不合理灌溉导致的品质低下及其对环境的影响是制约特色农业可持续发展和农民增收的主要因素。很多地区仍依靠水、肥等资源的大量投入来追求高产，形成了高投入—高产量—低品质—低价格—低效益的恶性循环。随着人民生活水平的提高，消费者会更多的关注农产品的品质。灌溉是旱区和设施农业中最为频繁的管理措施之一，如何对特色经济作物进行科学、合理的灌溉以达到节水、丰产、优质、高效的目的，是现代农业生产中迫切需要解决的科学问题。

所谓节水调质高效灌溉是从作物水分-品质响应的生理机制出发，在筛选水分敏感型品质参数的基础上，建立作物水分-品质-产量-效益综合模型，通过精量的实时亏缺灌溉调控作物体内的信息流动，进而调控果实的品质，从而保证一定产量的前提下以较少的耗水量生产出更高质量的农产品，最终实现节水、丰产、优质、高效和对环境友好目标的节水新思路。

1. 节水调质高效灌溉的理论基础

1.1 节水调质高效灌溉的生理学基础

农业生产中，水分不仅作为各种物质转运的载体，而且还直接参与细胞分裂、糖分转化等生理生化过程。水分亏缺条件下，对果实细胞来说，膨压是主动渗透作用的驱动力，可溶性糖的累积一方面可以降低水势，维持水和溶质向果实流入；另一方面使果实中的糖代谢维持在一个适当的水平。通过灌溉调控可改变糖酸向果实的运输，引起糖的叠加效应，进而调控果实的品质。适度的水分亏缺下，根源脱落酸（ABA）浓度增加将导致木质部汁液中ABA浓度升高。尤其果实成熟期，枝叶与果实木质部联系程度降低导致源库间的液流通量减少，使果实表皮细胞中ABA的累积量远低于茎叶中的含量，尽管其营养生长被抑制，果实中糖的积累和色素形成过程却没有受到明显的影响。此外，受水分调控驱动的作物体内ABA浓度的增加还能提高谷氨酰酶底物γ-谷氨酰磷酸的合成活力，通过影响细胞内H+的分泌，改变细胞的pH值。这些生理过程均直接或间接影响果实品质的形成与转化过程。

1.2 节水调质高效灌溉的生物学基础

作物生长发育的某些阶段主动施加一定程度的水分胁迫，其叶面积指数减小，植物透光率增大，有利于果实的着色和相应营养元素的合成，而合理的灌溉能使根、茎、叶各部分不产生冗余生长，控制作物各部分的最优生长量，维持根冠间协调平衡的比例，不仅可以有效地控制营养生长，使更多的光合同化产物输送到生殖器官，而且可大大节省修剪工作量，简化田间的栽培管理并提高栽植密度，以调节作物的生长进程，并诱发补偿生长效应。实现提高经济产量和水分利用效率而又大量节水的目的。此外，适量灌溉情况下，果树的生理病害也较少，果树的大小年现象也会相应减轻。

1.3 节水调质高效灌溉的工程学基础

作物耗水过程的监测与模拟是节水调质高效灌溉理论研究的前提，也是贯穿作物高效用水调控与节水调质管理的基础科学问题。在不同尺度上，应用水量平衡法、液流计-微型蒸渗仪法、波文比—能量平衡法、空气动力学法、涡度相关法和遥感法等进行了大量研究，而且建立了单层P-M模型和双层S-W模型以及考虑遮荫和局部湿润的PRI模型。热脉冲、热扩散和热平衡技术提供了在作物自然生长状态下实时测量木质部液流从而简捷准确地确定作物蒸腾耗水量的途径；此外，现代果蔬产业和设施农业的快速发展也为精量控制灌溉奠定了基础，初步形成了基于激光控制土地平整技术、地面灌溉过程控制技术和精细地面灌溉系统设计与评价方法的精细地面灌溉技术体系；基于作物耗水过程的监测与模拟，以信息技术为手段，应用先进的自动化控制技术，开发了一系列节水灌溉自动监测与控制系统。这些均为节水调质高效灌溉的实施提供了工程学基础。

