红柿等进行灌溉,结果表明,中轻质土壤用咸水灌溉效果较好,对重质土壤而言,即使有较好的排水系统,用咸水灌溉后也会发生一定程度的土壤板结问题。日本(VAN,1970)也有利用微咸水进行灌溉的实践,在缺水地区,人们用盐分浓度为0.7%～2.0%的微咸水灌溉作物,取得了成功。突尼斯淡水资源极其匮乏,采用矿化度为2～5g/L的咸水灌溉海枣、黑麦草、苜蓿等作物,该地区是重黏土,在作物生长期,土壤出现严重板结,在这种不利条件下,微咸水利用仍获得成功。在印度(Pal等,1984)一些地区利用微咸水进行农田灌溉,由于特殊自然条件,部分地区降雨属于季候雨,这些降雨为土壤盐分淋洗创造了有利条件,虽然利用微咸水进行灌溉,但土壤未发生长期的积盐现象。意大利也通过20多年的微咸水灌溉实践积累了丰富的经验。

我国的微咸水灌溉始于20世纪中叶,虽然灌溉历时较短且仍然处于探索阶段,但是已有的生产实践表明微咸水灌溉有极大的发展前景。宁夏南部山区自1969年开始利用微咸水进行灌溉以来至今已有40多年,大量的生产实践表明,用微咸水灌溉的小麦、大麦比旱地增产3～4倍。1976年,河北沧州利用矿化度小于5.0g/L的微咸水灌溉小麦,发现较旱地增产10%～30%,最高可达40%。1986年,山东省庆云县水利科学研究所进行了关于微咸水灌溉的试验,1990—1993年该研究所又研究了微咸水开发技术,研究结论是：与旱地相比,利用矿化度为2～4g/L的微咸水进行灌溉,夏玉米和小麦的产量都有所增加,且产量不低于淡水灌溉的90%(褚贵发等,1999)。山西汾河灌区利用地下微咸水、咸水进行灌溉的试验也证明咸水灌溉比淡水灌溉减产,但比旱作增产(尉宝龙等,1997；赵春林等,2000)。天津市郊县进行的微咸水和咸水灌溉大田试验研究结果也表明,微咸水灌溉比旱作具有明显增产效果(张会元,1994)。新疆生产建设兵团农八师炮台试验站进行了利用微咸水和咸水种植碱茅草的田间试验,试验土壤属于轻壤强盐碱地,结果表明,微咸水和咸水可以用于碱茅草的灌溉(张建新等,1996)。在鲁西北低平原地区,逄焕成等(2004)研究了微咸水灌溉对土壤盐分与作物产量的影响以及麦秸覆盖对微咸水灌溉土壤盐分的调控作用,结果表明,灌溉两年后没有发生积盐现象,微咸水结合麦秸覆盖对作物年产量无显著提高,而不配以麦秸覆盖的处理则导致作物减产。在黄淮海平原,乔玉辉等(2003)就微咸水灌溉对盐碱化地区冬小麦生长的影响和土壤环境效应进行了分析,结果表明,微咸水灌溉对冬小麦生长有一定影响。

综上所述,微咸水灌溉在国内外得到了广泛实践,与不灌溉相比较,微咸水灌溉可以获得相对较高的产量,因此在淡水资源紧缺的地区,微咸水可以用于农业灌溉。

1.2.2　微咸水灌溉利用方式

微咸水灌溉目前常见的灌溉方法包括畦灌、漫灌、沟灌、喷灌、滴灌及渗灌等(郭永杰等,2003)。研究表明(吴忠东等,2010；张俊鹏等,2013；Tedeschi A等,2005),在不同生育期采用微咸水灌溉对作物生长及产量的影响差异明显,采取合理的灌水方法和灌水方式,可以降低盐分胁迫对作物生长的影响,提高灌水质量,保障作物正常生长。

结合灌水方法,微咸水的主要灌水方式有4种,即微咸水直接灌溉、微咸水与淡水混合灌溉(即微咸水混灌)、微咸水与淡水在作物生育期内轮灌(即微咸水轮灌)以及微咸水与淡水在一次灌水中交替灌溉(即微咸水交替灌)。

