农业水土工程学科的任务及发展趋势

农业水土工程学科的任务及开展趋势摘要：从农业水土工程学科的内涵启程，谨慎探讨了学科的探究领域范畴，并且回忆了农业水土工程学科的开展过程，就该学科的主要探究任务开展趋势进展了探讨，提出了几点关于促进农业水土工程学科开展的建议。关键字：农业水土工程任务开展趋势Abstract:Fromtheconnotationofagriculturalsoilengineeringdisciplines,carefullydiscussessubjectresearchfieldinagriculturalprojects,thedevelopmentstage(oragriculturalscienceandtechnologyapplicationinengineeringofdeeplevel)isanalyzedandthetrendofagriculturalsoilengineeringdisciplineswereappraised.Keyword:thesubjectofagriculturalwater-soilengineering;Mission;Developmenttrend1.农业水土工程学科的内涵及其探究内容1.1农业水土工程学科内容农业水土工程学科是介于工程、农业生物和资源和环境学科之间的边缘学科[3]。它既不是农田水利工程的代名词，也不是农田水利工程、水资源规划利用、土地规划利用和水土保持几个专业的简洁组装。农业水土工程学科强调水一土一作物之关系，并把和农业生产密切相关的水和土壤作为主要探究对象，把地表物质(水、盐、泥沙)迁移和能量转化规律的探究作为学科的根底和主线。作为一种工程，还必需把探究成果应用于改造世界，遵照农业开展的需求，通过必要的规划、设计和资源投入，来限制地表物质迁移、获得效益，并为持续性农业开展缔造良好的农田生态环境[1]。可以说，农业水土工程学科是把土壤、植物、大气作为一个整体，用连续的、系统的、动态的观点和定量的方法，探究地表物质(主要是水、盐、泥沙、污染物和养分)迁移和能量转化规律及其工程调控措施和技术装备，最有效地利用水土资源，为开展农业生产效劳，并为农业的持续性开展缔造良好的水土资源环境的科学[4]。它的主要领域是探究以土壤一作物一水关系为中心的农田水分循环规律和有效的调控措施，到达持续性土地利用的目的[2]。1.2农业水土工程学科探究内容在农业节水和水资源可持续利用领域的某些方面已到达或接近国际先进水平和国际领先水平。重点探究内容是农业节水理论、田间节水浇灌新技术和节水浇灌设备、中低产田改良的排水技术、水资源持续利用理论和工程技术、灌区用水管理、农业水土环境监测、修复和保育、农业高效用水的工程技术等方面的应用根底理论和新技术。

农田物质迁移规律及其调控机理[5]该领域主要探究农田水肥的运移规律及最优调控机理。包括农田“五水”(大气水、地面水、地下水、土壤水、植物水)转化的机制及其数值模拟;农田水盐运移规律和溶质传输模型;农田水热耦合运移及水热转换关系;土壤—植物—大气连续体(简称SPAC)中的水分传输机理、水分传输的动力学模式及其计算机仿真方法;作物水分散失和光合作用的耦合模式;农田作物蒸发蒸腾量和流域蒸散发量的计算方法;作物对地下水利用量的计算方法、不同地下水埋深的潜水蒸发规律及其对作物产量和农田水分循环和水平衡的影响,农田地面水—地下水—土壤水联合最优调配的理论和方法;以节水高产为目标的土壤水调整模型;浇灌水(降水)—土壤水—作物水—CO2同化—干物质积累—经济产量间转化效率的计算理论和方法以及提高各环节水量转化效率的农田节水调控原理和方法;农田盐分平衡的计算及其调控;溶质(主要的化肥农药)和污染物等在土壤水—地下水系统中的迁移规律;土壤侵蚀量的计算及泥沙随水流在地表的运移规律,需从土壤水动力学和土壤物理学理论启程,对降雨后水分和溶质沿坡面流淌过程、雨滴击溅和径流侵蚀过程以及黄土坡面降雨漫流的数学模拟等进展探究。