地中海地區(qū)作物耕作水分利用效率的調(diào)查與分析

1、地中海地區(qū)作物耕作水分利用效率的調(diào)查與分析摘要由于地中海地區(qū)水資源危機(jī)和人口增加的原因，該地區(qū)的大田作物水分利用效率（WUE）的改進(jìn)被列為一項(xiàng)強(qiáng)制性的命令。調(diào)查報(bào)道了該地區(qū)16種耕作作物的水分利用效率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些作物種類包括：谷類作物、豆類作物、園藝作物和工業(yè)作物。然而調(diào)查強(qiáng)調(diào)了果樹的水分利用效率數(shù)據(jù)正在減少，盡管果樹是地中海地區(qū)農(nóng)業(yè)的主要產(chǎn)品之一。在這個(gè)地區(qū)，對同一種類的作物，大范圍的水分利用效率值的觀察顯示，其影響因素主要有：（1）水肥管理（用水制度、礦物質(zhì)的補(bǔ)給和水質(zhì)）（2）植物因素（種類、多樣性及各個(gè)生育階段對于競爭的敏感性）（3）環(huán)境因素（氣候、大氣污染、土壤質(zhì)地和氣候改變）。結(jié)

2、論突出強(qiáng)調(diào)了地中海地區(qū)水分利用效率的實(shí)際差異，這種差異能夠組成一個(gè)特定的研究領(lǐng)域，即改善地中海地區(qū)農(nóng)業(yè)水分利用效率。關(guān)鍵詞：水分利用效率、地中海地區(qū)、氣候、水資源管理、谷類作物、豆類作物、園藝作物、工業(yè)作物、水壓力1引言地中海地區(qū)包括能夠俯瞰地中海盆地的所有國家，這些國家被分為兩部分：一部分是北海岸國家（從西班牙到土耳其和塞浦路斯），另一部分是南海岸國家（從摩洛哥到敘利亞）。該地區(qū)的氣候特點(diǎn)是夏季炎熱、干燥，夏季的持續(xù)期是變化的，從二月到七月，由地中海盆地的北部向南移動，冬季多雨，而春秋兩季大部分時(shí)間潮濕。為了達(dá)到預(yù)期的收益和減少年際間的變化，作物往往需要補(bǔ)充灌溉，如果夏季作物在整個(gè)生育期內(nèi)能

3、夠得到充分的灌溉，那么人們就將獲得很好的收成。類似的地中海氣候也出現(xiàn)在其他國家，如：澳大利亞南部、南非、加里福尼亞南部和智利。這里所涉及的調(diào)查是關(guān)于地中海地區(qū)的水分利用效率，這些地區(qū)占了地中海氣候總區(qū)域的61%。對于地中海地區(qū)水分利用的扇形圖分析顯示，72%的可利用水資源被浪費(fèi)，農(nóng)民使用了大量的水資源，超出了所有冬季和夏季作物所需的水量，他們的作物灌溉用水量超額了30%-49%。農(nóng)業(yè)用水是地中海地區(qū)淡水資源的主要用途，現(xiàn)在人們也面臨對于水資源管理新方法的挑戰(zhàn)，這種管理既要保護(hù)好水資源又要確保它的完整性，要達(dá)到這個(gè)目的需要采取以下三種策略：（1）通過控制供應(yīng)來保護(hù)水資源，更好地確定作物對水的需求

4、量，并發(fā)展生物物理標(biāo)準(zhǔn)來準(zhǔn)確測定灌溉調(diào)度；（2）改善農(nóng)業(yè)灌溉供水系統(tǒng)的性能；（3）在地中海地區(qū)種植多種作物以提高水分利用效率。這些的實(shí)現(xiàn)要靠生物、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等因素的統(tǒng)一，以此來改善作物種類的水分利用效率。目前的研究主要集中在最后一項(xiàng)上，其主要含蓋了三個(gè)主要題目：（1）對不同時(shí)空條件下的水資源利用效率運(yùn)用不同的方法進(jìn)行分析；（2）在地中海進(jìn)行田間小區(qū)試驗(yàn)或者盆栽試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)水分利用效率的調(diào)查，突出該領(lǐng)域的實(shí)踐知識；（3）分析目前和將來水分利用效率的差異；最后綜合分析地中海地區(qū)水分利用效率的差異，這種差異能夠組成一個(gè)特定的研究領(lǐng)域以便提高該地區(qū)的水分利用效率。2水分利用效率測定的方法有兩種方法用來測