(1)微咸水直接灌溉。微咸水直接灌溉指采用渠道或管道输水形式,将地下微咸水直接引到田间进行灌溉。主要用于一些淡水资源十分紧张的地区,同时种植一些耐盐性作物,并配合其他措施,微咸水灌溉有助于提高作物产量并维持土地的可持续利用(张展羽等,2001；乔玉辉等,1999；王洪彬,1998；郭亚洁等,1996；王应求,1990)。

(2)微咸水混灌。混灌就是利用供水网络将不同矿化度的水按合理的配比进行混合后再用于灌溉,混合后的矿化度根据所灌溉的作物及土壤条件来确定(严晔端等,2000)。目前微咸水与淡水混合模式有3种,即在水源处进行混合,采用水箱、水池等将淡水和微咸水按照一定比例进行混合后引入田间进行灌溉；在管道或渠道中进行混合,将微咸水和淡水分别输送到末级管道或渠道,使微咸水和淡水在其中混合后进行灌溉；在田间土壤中进行混合,该方法必须设立两套灌溉管道,分别将微咸水和淡水引入田间,在灌溉过程中进行混合(赵延宁等,1996；张爱习等,2011),这种方式常用于滴灌系统中。混灌在提高灌溉水质的同时,还增加了可灌水量,使以前不能用于灌溉的碱水或高矿化度的咸水得以利用(王媛媛,2004；吴忠东等,2008)。混灌的技术关键是要掌握作物正常生长条件下对水质及土壤环境的要求,合理控制灌溉用水的水质使之达到其要求。

(3)微咸水轮灌。轮灌法就是在作物生育期内利用微咸水和淡水进行轮流灌溉,轮灌的技术关键是结合微咸水和淡水资源量、作物耐盐特性和耗水特征以及土地质量,根据作物不同生育期对水质的需求选择合理的轮灌次序及咸淡水组合,保证作物正常生长和土地可持续利用。研究表明(P.S.Minhas等,2007；Shalhevet J等,1986),利用淡水和微咸水轮灌的灌溉效果要优于单独使用微咸水灌溉或者采用混灌的效果,在作物生长的敏感期用优质的淡水灌溉,在非敏感期用微咸水灌溉,并且轮灌在实际操作中更简单易行,省去咸淡水混合的工序及设施。徐存东等(2016)的研究表明,土壤耕作层的含盐量变化受轮灌的淋洗作用明显。米迎宾等(2010)的研究表明,直接利用3g/L矿化度的微咸水进行灌溉会引起土壤盐分的累积及作物减产,而利用咸淡轮灌的方式可获得比较理想的效果。吴忠东等(2007,2010)通过研究发现,畦灌条件下利用微咸水进行灌溉比旱作增产,同时也提出了合理的冬小麦微咸水轮灌制度。黄丹(2014)以棉花为研究对象,进行了微咸水膜下滴灌轮灌时序优化研究,结果表明,棉花生育前期(苗期、蕾期)对水分较为敏感,此时期灌溉淡水能够保证棉花充分的营养生长,生育后期(花铃期、吐絮期)灌溉适当矿化度及水量的微咸水,可以适度抑制植株的营养生长、促进生殖生长,利于高产。同时建立了微咸水灌溉综合效益评价指标体系,对各方案的综合效益进行评分,全面对比得出了最优微咸水轮灌方案。苏莹等(2005)的研究表明,咸-淡-咸轮灌方式下土壤入渗能力较大,且脱盐区内脱盐率比淡-咸-咸轮灌方式的高,但淡-咸-咸轮灌方式下同一土层土壤含水量高。黄金瓯等(2015)的研究表明,咸水和轮灌处理下,单株棉花地上部干物质含量、单位面积铃数和籽棉产量显著高于淡水处理,分别达32%、20%和22%,连续的全生育期微咸水灌溉可能造成盐害离子向表层积聚。王瑞萍等(2017)研究了不同咸淡轮灌模式及施肥量对玉米生长及土壤盐分累积的影响,结果表明,不同咸淡轮灌模式及施肥量对玉米生育指标和籽粒品质指标影响显著,增加施肥量可促进玉米生长发育,提高产量；微咸水灌溉可提高玉米籽粒品质,但影响玉米生长发育、降低玉米产量,特别是灌溉2轮咸水的处理,株高和叶面积受到的影响较大,产量降低较明显；咸水灌溉次数越多、施肥量越大,土壤盐分累积程度越明显。因此,采用咸-淡-淡-淡的组合灌溉顺序配合560kg/hm2的施肥方式为该试验的最优方案。苏瑞东等(2015)对盐渍化土壤条件下枸杞咸淡水轮灌模式进行了研究,结果表明,不同处理在灌水量相同的情况下,淡-咸-咸处理的水分利用效率较高,对枸杞产量影响较小；采用咸淡水轮灌枸杞,如果一水为淡水,可保证在枸杞盛果期土壤盐分较小,对枸杞产量影响不大,同时该轮灌模式生育末期土壤处于脱盐状态,土壤盐分在周年内可以保持平衡,因此,在河套灌区采用淡-咸-咸轮灌模式灌溉枸杞可以取得良好的效果。Shalhevet(1986)的研究表明,对于咸淡水混合灌溉、咸水和淡水轮灌、咸水灌溉3个处理,咸水和淡水轮灌的效果最好。

