节水灌溉概论与技术

1节水灌溉概论与技术讲稿主讲刘增进2第一章节水灌溉概论第一节节水灌溉的内涵及研究内容一、定义节水灌溉是根据作物需水规律及当地供水条件，为了有效地利用降水和灌溉水获取农业的最佳经济效益、社会效益和生态环境效益而采取的多种灌溉措施，如喷灌、滴灌、膜上灌等。节水灌溉在我国多用，特别是水利部门。“高效用水”，国外多用，我国农业部门也用，其意义有所差异。应该说明的是，节水灌溉或高效用水都是一个相对的概念，不同的农业发展阶段，不同的技术水平，不同的农业生产水平，其含义是随之而变的(如喷灌耗能、不节水问题)，不同国家、不同的地区有不同的节水标准。二、从水源到形成作物实物产量经过的环节三个环节：工程节水水源（输配）→田间(灌溉净水量)农艺节水田间（入渗、蒸发渗漏）→土壤计划湿润层(土壤水)管理节水土壤（蒸腾蒸发）→作物实物产量(生理需水)农艺节水：节水抗旱品种，保墒技术(桔杆、地膜覆盖)，节水栽培耕作技术，化控节水(保水剂)、农业结构调整。三、节水灌溉的研究内容1、节水灌溉工程技术2、节水灌溉理论及灌溉利度水分生产函数需水规律植物水分生理水分胁迫SPAC充分或非充分灌制度节水机理3、节水灌溉的管理问题预报、优化配水、环境评价、经济评价，节水灌溉管理模式(农民参与管理模式)4、高新灌溉技术新方法，新技术，规划设计、施工管理5、大型灌区改造问题第二节节水灌溉的主要技术措施水资源合理开发利用技术措施、节水灌溉工程措施、节水灌溉农艺措施、节水灌溉的管理措施一、水资源合理开发利用技术措施1、水资源优化分配技术32、多种水源联合运用技术地下水、地上水、土壤水联合调度3、雨水汇集利用技术集流场(设计、集流面材料)、水窖，人工降雨4、地下水利用技术(开采、补给、打井，旧井改造、提高泵装置效率)5、劣质水资源化劣质水：生活污水，工业废水、微咸水、灌溉回归水、海水淡化。污水资源化及污灌技术还处于试验研究阶段(1)污水处理(2)水质监测(3)污水灌溉技术(4)污灌环境影响评价体系(立法)(5)技术的推广应用。二、节水灌溉工程措施1、渠道防渗技术砼护面、浆砌块石衬砌、塑料膜、水泥土、三合土。2、低压管道输水技术硬管：钢管铝管塑料砼软管：尼龙小白龙3、喷灌技术①经济问题，②管道标准化，③高质量的喷灌设备，④大型喷灌机研制。4、微灌技术包括小管出流技术5、覆膜灌溉膜上灌和膜下滴灌6、地下灌溉技术地下水抬高，地下滴灌，地下渗灌。7、坐水种(点水灌)人工、坐水种单体播种机，坐水种灌溉机。8、沟畦改造技术(改进的地面灌)改进的沟畦灌，水平畦灌，波涌灌。9、调亏灌溉施加一定的干旱锻炼10、作物交替分根灌/作物交替分层灌11、非充分灌溉理论基础生产函数12、精细灌溉全球定位系统遥感遥测系统地理信息系统。三、农艺节水措施1、耕作保墒技术深耕松土镇压耙耱中耕除草免耕少耕2、覆盖保墒技术地膜覆盖秸杆覆盖沙石覆盖3、水肥耦合技术以肥调水以水调肥4、节水作物品筛选技术高效种植制度抗旱节水、高产品种5、化控节水保水剂复合包衣剂黄腐酸多功能抑蒸抗旱剂ABT生根粉。四、节水管理措施1、节水灌溉制度充分/非充分灌溉制度及其它2、土壤墒情监测与灌溉预报技术张力计中子仪电阻法水分湿度仪实时适量灌水3、灌区配水技术优化渠/管道工作制度编制灌区水量优化调度方案4、灌区量水技术水位、流量、水质、数字化5、现代化灌溉管理技术4五、水稻节水灌溉技术措施1、水稻旱育稀植技术2、水稻控制灌溉插秧返青后不建立田面水层，上限，饱合含水率，下限60～70%饱和含水率，近于田间持水率。3、“浅湿晒”交替间断灌水技术(1)薄露灌溉M=20mm薄水层，后自然落干露出田面，露田程度和历时，由水稻不同生育期需水规律确定，如早稻前期26天(返—分—拔)中期22d(孕—抽)后期24d(乳—黄)(2)薄浅湿晒灌水技术：（广西）薄水插秧、浅水返青，分蘖前期湿润，分蘖后期晒田，拔节孕穗期回灌薄水，抽穗开花期保持薄水，乳期湿润，黄熟期湿润落干。