5、定水分利用效率第一種是生理生態(tài)方法，每單位面積上的葉子，在葉規(guī)模、樹冠規(guī)模和地域規(guī)模的分析的基礎(chǔ)上，在某一特定瞬間內(nèi)研究光合作用和蒸騰之間的關(guān)系。第二種方法是農(nóng)藝方法，它是基于用水量和產(chǎn)量關(guān)系上的概念，應(yīng)考慮的時(shí)間范圍是整個(gè)作物生育期，這是重要的數(shù)據(jù)，以便管理灌溉作物的生產(chǎn)并指出健全的管理方式來提高產(chǎn)量，但是這種方法沒有提供必要的參數(shù)來了解全部所獲得的成果。這兩種方法的研究已經(jīng)運(yùn)用于玉米、向日葵和舔高粱的試驗(yàn)，這些研究是要了解所研究的物種在不同的水環(huán)境條件下的潛在生產(chǎn)力或者其農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。這項(xiàng)調(diào)查的目的是通過農(nóng)藝方法來分析作物水分利用效率，這種方法是指在同一時(shí)空范圍內(nèi)來實(shí)現(xiàn)引言中所提及的三個(gè)策略，

6、由此來建立正確的水資源管理政策。3農(nóng)藝法自從Wit(一專家)的研究至今，許多不同的表達(dá)形式（水分利用效率、作物水分生產(chǎn)率）已經(jīng)被提出并討論，總結(jié)而言，水分利用效率可以用以下公式表示： WUE (kgm3) = yield water consumption 水分利用效率=產(chǎn)量耗水量其中產(chǎn)量方程可以由兩個(gè)參數(shù)表示，單位均為kgm2，（1）全部干物質(zhì)產(chǎn)量（2）適銷對路作物產(chǎn)量比起干物質(zhì)產(chǎn)量適銷對路作物產(chǎn)量是一個(gè)更加準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)，對于一些作物如杜蘭麥（一種硬粒小麥，主要產(chǎn)區(qū)為北部大平原，北達(dá)科他、蒙大拿、加里福尼亞和亞歷桑那等地）和有類似特征的作物，由于遺傳基因的改良產(chǎn)量差異很大。但是，對于一些其它物

7、種，如鷹嘴豆和棉花， 商業(yè)產(chǎn)量/生物量這個(gè)系數(shù)對于大范圍內(nèi)的干旱地區(qū)和鹽堿地是常量。與此相反，對于玉米，向日葵和小麥，這個(gè)比值由于水分虧缺明顯不同。因此適銷對路產(chǎn)量更加準(zhǔn)確，因?yàn)樗砹藙趧恿Φ慕?jīng)濟(jì)價(jià)值。這個(gè)值對于灌溉成本來說一個(gè)重要的決定因素。對于使用適銷對路產(chǎn)量來計(jì)算水分利用效率來說，最大的缺點(diǎn)是水分含量難以確定，如果它是個(gè)未知量，那么干物質(zhì)產(chǎn)量的確定可能受到影響，在生長季節(jié)99作物用水蒸發(fā)到了大氣中，由于這個(gè)原因，作物用水量被認(rèn)為大約等于蒸騰量（ET）以mm或者m3計(jì)。土壤蒸發(fā)量通常少于總數(shù)的10 ，甚至當(dāng)土壤表面仍然相當(dāng)潮濕的時(shí)候。運(yùn)用不同的農(nóng)業(yè)技術(shù)（播種時(shí)間，種植密度，灌溉次數(shù)，施肥