(4)微咸水交替灌。交替灌溉就是在设计灌水时间内,采用微咸水和淡水交替进行灌溉的灌水方式。根据作物及土壤条件,可以选择先用微咸水灌溉后再用淡水灌溉,或者先用淡水灌溉后再用微咸水灌溉,滴灌条件下还可以采用双滴灌系统进行供水。由于灌溉前不需要将两种不同矿化度的灌溉水进行混合,因此交替灌溉在实际操作中简单易行。利用咸淡水交替灌溉时,选择合理的咸淡水交替顺序和灌溉水矿化度是减少土壤盐分累积的关键。目前关于咸淡水交替灌溉方面的研究国内外报道较少,且多数停留在机理研究阶段(刘静妍等,2015；吕烨等,2007；管孝艳等,2007)。

进行微咸水灌溉时,采用何种灌溉方式与灌溉水水源状况、作物种类、作物种植结构、土壤状况和微咸水分布地区的社会经济状况等有关。

1.2.3　微咸水灌溉对土壤的影响

微咸水中的盐分随着灌溉水进入土壤,增加了土壤的含盐量,进而影响作物对水分的吸收利用,影响作物生长；此外,微咸水带入的盐分与土壤胶体颗粒和土壤中原有的化学成分发生物理化学作用,改变土壤的结构及孔隙性,影响土壤中物质的迁移特征,改变土壤向作物供水供肥的能力以及土壤的通气特征；同时,随着土壤水分的向上运移,盐分也逐渐向土壤表层积聚,使土壤产生次生盐渍化的趋势,从而影响土地的质量及可持续利用。