2. 水分-品质响应关系研究

2.1 作物品质对水分亏缺的响应机理

作物的品质可分为外观品质、营养品质、贮运品质、风味品质和加工品质。确定适宜的亏缺灌溉控制指标并实施精量灌溉有利于果实品质的改善。目前国外在不同生育期亏水程度、亏水历时、亏水方式等与品质指标响应关系的研究方面有一些定性研究结果。还有一些研究对不同阶段的亏水程度与果实单项品质指标之间进行了相关分析，并建立了简单的经验模型，为节水调质提供了一定的理论依据，这些经验模型尽管回归精度较高，但缺乏一定的生理基础。

目前有关作物品质对水分亏缺响应机理的研究主要集中于不同亏缺灌溉时期对品质指标的影响方面，还存在以下几个亟待解决的问题：①仅限于对单一品质指标的变化进行趋势分析，没有从机理上进行深入研究，对一些品质指标的响应没有从生理角度解释水分调控驱动的机制；②各品质指标之间存在一定程度的相关性，对其内在相关关系的研究将为作物综合品质的改善提供依据，这也是下一步研究的重点；③在某一特定灌水方式下，各品质指标与不同生育阶段水分亏缺之间的定量关系尚不明确，对这一问题的研究将为寻求产量和品质的最佳结合点从而制定节水优质高效灌溉模式提供理论依据；④品质不但与水分关系密切，还与作物生长的气候、土壤、养分、光照、作物品种、储藏条件、后期加工方法等因素有密切关系，结合其它生长因素尤其是水肥耦合作用对品质进行综合研究也是未来研究的重点方向。

2.2 水分敏感型品质指标优选与品质综合评价方法

品质评价常用的数学方法有聚类分析、模糊综合评判、主成分分析和灰色关联度法等。此外，作为定性和定量分析综合的一种方法，层次分析法在品质评价中也得到了初步应用。尽管上述研究均未涉及灌溉和土壤水分条件，但可为不同灌溉调控模式下的品质评价提供理论参考。

目前，在水分敏感型品质指标优选与品质综合评价方法研究中还存在以下几个迫切需要解决的问题：①作物品质自身涉及指标较多而且影响因子复杂，基于水分-品质响应的生理机制对其内在相关关系的研究将是未来研究的重点；②单项品质指标对土壤水分调控的响应规律与水分敏感型品质指标的选择及其对不同水分亏缺模式的响应关系；③综合品质评价指标的数学描述，单项品质指标很难准确表征产品的综合品质，针对不同用户群的农产品“品质期望”，通过市场调查、专家打分确定权重和隶属度，应用模糊数学方法确定其综合品质评价指标，将是水分-品质响应关系研究的重要突破；④综合品质评价模型的建立，常用的方法有模糊综合评判、主成分分析、灰色关联度分析、层次分析法等，这些方法是否适于不同灌溉模式下品质的模糊综合评判及模型建立尚需进一步探讨。

2.3 水分-品质-产量-效益综合函数及节水调质高效灌溉决策方法

基于水分-品质-产量-效益综合函数进行作物节水调质高效灌溉决策的研究目前几乎还是空白。其总体思路是：在精确测定作物需水信息和对水分响应敏感的品质指标筛选的基础上，综合考虑“优质优价”和不同农产品消费终端的“品质期望”与潜在市场价值，建立作物水分-品质-产量-综合效益评价模型，将水分调控对品质指标的影响定量化，结合节水指标、产量指标与经济效益指标，确定不同指标合理的权重（隶属度），借助熵权理论、灰色关联度分析、层次分析、模糊数学等方法建立定量化的灌溉决策模式，从而在保证一定产量的前提下以最低的耗水量生产出最高质量农产品，最终使农户获得较高的经济效益。