1.2包括水分亏缺(或水分胁迫和干旱)对作物光合作用、生长和产量构成等因素的影响关系;土壤水和含盐量水平对植物根系吸水、水分散失和生长发育及产量的影响;水分过多(渍或涝)对作物的影响;作物耐旱、耐盐、耐渍涝的定量标准;作物水分状况的定量诊断方法,特别是用红外测温或遥感信息诊断作物水分状况的问题;土壤水分对作物有效性动态评价理论;探讨作物缺水受旱状况开展进程的模式,确定各种作物不同产量水平常所允许的土壤水分亏缺,建立各种供水条件下作物节水浇灌预报经济指标体系;探究浇灌水量有限条件下作物群体光合产物的最优支配策略,以提高光合效率和经济产量及水分利用效率;探究作物生理节水的潜力,把作物生长发育和到达某一产量水平必需消耗的水量,限制在最低的限度。为了适应农业节水的要求,须要探究作物水分生产函数,应在单阶段受旱的根底上探究多阶段受旱或连续受旱对作物的影响,探讨作物缺水敏感指数(或减产系数)的变更规律;为了发挥综合节水措施的作用,还须要探究作物水肥生产函数问题,确定有限浇灌水量条件下非充分浇灌模式的理论和方法。农业高效节水关键技术农业高效节水关键技术是指近期内能对农业高效节水有重要作用,同时具有必需科学水平的节水技术措施,依据近阶段的投入条件和重要性以及我国国民经济开展状况,将来十几年须要解决的关键技术问题有:节水浇灌新技术、渠道防渗和管道输水技术、主要作物节水、增产、搞笑浇灌制度、灌区水管理技术。农业综合水肥高效利用技术具体包括不同节水技术条件所适宜的水肥耦合技术,包括节水地面浇灌条件下水肥耦合技术,喷灌条件下水肥管理技术,滴灌条件下适宜的施肥浇灌模式;提高农田水分利用效率的耕作栽培技术,包括耕作措施对水分利用效率的影响及和各种耕作措施相适应的农田用水技术,带状种植的高效用水技术;覆盖保墒及节水浇灌配套技术,包括秸秆覆盖的最正的确施方案及配套的节水浇灌技术,地膜覆盖技术和相应的农机具配套改良,覆盖保墒新材料的选用及其配套的节水浇灌技术;节水、高产、高效的综合农业配套技术;化控节水技术的应用;干旱丘陵地区抗旱保苗的移动式简易节水农机具研制及节水配套技术。1.2.5许多浇灌农业区域由于对自然资源的消耗和引起环境的恶化而存在着紧要的紧急。为了幸免负效应,开展持续性的浇灌农业,必需对浇灌土地进展评价,建立浇灌土地利用合理性评价的原那么指标体系及方法,在浇灌土地适宜性评价根底上进展合理的浇灌区划,对不适宜于持续性浇灌农业开展的土地要进展改良,包括接受以农田排水技术为主,并和其它农业技术措施密切结合对盐碱地、沼泽地、渍害等中低产田进展综合改良。要探究考虑水—土—作物关系的农田排水机理及其标准(排涝和排渍),改良中低产田的综合技术的最优组合,盐碱化地区排水方式的优化选择和优化管理,排水沟布局和规格标准等。1.2要探究农村水源环境爱惜,水土工程的环境影响评价,水环境变更对局部地区气候及土壤的影响;探究浇灌对农田土壤水盐运动的影响,土壤次生盐碱化的预料,农业化学物在土壤中的输运及聚集,地下水中农药及污染物的吸附、解吸和传输,稻田渗漏引起的氮素或其它养分的淋失规律和数学模拟;探究树冠和林草以及水保工程措施对降雨截留、调整地表径流,促进“五水”转化的作用;探究湖、库、塘、窖、坝、池泥沙沉积量的测算方法;加强水土保持根本理论的探究和水保新技术的应用;探究不同地区“生态防护区”问题和农、林、牧综合开展的最优生产构造模式,削减水土流失、爱惜水源,从根本上改善农业水土资源的利用条件;为防治水土资源污染,要探究适合中国国情的农业水土环境整治措施[6]。1.3学科体系农业水土工程作为一个学科领域，有其自身的体系和范畴。