有学者认为微咸水灌溉对土壤质量的影响主要表现为对土壤交换性钠离子和土壤溶液电导率的影响(Feigen等,1991；吴乐知等,2006；Giuseppina等,1995),钠离子含量过高可以引起土壤分散和膨胀,使土壤孔隙减少,出现表层土壤板结,通透性差,不利于作物出苗和生长,由交换性钠所引起的大孔隙的微小变化,对土壤的渗透性产生很大影响,特别是用钠离子含量较高的水灌溉后可能造成土壤碱化。灌溉水中的盐分,尤其是NaCl会对作物产生毒害,如降低膨压、减小细胞扩张速度、破坏叶绿体等,从而导致生长速度和光合作用降低,最终对干物质积累和产量产生不良影响,严重的则会导致作物死亡。Gardner等(1959)的研究表明,当溶液浓度自2mEq/L增大到100mEq/L时,土壤渗透性的增大不超过初始值的2倍；而高钠含量时,在浓度具有相似变化的情况下,其渗透性将增大几个数量级。灌溉水质指标除了用总盐含量衡量以外,钠含量也是很重要的一个指标,常以钠吸附比(宋新山等,2000)表示,钠吸附比为灌溉水体中的钠离子和钙镁离子的相对数量,是衡量灌溉水引起土壤碱化程度的重要指标(李韵珠等,1998)。吴忠东等(2008)的研究表明,随着入渗水钠吸附比的升高,相同时间内累积入渗量和湿润锋推进距离均减小。苏玉明(2002)对土地盐碱化成因进行了定量分析,经过计算发现潜水钠吸附比高是试验示范地区土壤盐碱化的主要原因,而潜水径流不畅、水位埋深小、土壤表层渗透性差是造成潜水钠吸附比高的直接原因。肖振华等(1998)的研究表明,灌溉水的钠吸附比超过14会引起土壤黏粒膨胀。在一定范围内,土壤盐分浓度的提高有利于促进土壤颗粒的絮凝,增加其团聚性,稳定土壤结构,使土壤中大孔隙增加,渗透性增强,从而减轻高钠吸附比对土壤物理性质的不利影响。但过量盐分会引起土壤结皮,导致土壤渗透性变差。王全九等(2004)、吴忠东(2005,2007)进行了不同矿化度微咸水积水入渗试验,结果表明,随着入渗水矿化度的增加土壤的入渗能力增加,当矿化度增加至3g/L时,土壤的入渗能力最大,矿化度继续增大时,土壤入渗能力逐渐减小。李取生等(2002)采用蒸馏水、承压淡水、浅层微咸水做室内淋洗试验,结果表明,微咸水饱和渗透率为承压淡水的2倍、蒸馏水的192倍,说明微咸水对增强土壤通透性有显著作用。

用3～5g/L矿化度的微咸水直接灌溉,会造成土壤耕层不同程度的盐碱化,长期使用2～3g/L矿化度的微咸水直接灌溉,对土壤也有潜在影响。为了保证根区盐分浓度不超过作物耐盐度,利用微咸水灌溉后应及时淋洗过量的土壤盐分,防止根区盐分累积,这是微咸水灌溉保证土壤可持续利用的一个必不可少的环节。Pasternak(1995)的研究表明,微咸水灌溉两年后地面以下30cm土层积盐。陈效民等(2004)的研究表明,海水灌溉两年后0～100cm土层中有盐分累积现象,钠吸附比在0～60cm土层内有所升高,灌溉前后土壤的p H值基本无显著变化。尉宝龙等(1997)在小麦、棉花和玉米生育期内,采用6.8g/L矿化度的咸水进行灌溉,结果表明,地表以下20cm土壤都处于积盐状态,80cm处积盐量最大,作物产量随灌水年限增加而减少。乔冬梅等(2007)的研究表明,在水位比较浅的情况下,高频率灌溉有利于盐分下移。李取生等(2002)连续两年的微咸水淋洗试验表明,土壤含盐量总体趋势是盐碱从土壤根层下移到35cm以下的土层深部,10～25cm深处盐碱减少尤为显著。肖振华等(1997)的研究表明,当灌溉水矿化度小于3g/L时,土壤剖面盐分处于平衡状态,在排水条件较好的条件下,每年增加一次大定额淡水灌溉,微咸水灌溉不会使土壤含盐量超过作物耐盐极限,也不会造成土壤长期积盐。Sharma等(1990)针对砂质石灰性土壤进行的试验表明,对于排水良好的农田,由于每年雨季降水的淋洗作用,利用电导率小于9mS/cm的微咸水灌溉不会造成根系土层盐分的累积,不会影响作物产量。在干旱和半干旱地区,采用高定额灌溉,有利于土壤溶液含盐量的降低,缩短灌溉周期、加大灌溉频率是减少咸水灌溉造成根系土层盐分累积的有效方法(Walker,1987)。Pasternak(1995)的研究表明,在蒸发量比较大的以色列,高频微咸水灌溉作物产量有所增加。同样,Shalhevet(1994)的研究也表明,高频灌溉导致高产。Sharma(1990)利用电导率为11dS/m、钠吸附比为26.9的咸水灌溉小麦,分别以4种灌溉频率10d、15d、20d、25d进行灌溉,但灌水总量保持一致,研究结果表明,以10d为间歇期的灌水制度土壤积累盐分较多,但整个种植季节根区水分含量较高,盐分浓度比其他3种灌水频率要低得多。对于一直用咸水灌溉的地区,为了降低土壤溶液的浓度以及淋洗土壤中的盐分,应加大咸水灌溉定额,尤其是一次灌溉水量。