8、，使用地膜）正確管理，可以最大限度地減少蒸發(fā)量。在田間小區(qū)試驗(yàn)中有許多不同的方法來確定蒸騰量，在一些試驗(yàn)中，如果蒸騰量沒有被測定，可以用灌溉供水量來代替。地中海地區(qū)灌溉供水過量，使得獲得準(zhǔn)確的水分利用效率值非常困難。4由田間小區(qū)試驗(yàn)測定的地中海地區(qū)水分利用效率表一列出了地中海地區(qū)不同國家和不同品種作物的綜合水分利用效率值。圖一顯示了地中海地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的對比。表一 地中海地區(qū)各國家不同作物的水分利用效率值 (kgm3)Grain crops糧食作物Wheat小麥Syria 窗體頂端敘利亞窗體底端0.52.5Oweis (1997)Morocco 摩洛哥0.111.15Corbee

9、ls et al. (1998)Morocco 摩洛哥0.321.06Mrabet (2002)Israel 以色列0.61.60 Amir et al. (1991)Italy 意大利1.021.20van Hoorn et al. (1993)Italy 意大利1.081.59Katerji et al. (2005b)Turkey 土耳其1.331.45 Sezen and Yazar (1996)Corn玉米Turkey 土耳其1.652.15 Dagdelen et al. (2006)Turkey 土耳其0.221.25 Gencoglan and Yazar (1999)Ital

10、y 意大利1.351.80 Ben Nouna et al. (2000)Italy 意大利0.821.17Katerji et al. (1996 )Lebanon 黎巴嫩1.361.89Karam et al. (2003)France 法國1.6Marty et al. (1975)Spain 西班牙1.52.16Fernandez et al. (1996)Barley大麥Italy 意大利1.462.78 Katerji et al. (2006)Sunflower向日葵Italy 意大利0.390.72Katerji et al. (1996)France 法國0.6Marty e

11、t al. (1975)Soybean大豆Italy 意大利0.470.77Katerji et al. (2003)France 法國0.55Marty et al. (1975)Lebanon 黎巴嫩0.390.54Karam et al. (2005)Sorghum大豆Italy 意大利0.671.59Mastrorilli et al. (1995b)Broad bean蠶豆Italy 意大利0.861.37Katerji et al. (2003)Italy 意大利0.450.92 Katerji et al. (2005a)Syria 敘利亞0.450.66 Oweis et al

12、. (2005)Chickpea鷹嘴豆Italy 意大利0.460.98 Katerji et al. (2005a)Syria 敘利亞0.40.6Oweis et al. (2004)Lentil扁豆Italy 意大利0.362.09 Katerji et al. (2003)Syria 敘利亞0.440.58 Oweis (2004)Industrial crops工業(yè)作物Cotton棉花Turkey 土耳其0.610.72 Dagdelen et al. (2006)Turkey 土耳其0.500.74 Yazar et al. (1999)Israel 以色列0.220.35Saran

13、ga et al. (1998)Lebanon 黎巴嫩0.81.3 Karam et al. (2006)Sweet sorghum甜高粱Italy 意大利3.694.20 (stalk)Mastrorilli et al. (1995a)Fresh crops新鮮作物Potato土豆Italy 意大利16.218.5 Katerji et al. (2003)Sugar beet甜菜Italy 意大利6.67.0Katerji et al. (2003)Tomato西紅柿Italy 意大利4.48.3 Katerji et al. (2003)Italy 意大利20 (globe fruit

14、) Rana et al. (2001)Italy 意大利22.2 (long fruit)Katerji and Rana (2006)Fruit trees果樹Grapes葡萄Italy意大利1618.1 From Rana and Katerji (2007)Clementine柑橘Italy 意大利18.8From Rana et al. (2005)圖一 地中海地區(qū)國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的比例Fig. 1. Productions of the agricultural sectors in Mediterranean countries in %respect to the w