它主要有三个方面的问题:其一是农业水土工程学科本身的根本理论，包括农业水文学理论、流体力学和水力学理论、土壤物理学和土壤水动力学理论、地表物质(水分、溶质、泥沙)迁移和能量转化理论、植物水分生理和抗逆性生理理论、农业气象学理论、农田生态学理论等，当然，它并不是深化到这些边缘学科领域中解决问题，而是要加强它和其边缘学科的穿插渗透，从中吸取养分、加以同化，合纵连横，形成具有综合性和学科穿插性新领域及自身的理论体系;其二是它所接受的方法学，包括数值计算方法、系统工程学、模糊数学、应用随机过程、系统动力学、信息论、限制论、预料学和技术经济学等，借助这些方法，才能从整体上和相互作用上考虑水一土一作物一大气之关系，使地表物质迁移和能量转化的定量描述能够实现，同时才能科学地确定其调控方案，使该领域由单纯的试验性质变为一门有较严格的理论根底和定量方法的科学;其带三是农业水土工程学科中探究手段的更新和新技术的应用，包括计算机技术、核技术、信息技术、红外技术、遥感技术、电测技术、现代工程技术以及先进的灌排扰术和设备的应用，这将会使土壤水分动态、水盐动态、水沙动态、水污染状态、作物水分状况、农田微气象数据等方面的监测、采集、处理技术得到开展，促进水一土一作物一大气关系的探究，进展科学的水土管理，最大发挥水土资源的效益。至于农业水土工程建筑技术那么是另一个专业范畴的问题[7]。2.农业水土工程学科任务2.1地表物质迁移和能量转化理论及其调控原理该领域的探究包括农田“五水”(大气水、地面水、地下水、土壤水、植物水)转化的机制及其数值模拟;农田水盐运移规律和溶质传输模型;农田能量转化规律和农田能量平衡;农由水热藕合运移及水热转换关系的探究;土壤一植物一大气连续体(简称SPAC)中的水分传输机理、水分传输的动力学模式及其计算机仿真方法;作物水分散失和光合作用的藕合模式;农田作物蒸发蒸腾量和流域蒸散发量的计算方法、红外测温顺遥感技术估算大区域作物蒸发蒸腾量的问题;棵间蒸发和叶面蒸腾的比例关系。分析农田节水的潜力，为耕作保墒和浇灌排水等土壤水管理措施供应科学依据;进展区域节水潜力分析和开展预料，为做到区域性水土资源平衡缔造条件。探究作物对地下水利用量的计算方法、不同地下水埋深的潜水蒸发规律及其对作物产量和农田水分循环和水平衡的影响，农田地面水一地下水一土壤水联合最优调配的理论和方法;以节水高产为目标的土壤水调整模型;浇灌水(降水)一土壤水一作物水一coZ同化一干物质积累一经济产量间转化效率的计算理论和方法以及提高各环节水量转化效率的农田节水调控原理和方法;农田盐分平衡的计算及其盐碱地冲洗定额。探究土壤侵蚀量的计算及泥沙随水流在地表的运移规律，需从土壤水动力学和土壤物理学理论启程，对降雨后水分和溶质沿坡面流淌过程、雨滴击溅和径流侵蚀过程进展探究;黄土坡面降雨漫流的数学模拟等。2.2逆境对作物的影响机制及其节水型农业中的水分管理问题包括水分亏缺(或水分胁迫和干旱)对作物光合作用、生长和产量构成等因素的影响关系;土壤水同含盐量水平对植物根系吸水、水分散失和生长发育及产量的影响;水分过多(渍或涝)对作物的影响;作物耐旱、耐盐、耐渍或涝对作物的定量标准;作物水分状况的定量诊断方法，特别是用红外测温或遥感信息诊断作物水分状况的问题;土壤水分对作物有效性动态评价理论、探讨作物缺水受旱状况开展进程的模式，确定各种作物不同产量水平常所允许的土壤水分亏缺，建立各种供水条件下作物节水浇灌预报经济指标体系。探究浇灌水量有限条件下作物群体光合产物的最优支配策略，以提高光合效率和经济产量及水分利用效率。探究作物生理节水的潜力，把作物生长发育和到达某一产量水平必需消耗的水量，限制在最低的限度。为了适应节水型农业水管理的要求，须要探究作物水分生产函数，应在单阶段受旱的根底上探究多阶段受旱或连续受旱对作物的影响，探讨作物缺水敏感指数(或减产系数)的变更规律;为了发挥综合节水措施的作用，还须要探究作物水肥生产函数问题。