微咸水灌溉存在的最重要的问题就是灌溉后容易引起土壤的次生盐碱化,使耕层土壤含盐量或土壤溶液浓度超过作物的耐盐度,从而影响作物的生长和产量。为了保证耕层的土壤含盐量不超过一定的界限,除了采用定期冲洗改良外(Qadir等,2000；Kelleners等,1998；迟道才等,2003；陈小兵等,2008；张金龙等2012；张洁等2012；王秀丽等,2013),施加改良剂(张余良等,2004,2006；邵玉翠等,2003；赵秀芳等,2010；刘易等,2015；石万普等,1997)、有机肥(任崴等,2004；王全九等,2009；宿庆瑞等,2006；郭淑吓等,2005)和采取一定的地面覆盖措施等(Pang Huancheng等,2010；Nassar等,1999；李志杰等,2001；宋日权等,2011；郑九华等,2002,2012；王在敏等,2012)农艺措施及农田管理方法也可以有效地降低微咸水灌溉对作物及土壤的不良影响。

1.2.4　微咸水灌溉对作物的影响

在微咸水灌溉应用研究过程中,常见的灌溉作物包括小麦(韦如意等,2003；张余良等,2007；陈素英等,2011)、玉米(李红等,2007；毛振强等,2003；焦艳平等,2013；张勇等,2017；魏磊,2016；李金刚等,2017)、棉花(郑九华等,2002；何雨江等,2011；吴军虎等,2015)、油葵(贺新等,2014；刘娟,2012；毕远杰等,2009)、水稻(安延儒等,2001)、番茄(吴蕴玉等,2015；汪洋等,2014)、黄瓜(曹云娥,2016；陈琳等,2016)、马铃薯(万书勤等,2016)、西瓜(刘婷姗,2015；雷廷武等,2003)、枸杞(尹志荣等,2011,2014)、苜蓿(雪静等,2009)、苹果(张艳红等,2012；卢书平,2013)、红枣(张世卿,2016；李发永等,2010)等,大量试验的目的在于探明微咸水灌溉对于土壤水盐分布、作物根系分布、作物生长、作物产量及品质等方面的影响。由于不同的作物耐盐性不同,其对微咸水灌溉的响应亦不同。

微咸水灌溉对作物的影响主要概括为渗透作用和离子毒害作用,当微咸水的矿化度相同,离子组成不同时,对作物的影响差异很大。少量盐分的存在,能刺激某些作物的生长,起到增产的作用(Karin,1997),但当土壤或灌溉水盐分含量超过一定限度后,就会抑制植物生长,导致其产量降低,并使其品质变劣(朱志华,1998)。毛振强等(2003)于1997—2001年研究了微咸水灌溉对冬小麦及夏玉米产量的影响,研究结果表明,当20～60cm土层土壤电导率在8mS/cm以下时,对夏玉米的产量无显著影响,当电导率长期维持在10～15mS/cm之间且当季的降雨相对较少时,玉米产量将显著降低；当20～60cm土层土壤电导率长期维持在12～15mS/cm之间,在灌溉量较大的条件下,盐分胁迫所造成的冬小麦减产损失一般在10%左右。同淡水灌溉相比,微咸水灌溉及土壤中的盐分不但会影响作物的产量,而且还会改变作物收获物的体积、颜色、外观及成分等。万超文等(2002)研究了不同盐浓度胁迫下不同耐盐型大豆品种耐盐性表现和耐盐性与籽粒化学品质的关系,在14～15dS/m低盐浓度下大豆蛋白质、脂肪含量降低,在18～20dS/m高盐浓度下蛋白质含量极显著提高,脂肪含量极显著降低,高盐浓度对蛋白质的胁迫效应和方向与低盐浓度相反。肖振华等(1997)研究了灌溉水质对大豆、小麦生长的影响,结果表明,矿化度大于3g/L、钠吸附比超过14的水质对大豆出苗、生长和产量均产生影响,矿化度大于4g/L,小麦生长和产量受到影响。Amnon等(2005)研究了微咸水灌溉对甜瓜生长的影响,研究结果表明4.5dS/m电导率的灌溉水质不会影响甜瓜产量和品质,而采用7dS/m电导率的微咸水进行灌溉会造成甜瓜产量和品质下降。