3. 节水调质高效灌溉的实施思路

基于水分-品质响应关系的节水调质高效灌溉，其实施途径是在精确测定植株水势、液流、茎杆与果实微变化、冠层温度、声波等作物需水信息的前提下，通过不同尺度耗水分析，实现由单株向农田、区域尺度的转换，为水分调控提供精准的可控指标；根据作物品种、生育期、地块位置、气象条件等的不同，实时制定动态的灌溉制度，利用遥感、自动控制、人工智能等技术实现变量施肥和灌溉。在此基础上，分析不同作物品质指标与不同阶段、不同程度、不同方式控水的关系，筛选出水分敏感型的主要品质参数，建立水分-品质响应函数，面向不同作物的产品用途建立受水分调控驱动的作物品质指标体系，确立品质指标采集与综合效益评价标准，构建不同区域灌溉调控品质数据库，分析比较各种灌溉模式的应用条件及适用性，基于水分-品质-产量-综合效益模型，优选出适于不同作物的节水调质高效灌溉模式，分析各种模式应用的条件及适用性，用于指导土壤水管理和精量控制灌溉决策。

4. 节水调质高效灌溉需要解决的几个重要科学问题

4.1 作物品质综合评价指标的构建

特色经济作物的内在品质是果实商品性优劣的重要指标，主要由糖、酸、香气、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等构成，其中糖类组成和含量及糖酸比是决定果实风味的重要指标。目前有关水分与品质关系研究涉及较多的指标也主要是可溶性固形物、总糖、酸及糖酸比。这些指标可以量化，但主观上的口感、果实形状等“模糊”指标则难以量化，因此，如何针对不同特色经济作物筛选出水分敏感型品质指标，在此基础上如何客观的评价其综合品质是确定水分-品质响应关系所要解决的首要问题。此外，对于水分敏感型品质指标，选择何种方法优选以及如何将其运用于品质综合评价指标的数学描述还是一项新的课题。

4.2 水分-综合品质响应关系的量化

在水分-品质响应关系的量化研究方面，目前主要集中在某个或某几个品质指标与全生育期耗水量或灌水量经验关系的建立上。如何寻求一种具有物理意义和生理学基础的，体现产量和品质受水分调控驱动差异的函数来表征水分-品质-产量的响应关系尚待进一步研究。此外，作物产量形成的敏感期已有较多的报道，但对品质形成的敏感期尤其是综合考虑产量和品质敏感期的研究相对较少，已有的研究也主要限于定性研究。有研究者提出可溶性固形物产量的概念，即可溶性固形物含量与产量的乘积，这不失为一种将品质和产量相结合的途径。但其合理性以及如何将品质、产量、效益与耗水量相结合尚有待商榷。

4.3 水分-品质-产量-经济效益综合模型的构建

如何通过对不同水分条件与灌溉模式下特色经济作物外观品质、营养品质、运输储藏品质、风味品质和加工品质参数的监测，分析不同品质参数对水分的响应关系，建立不同作物的单一品质参数对水分的响应函数尚待进一步研究；如何应用主成分分析、聚类分析等方法从众多品质参数中针对不同作物特点优选出水分敏感型品质指标，并通过市场调查、专家打分，并应用模糊数学方法确定不同水分敏感型品质参数的权重，提出不同作物的综合品质评价指标有待进一步深入；如何建立作物综合品质评价指标对水分的响应函数，分析作物品质-产量-效益的耦合关系，建立特色经济作物的水分-品质-产量-效益综合模型也是一项新的研究内容。

5. 结论

基于水分-品质响应关系提出的特色经济作物节水调质高效灌溉理论是在以往非充分灌溉理论基础上的一种新的灌溉调控理念，不仅能够回答基于需水信息和水分-品质-产量耦合模型的作物节水调质高效灌溉决策方法与灌溉控制阈值等科学问题，而且将推动以水量平衡理论和单纯考虑作物水分-产量模型为基础的传统农田灌溉理论，向以作物需水信息和综合考虑水分-产量-品质耦合为基础的节水调质高效灌溉新理论的发展，促进农业水利学科的基础理论的发展与创新。