须要探究确定有限浇灌水量条件下非充分浇灌模式的理论和方法，如用线性规划方法确定作物最优种植模式和浇灌水量在灌区多种作物间的最优支配，缺水条件下利用浇灌存贮模型确定最优浇灌策略，用动态规划法确定有限浇灌水量在作物全生育期内的最优支配，以及接受数量经济学方法分析最优浇灌水量的投入条件等。2.3以土壤一作物一大气系统水关系为根底的现代浇灌管理理论和技术现代浇灌用水管理的一个特点是由静态用水准备变为动态用水准备。动态用水准备建立在气象预报、作物需水量和土壤墒情预报、浇灌水源预报的根底上，严格考虑水一土一植一气的关系预报灌水时间、灌水量，确定渠系的水量支配准备及其渠系水量流量实时调控方案。在水源足够条件下，应探究用田间水量平衡方程或sPAc中水分传输动力学模式预报土壤墒情和灌水的间题;在水量缺乏时，应探究用动态规划法或其它优化方法确定浇灌水量最优支配的问题;应探究把过去的按月或季节编制的用水准备改为按旬、5日或日调整的准备、对浇灌用水进展计算机管理、建立浇灌用水管理数据库及决策支持系统。为了保证预报和用水准备编制的精确性，还须要探究土壤墒性、作物需水量及浇灌水源预报问题，探究土壤墒情和浇灌水源的监测技术。为了满足渠系优化配水的要求，必需对渠系水量流量进展实时调控。目前探究的重点应放在完善调控模型、非稳定流方程的解算方法以及调控软件的用户界面上。为了真正做到按量计费、节约用水，还须要探究不同类型灌区适用的价廉管用、易于推广的量水设备。须要加强对灌区输配水系统和田间用水状况的监测和评估的探究，评价灌区用水状况，须要探究灌区水管理评估指标体系，包括灌水适时、适量、牢靠、有效和匀整性等。2.4田间灌水技术的改良和节水型农业综合技术体系地面浇灌技术照旧是浇灌方法探究的重要课题。须要深化探究畦沟规格、流量、放水时间等和田间坡度、糙率、土壤入渗性等因素的最优组合，模拟沟畦灌水流推动过程和灌水入渗过程，寻求最正确灌水技术方案。同时还须要探究波涌灌、长畦分段灌、水平畦灌、膜上灌等。灌水方法的最优灌水技术方案。探究经济可行的管材，提高管灌施工的机械化程度，并配套探究田间节水浇灌设备，如出水栓和配套管件等，改良低压管道输水浇灌技术。须要接着探究微灌设备及其管理措施;微灌水流渗入土壤的过程，为改良微灌系统的设计方法供应依据。微灌的浇灌制度应和限制及减轻作物短期水分胁迫联系起来，以缓和茶叶、柑桔等经济作物即使在土壤供水足够时，仍在燥热中午遭受大气干旱而造成的短期水分胁迫问题，可大大提高光合速率和产量。田间灌水技术的探究还应改正以往单项节水工程技术开展节水浇灌的作法，将节水的农业技术、水利技术、管理技术有机地结合起来进展探究，发挥综合技术的作用。田间灌水技术的改善要和方田建立、立体农业及耕作保墒技术结合起来，探究耕作保墒、农田覆盖和抑蒸保墒化学药剂对作物水分利用效率的影响，以及培肥土壤、发挥水肥联合增产的效应，以提高有限水资源的整体利用率和作物产量[10]。2.5和持续性农业开展有关的浇灌土地评价及其土壤改良技术许多的浇灌农业区域由于对自然资源的消耗和引起环境的恶化而存在着紧要的紧急。为了幸免浇灌负效应，开展持续性的浇灌农业，必需对浇灌土地进展评价，建立浇灌土地利用合理性评价的原那么指标体系及方法，在浇灌土地适宜性评价根底上进展合理的浇灌区划，对不适宜于持续性浇灌农业开展的土地要进展改良，包括接受以农田排水技术为主，并和其它农业技术措施密切结合的综合技术对盐碱地、沼泽地、冷浸田等中低产田进展综合改良。须要探究浇灌开展所产生的地一气系统相互作用关系的变更以及使农田物质能量的平衡和循环的变更，浇灌引起的农田水气候变更，浇灌对农田土壤水盐运动的影响，土壤次生盐碱化的预料，农业化学物在土壤中的输运及聚集，地下水中农药及污染物的吸附、解吸和传输，稻田渗漏引起的氮素或其它养分的淋失规律和数学模拟，高含沙浑水浇灌对土壤微小构造的影响机理。