在盐渍环境中,有害离子主要有钠离子和氯离子(陈国安,1992)。钠离子的增加导致作物对钾和钙的吸收能力降低,钾和钙营养失调,同时影响作物蛋白质的新陈代谢。氯离子则主要影响植物对硝态氮的吸收,两者之间存在颉颃关系(王德清等,1990)。灌溉水中的盐分,尤其是NaCl会对作物产生毒害(安树青等,1996；朱华潭等；1995),对其干物质积累和产量产生不良影响。Esechie等(2002)研究了不同浓度NaCl微咸水灌溉对鹰嘴豆出苗率的影响,结果表明,不同浓度NaCl灌溉水对鹰嘴豆出苗率有显著影响。Maggio等(2004)采用3种NaCl浓度的微咸水对马铃薯进行灌溉,结果表明,马铃薯叶片和根区的总势、渗透势、压力势均随灌溉水NaCl浓度的增加而减少。张展羽等(1999)研究了不同浓度NaCl微咸水灌溉对于玉米出苗的影响,结果表明,3g/L是灌溉水中NaCl含量的上限,在矿化度低于3g/L的情况下,盐分对苗期玉米的生长有不同程度的促进作用,超过3g/L时,则会对作物生长产生危害。姚杏安等(2007)的研究表明,当土壤中钠离子含量达到200mg/kg时,棉花发芽率降低,植株矮小,进入生育期后结铃少,单铃重较轻,产量降低。

微咸水灌溉除影响作物产量外,还一定程度地改变作物干物质在根、冠之间的分配。乔玉辉等(1999)的研究表明,采用3.2g/L矿化度的微咸水灌溉冬小麦,其叶面积在生长后期减少速度较快,干物质累积相对减少,但对产量影响不大。姚静等(2008)的研究表明,番茄幼苗地上部分干、鲜重随着盐浓度的增加而减小,根生物量受其影响相对较小；幼苗叶片叶绿素含量显著降低,50mmol/L NaCl显著抑制了侧根发育,侧根数显著降低；100mmol/L NaCl则著抑制了主根和侧根的生长。微咸水灌溉带入土壤中的盐分对作物最普遍和最显著的影响就是抑制其生长,导致作物发育迟缓,抑制植株组织和器官的生长和分化,使作物发育进程提前(李彦等,2008)。

1.2.5　微咸水灌溉作物水盐生长函数研究进展

影响作物生长发育的因素有很多,有人为不可控因素,如光照、气温等,也有可调控的因素,如施肥、水分、病虫害、田间管理以及作物品种特性等。在众多影响因素中,水分是一个非常重要的可控因素。作物产量与水分之间的关系称为作物水分生产函数,土壤盐分和养分都是以水分为介质,通过水分来对作物发挥作用的,为此,以作物水分生产函数为基础,引入盐分、养分建立水盐生产函数和水肥生产函数,人们又进一步把水盐生产函数,水肥生产函数,包括污水灌溉中某些溶质对作物生长的影响,都归入水分生产函数,统称为作物水分生产函数。

作物水分生产函数又称为作物-水模型,它是用来表示或描述作物产量与水分关系的表达式,通过数学模型的方法,把作物生长和外部环境因素对作物影响的复杂关系,进行抽象的、概化的描述,从而使问题简单化,使人们可以重点地分析某些环境因素对作物生长的影响(康绍忠,2007)。作物水分生产函数的研究对灌溉用水的合理分配以及作物生产具有重要的意义和实际应用价值。