4、水稻间歇灌薄水层—湿润—短暂落干交替进行第三节发展节水灌溉的意义一、全球水资源概况二、我国水资源概况(基本情况，我国是一个水资源相对缺乏的国家，总量大人均/亩均不足)1、来水降水6.2亿m2，河川径流2.7亿m3，地下水0.83m3，重复计算0.73m3，可通过水循环更新的地表水和地下水的多年平均水资源总量为2.8亿m3，排名六，人均(1997人口计算)2220m32030年人口16亿，人均1760m3排名109位。2、需水量(工业，农业)低方案农业用水量2030年(3000—5000亿m3（粮食产量7000亿kg，7亿亩灌溉面积）)工业用水或城镇生活用水2800亿m3合计7800亿m33、可供水量2030年6990亿m3枯水年缺水800亿m3,考虑南水北调450亿m3，缺350亿4、节水灌溉潜力：水利用系数（0.46）提高10%～20%，节水400～800亿m35、水资源分区(基本情况，时空分配不均，南方水多，北方水少，就北方而言，年际间丰枯变化较大，年内70%降雨集中在7、8、9三个月，与土地分布不匹配，（黑河—彭冲）60%的人口占有40%的土地。黄淮海平原土地面积13.4%，耕地39%，人口占35%，GDP32%，水资源7.7%，基本情况是，工程设施有限，老化失修，管理不善，供水能力不足。（1）多水区：P＞1600mm，东部沿海，华南沿海，云南西部，西藏的东南部，台湾中部。5三、国情四、农业现状五、粮食安全问题六、节水灌溉与农业现代化第四节我国节水灌溉的新进展一、节水灌溉的发展历程二、节水灌溉的目标三、节水灌溉的新进展6第二章作物水分生理学基础植物生命活动大致为物质代谢，能量转换和信息传递三个方面，物质代谢中有水分代谢、矿物质代谢和有机物(糖类、蛋白质、脂肪、核酸)代谢。代谢(metabolism)是维持各种生命活动(生长过程)过程中化学变化(包括物质合成，转移和分解)的总称。在以三个活动中，水都有参与，没有水，便没有生命，水分代谢是植物生理学的一个重要组成部分。植物的一生中，要从自然界中吸收光、热、能量，吸收水分和矿物质和有机质养分和空气，把环境中简单的无机物直接合成为复杂的有机物，世界上就有了绿色生命，植物是地球上最重要的自养生物。作物就其广义的概念来讲，它包括对人类有利用价值，为人类所栽培的各种植物，例如各种农作物、疏菜、果树、绿肥、牧草等。就其狭义的概念来讲，所谓作物，主要是指农作物粮食、棉油、麻、糖、烟等而言，北方又常称之谓“庄稼”。世界上栽培的农作物中最主要的有90多种。在我国常见的有50多种。目前栽培的农作物，大都起源于自然野生植物。原始的野生植物，长期被人工栽培利用过程中，不断地经人工培育(人工选择)和自然选择所逐渐演化为今日丰富多彩的适宜于各地的栽培品种。从这一意义上来说，保护生物的多样性，就是保护人类自己。第一节植物对水分的需求一、植物细胞1、结构：(1)细胞壁，(2)细胞膜，(3)细胞质，(4)液泡，(5)细胞核，(6)胞间连丝。2、细胞分裂：由一个分裂成两个细胞，核分成两个后细胞质分成两份，中央壁膜形成。3、植物体的组织与器官。二、植物的含水量1、不同植物的含水量有很大的不同水生植物90%，旱作植物60～70%(占鲜重的百分比)2、同一种植物生长在不同环境中，含水量也有差异凡是生长在阴暗、潮湿环境中的植物，它们的含水量比生长在向阳、干燥环境中的要高一些。3、同一植株中，不同器官和不同组织的含水量的差异也很大，例如，根尖，嫩梢，幼苗和绿叶的含水量为60～90%，树干为40～50%，风干种子为10～14%，由此可见，凡是生命活动较旺盛的部分，水分含量都较多。三、植物体内水分存在的状态7水分在植物体细胞内通常呈束缚水和自由水两种状态，而这又与细胞质有关。细胞质主要是由蛋白质组成，占总重的60%以上，蛋白质分子很大，其水溶液具有胶体的性质，因此细胞质是一个胶体系统。蛋白分子有疏水基和亲水基组成，疏水基在分子内部、亲水基在分子表面，这些亲水基对水分有很大的集合力，容易起引水合作用，所以细胞质胶体微粒具有显著的亲水性，其表面吸附着很多水分子，形成一层很厚的水层。