考虑水一土一作物关系的农田排水机理及其标准(排涝和排渍)的探究，改良中低产田的综合技术的最优组合，盐碱化地区排水方式的优化选择和优化管理，排水沟布局和规格标准等。探究削减和限制浇灌负效应的方略。2.6农业水资源的有效利用和优化管理要重视水文循环的生物圈方面问题的探究，通过水资源的有效利用和科学管理，理顺以水为中心的水一土一作物一大气系统关系，完善自然水资源系统，保持降水、地表水、地下水、土壤水和作物水之间适应于农业生产用水要求的相互转化平衡，调整地表水分循环和水平衡状况及相应的水盐、水沙状况。开展浇灌水一降水联合调度的探究，同时大力开展集蓄雨水的新技术和土壤保水的新方法;加强水沙综合利用和优化管理调度技术的探究，同时要探究泥沙综合利用和清淤机械;探究水资源综合开发利用和优化调度问题;劣质水的净化和利用以及农村人畜饮水和水质改良问题，回来水的再利用问题;探究地下水利用技术及农用提水设备的改良、配套、机井成型工艺及机井节能问题;探究水资源农业利用可能开展的潜力和规模，预料农业水量供需状况。加强农业水资源管理和农村水源爱惜工作，作好水质监测及水质变更的预料，搞好水源爱惜规划。要建立不同地区的农业水资源情报信息系统及农业水管理的决策支持系统，在水源缺乏地区，以供定需、以水定地，做到区域性的水土资源平衡。3.农业水土工程学科开展趋势3.1根底理论方面在水—土—作物—环境关系的最优调控理论和方法探究方面,将建立水、肥、环境综合生产函数和通用作物水土管理模式,建立降水(浇灌水)—作物水—光合作用—经济产量转化效率的计算模型以及水—土—植物—环境关系最优协调的理论和方法。农田物质(水、沙、盐、农业化学物)的迁移规律及其数值模拟和预料将有必需突破,为节水农业、盐碱地改良、水土保持和农业水土环境爱惜等工作供应新的理论依据[8]。在逆境对作物生长和产量影响的定量评价方法和农业水旱灾难及防治对策方面,将会建立逆境(旱、渍涝、盐碱化)对作物影响的定量评价指标体系,农业水旱灾难的预料精度可能提高10%左右,对农业抗旱防洪决策将供应新的依据。随着农业水土工程学科领域探究的进一步深化,有关土壤、植被和大气界面过程问题,探究的尺度问题,土壤、植被条件的非匀整性问题,农田水分、盐分迁移中各局部介质的非线性相互作用问题,农业污染物在地下水和土壤水中的迁移等,将是将来农业水土工程学科探究中的难点和前沿问题。3.2应用技术方面浇灌方式将从传统的丰水高产型浇灌转向限水浇灌(LimitIrrigation)、非充分浇灌(Non-fullIrrigation),以提高水的利用率。各种利用适度亏水来调控刺激作物生理机能,以提高作物水的利用效率、生产率,改善农产品品质的调亏浇灌、分根交替浇灌也将得到深化探究和推广。喷、滴灌等先进的灌水技术将得到广泛运用,设备运行的牢靠性、运用寿命和自动化程度很大提高。各种先进的地面灌水技术如间歇灌、膜上灌、激光平地和水平畦灌、果树渗(地下滴)灌等将得到大面积推广。各种浇灌技术和农业措施将有机融合在一起,形成综合水土资源高效利用技术。如各种水肥耦合、带状种植、覆膜保墒等适合国情的水土高效利用技术将广泛运用,以提高水肥利用率、农作物产量,改善农产品的品质。灌区将广泛接受先进的大区域土壤墒情、作物旱情和水源水情实时监测和预报技术、渠系水量流量调控技术及灌区动态配水技术,实现灌区水量最优调度。雨水集蓄和高效利用的技术将得到深化探究,形成具有中国特色的雨水利用技术体系,将会在西北半干旱地区和南方丘陵坡地广泛推广,以提高降雨的生产率。依据不同地区的特点,将广泛接受各种先进水土保持、高含沙浑水、局部苦咸水、污水浇灌及地下水持续利用等区域水资源持续利用技术,以到达区域水资源的持续高效利用