作物水分生产函数大致可分为3类：①反映作物产量与水分关系的单因子模型；②反映作物产量与水盐关系或作物产量与水肥关系的多因子模型；③以作物生长模型为基础的反映作物产量与水分关系的模型。

1.2.5.1　作物水分生产函数单因子模型

作物水分生产函数单因子模型仅以水分作为变量建立产量与水分的关系。以水分表达形式不同,又产生了许多作物水分生产函数的形式,包括灌溉水量、全生育期蒸发蒸腾量、相对蒸发蒸腾量、阶段相对蒸发蒸腾量、土壤含水率等。

(1)全生育期作物水分生产函数模型。以全生育期作物的蒸发蒸腾量为自变量而建立的作物水分生产函数模型主要包括线性模型和抛物线模型两种。线性模型如式(1.1)所示,抛物线模型如式(1.2)所示：

式中：a1、b1、a2、b2、c2为经验系数,由试验资料回归分析确定；y为产量；ET为作物蒸发蒸腾量。

大量统计分析表明,上述经验系数因站点和年份的不同而变化较大,因而此模型相对来说难以推广应用。

作物水分生产函数的相对值模型反映了作物相对产量与全生育期作物蒸发蒸腾量相对值之间的关系。主要代表模型是J.Doorenbos和A.H.Kasam模型,表达式为

式中：y为作物实际产量；ym为作物最大产量；ET为作物全生育期蒸发蒸腾量；ETm为与ym相对应的作物全生育期蒸发蒸腾量；Ky为作物产量反应系数或敏感系数。

这种模型在一定程度上消除了气候变化、品种变化对作物产量与水分关系的影响,试验数据的拟合精度较高。

(2)时间水分生产函数。时间水分生产函数是以阶段相对蒸发蒸腾量为自变量而建立的作物相对产量与阶段相对蒸发蒸腾量之间的关系,其又可分为单阶段型模型和多阶段型模型。目前在国际上具有代表性的是加法模型中的Blank模型和乘法模型中的Jensen模型。

Blank模型：以相对蒸发蒸腾量为自变量,表达式为

式中：ki为作物第i阶段缺水对产量影响的水分敏感系数；i为生育阶段序号(i＝1,2,3,…,n)；N为划分的生育阶段数。

加法模型还包括Howell模型、Stewart模型、Sudar模型。加法模型只是将各阶段的水分胁迫影响简单相加,没有考虑到作物阶段受旱的滞后效应,而且在作物的某个阶段受旱致死时仍能计算出产量,这与实际情况不相符合。在一般情况下,实际蒸发蒸腾量不可能为零。因此,加法模型比较适合半湿润和半干旱等地区的产量计算,但不适合于干旱地区。

Jensen模型：以阶段相对蒸发蒸腾量为自变量,表达式为

式中：λi为作物第i生育阶段缺水对产量影响的敏感性指数；i为生育阶段序号(i＝1,2,3,…,n)；N为划分的生育阶段数。

常用的乘法模型还包括Minhas模型和Rao模型。乘法模型具有较高的灵敏度,它认为每个阶段的水分胁迫互相影响,并通过连乘的形式表示阶段效应。乘法模型一般适合高度缺水的低产低效农业区域。