15、orldwide productions (after MedAgri, 2001).本次調(diào)查得出以下結(jié)論：第一， 關(guān)于水分利用效率可用的數(shù)據(jù)是一年生的作物，主要是糧食作物。但是，對于消耗大量水量的作物很難分析如水稻，這些信息還比較欠缺。關(guān)于豆類作物的數(shù)據(jù)也非常有限，而且果樹的數(shù)據(jù)也不完整 。第二， 市場價(jià)值關(guān)系到其本身鮮重的作物（如西紅柿、土豆）的水分利用效率高于那些以干重來計(jì)算其價(jià)值的糧食產(chǎn)品。第三， 同類作物之間水分利用效率值也存在著很大的差異。這些差異不但存在于不同的國家之中，而且也存在于同一國家同一地區(qū)。這些既可以從冬季作物小麥中看出來，又可以從夏季作物玉米中看出來。5田間小區(qū)試驗(yàn)作

16、物的水分利用效率分析田間小區(qū)水分利用效率分析包括尋找觀測值與大量參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，這些易受影響的參數(shù)是用來解釋水分利用效率差異性的。除了試驗(yàn)錯誤導(dǎo)致的產(chǎn)量和蒸騰量錯誤之外，水分利用效率的差異還有以下三個(gè)主要來源：（如圖二）（1）農(nóng)業(yè)技術(shù)：水肥耦合技術(shù)（2）植物：物種之間的差異，品種的影響、水約束條件下物候階段的敏感性（3）環(huán)境：土壤和氣候。這些因素包括蒸發(fā)量，大氣污染和氣候變化。圖二在現(xiàn)實(shí)中，各種條件共同作用。例如：晴天是有利條件，但與此同時(shí)卻伴隨著土壤、大氣干旱以及空氣污染。然而，為了驗(yàn)證每種因素在水分利用效率差異中所起的作用，需要將每種因素分開考慮。在實(shí)際分析操作中也忽視了大量的能夠改變

17、水分利用效率的因素，因?yàn)檫@些因素不可直接獲得，如疾病，昆蟲和雜草。一些傳統(tǒng)的耕作習(xí)慣如：播種冬季作物的日期、作物密度、一年內(nèi)同一種作物能夠耕種幾次的可能性以及地膜的使用、這些也能改變水分利用效率。6結(jié)論與建議由調(diào)查分析歸納的圖二中指出了10種容易影響作物在田間小區(qū)試驗(yàn)中水分利用效率的因素，目前提出現(xiàn)有知識的缺陷是有必要的，以便在將來工作中彌補(bǔ)這個(gè)領(lǐng)域的不足。從某種程度上來說，這些領(lǐng)域可以分為兩個(gè)方向來看：方法和研究。6.1方法水平應(yīng)特別注意的是常規(guī)地點(diǎn)蒸騰量測定的方法，并將其運(yùn)用到地中海氣候地區(qū)。在缺乏準(zhǔn)確估計(jì)參數(shù)的情況下，那將失去水分利用效率分析意義。對于分析準(zhǔn)確的水分利用效率數(shù)據(jù)，應(yīng)采取生理生態(tài)方法與農(nóng)藝方法相補(bǔ)充。縮減水分利用效率差異性是深層次分析的首要條件，這也是一項(xiàng)專門的研究，為了檢測管理方法是否充分以便改善水分利用效率。6.2研究水平地中海地區(qū)主要農(nóng)作物是多年生的作物（主要是果樹），但是關(guān)于這些作物的水分利用效率的研究還沒有進(jìn)行，主要是缺少確定水分消耗的方法，這方面應(yīng)該是將來的發(fā)展方向。實(shí)際的水分利用效率分析采用的是高水質(zhì)的水。由于鹽堿地不斷增加，而且各國越來越多的使用非傳統(tǒng)水進(jìn)行灌溉，關(guān)于水質(zhì)的水分利用效率分析變得更加重要。通過過度干旱地區(qū)和鹽堿化地區(qū)品種的創(chuàng)新，植物改良方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。目前，分析地中海地區(qū)作物的水分利用效