水分距离胶粒越近，吸附力越强；相反，则吸附力越弱。靠近胶粒而被胶粒吸附束缚不易自由流动的水分，称束缚水；距离胶粒较远而可以自由流动的水分，称自由水。自由水参与各种代谢作用，它的含量制约着植物的代谢速度，如光合速率、吸呼速率、生长速度等。自由水占着含水量的比重越大，则植物代谢越旺盛。束缚水不参与代谢作用，但植物要求低微的代谢强度来度过不良的环境，因此，束缚水含量与植物抗性大小有密切关系。如抗旱、抗寒能力。四、水分在生态活动中的主要作用1、水分是细胞质的主要成分细胞中的含水量一般在70%～90%，使细胞质呈溶胶状态，保证了旺盛的代谢作用正常进行。如果含水量减少，细胞质便变成凝胶状态，生命活动大大减速弱，如休眠的种子。2、水分是代谢作用过程的反应物质在光合作用、呼吸作用、有机质合或与分解过程中都有水分子参与。1)光合作用CO2+H2OCH2O(碳水化合物)+O2↑每年同化2×1011t碳(浮游生物60陆生植物)相当3×1021J能量是世界能消耗的10倍。2)呼吸作用C6H12O6+6O2→6CO2+H2O3、水分是植物对物质吸收和运输的溶剂一般来说，植物不能直接吸收固体的无机物质和有机物质，这些物质只有溶解在水中才能被植物吸收，同样各种物质在植物体内的运输，也要溶在水中才能进行。4、水分能保持植物的固有姿态由于细胞含有大量水分，维持细胞的紧张度(膨胀)，使植物枝叶挺立，便于充分接受光照和换气体，使根尖具有刚性，便于渗入土壤扩大吸收范围，同时也使花朵张开，有利于传粉受粉。5、水是世界之美的源泉思考题1、植物细胞内水分存在的状态。2、水在作物生理中的作用。3、细胞的结构光能绿色细胞8专业术语作物植物组织、器官自由水束缚水光合作用呼吸作用第二节植物细胞对水分的吸收一切生命活动都是在细胞内进行的，细胞吸水也不例外，植物细胞吸水主要有2种方式：1)未形成液泡的细胞，靠吸涨作用吸，2)液泡形成以后细胞主要靠渗透性吸水。一、细胞的渗透吸水渗透作用是水分进出细胞的基本过程。水分移动需要能量作功，下面首先讨论自由能和水势的概念。(一)自由能和水势根据势力学原理，水流中物质的总能量可分为束缚能和自由能两部分，束缚能是不能转化为用于作功的能量，而自由能是在温度恒定的条件下用于作功的能量。化学势1mol物质的自由能，是衡量物质瓜或转移所用的能量。水势同理衡量水分反应或转移能量的高低，可用水势表示。在植物生理学上，水势定义为每偏摩尔体积水的化学势。也就是说，水溶液的化学势(μW)与同温、同压、同一系统中纯水的化学势(μW°)之差(△μW)，除以水的偏摩尔本积(wV)所得的商，称水势。水势(Psi；希腊字母)或w表示，公式为式中：wV偏摩尔体积，指在一定温度和压力下，1mol水中加入1mol某溶液后，该1mol水所占的有效体积水势的单位=PamNmolmmolmN2131水的偏摩尔体积水的化学势(压力单位)纯水的自由能量大，水势最高，定义为0（和其他溶液相比），溶液中的溶质分子降低了水的自由能，所以溶液的中的水的自由能低，溶液的水势就成了负值。和其他物质运动一样，水分移动需要能量，因此水分一定是从高水势区域顺着能量梯度流向低水势区域，简言之，水分是由高水势处流向低水势处。(宏观同)(二)渗透作用把种子的种皮紧缚在漏斗上，注入蔗糖溶液，然后把整个装置浸入盛有清水的烧杯中，漏斗内外液面相等。由于种皮是半透膜(水分子能通过而蔗糖分子不能通过)，整个装置形成一个渗透装置。其结果是：烧杯中的水流向漏斗内，漏斗内玻璃管内的液面上升，最后液面不再上升，实质上是水分进出的速度相等，呈动态平衡状态。水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统转移的现象，就称为渗透作用。说明从生命开始，水就开始起作用。(三)植物细胞是一个渗透系统9一个成长植物细胞的细胞壁主要是由纤维分子组成的，它是一个水和溶质都可以通过