茆智等(1994)根据广西桂林地区灌溉试验中心站1988年以来的5年观测试验结果,分析研究了适用于我国南方水稻的水分生产函数模型,探讨了各种模型中水分敏感参数的变化规律,提出了Jensen模型中水分敏感指数与参照作物需水量的关系。崔远来等(1999)以广西双季晚稻为例,针对水分生产函数全生育期Stewart模型,以ET0及土壤有效含水量为参数,探讨了水分敏感指标随不同地域的变化规律。丛振涛等(2002)针对以往研究中水分敏感指数与生育阶段划分密不可分的关系,对Jensen模型进行了改造,提出了水分敏感指数的新定义。王仰仁等(1997)提出用生长函数形式来表示水分敏感指数累积曲线随时间的变化过程,分析结果表明这一方法可行。张玉顺等(2003)提出了作物Jensen模型中有关参数在年与年间的确定方法。王康等(2002)在田间水肥耦合试验的基础上,提出了水分、氮素生产函数的概念,建立了最终产量模型和动态产量模型。谢礼贵等(1995)通过资料分析确定了北方水稻适宜采用Jensen模型。周利民等(2002)建立了广东省双季早稻和双季晚稻Jensen模型水分生产函数,并分析了Jensen模型敏感指数在全生育期的变化规律和不同生育期干旱胁迫对水稻产量的影响。刘幼成等(1998)对比分析Jensen、Blank、Stewart及Singh模型参数的变化规律,得出我国北方水稻水分生产函数宜采用Jensen模型,并根据水分生产函数模型,采用动态规划方法,提出了不同可供水量条件下的水稻优化灌溉制度。

1.2.5.2　作物水盐生产函数多因子模型

与单因子作物水分生产函数一样,作物水盐生产函数同样可作为作物产量与全生育期水分和盐分的关系,或者作物产量与分阶段水分和盐分的关系。相应的自变量表达方式包括相对蒸发蒸腾量和相对盐分浓度、土水势等。作物水盐生产函数按作物生育阶段可分为全生育期作物水盐生产函数和阶段型作物水盐生产函数(王仰仁,1989；张展羽等,1998,2001)。

(1)全生育期作物水盐生产函数。Datta等(1998)以6年小麦田间试验为基础,结合多元回归分析,构建了作物产量与灌溉水质、灌溉水量及土壤初始含盐量之间的关系,如式(1.6)所示

式中：y为作物单位面积产量；Q为灌溉水量；C为灌溉水盐分浓度；S0为土壤初始盐分浓度；a1,a2,…,a6,b1,b2,b3为回归系数。

(2)阶段型作物水盐生产函数。王仰仁(2004)、康绍忠(2007)等用分步法来构建水盐生产函数的阶段型模型,即通过作物水分生产函数和盐分生产函数分步构建作物水盐生产函数,构建过程如下。

水分生产函数：

盐分生产函数：

水盐生产函数：

式中：ys为作物在水盐双重胁迫条件下的产量；ET为非充分供水条件下无盐分影响的作物蒸发蒸腾量；ETm为充分供水条件下无盐分影响的作物蒸发蒸腾量；λi为作物第i阶段的水分敏感指数；i为作物生育阶段编号；N为划分的生育阶段数(考虑水分亏缺对作物的影响)；Smaxj为作物第j生育阶段的耐盐极限,当土壤中的含盐量大于Smaxj时,作物产量将等于零；Sminj为作物第j生育阶段的土壤盐分临界值,当土壤盐分低于该值时,作物产量不受土壤盐分的影响；Sj为作物第j生育阶段的土壤含盐量；βj为作物第j生育阶段的盐分敏感系数；M为划分的生育阶段数(考虑盐分对作物的影响)。

采用分步法确定作物水盐生产函数大大缩减了试验规模,可充分利用现有的咸水灌溉试验资料求取作物水盐生产函数。

彭世彰等(2000)总结了作物水分生产函数的典型模型,以Y-ET关系为基础的作物水分生产函数大致可以分为两种。王军涛等(2012)在石羊河流域开展了不同矿化度微咸水灌溉试验,以国际上通用的作物水分生产模型为基础,构造了作物水盐响应模型,并结合函数求解了春玉米各个生育阶段的盐分敏感系数,得出春玉米的盐分敏感程度顺序为成熟期＜抽雄灌浆期＜拔节期＜苗期,并以交替灌溉试验进行验证。王仰仁等(1989)采用分步法,通过引入盐分胁迫因子,构建出作物水盐生产函数。不论是哪一种作物水盐生产函数,都是在某种特定条件下得出的,各有优劣。对于不同地区、不同作物,都需要根据具体条件建立相应的作物水盐生长函数。