第三章,作物需水量与灌溉用水量

第三章、作物需水量与灌溉用水量§3—1作物需水量作物需水量——是指作物在适宜的外界环境条件下（包括对土壤水分、养分充分供应）正常生长发育达到或接近达到该作物品种的最高产量水平所消耗的水量。作物需水量的作用：1、是农业用水的主要组成部分，是整个国民经济中消耗水分的最主要部分。2、是水资源开发利用时的必备资料，也是灌排工程规划、设计、管理的基本依据。3、作物需水量在农业用水和国民经济用水中的比例4、作物需水量是农业用水的主要组成部分。作物需水量以水汽形式散入大气，无法再利用一、作物田间水分的消耗(三种途径：叶面蒸腾、棵间蒸发和深层渗漏)叶面蒸腾：作物植株内水分通过叶面气孔散发到大气中的现象；棵间蒸发：植株间土壤或水面（水稻田）的水分蒸发；深层渗漏：土壤水分超过了田间持水率而向根系以下土层产生渗漏的现象。解释：棵间蒸发能增加地面附近空气的湿度，对作物生长环境有利，但大部分是无益的消耗，因此在缺水地区或干旱季节应尽量采取措施，减少棵间蒸发（如滴灌局部灌溉、水田不建立水层）和地面覆盖等措施。深层渗漏对旱田是无益的，会浪费水源，流失养分，地下水含盐较多的地区，易形成次生盐碱化。但对水稻来说，适当的深层渗漏是有益的，可增加根部氧分，消除有毒物质，促进根系生长，常熟、沙河、涟水等灌溉试验站结果都表明：有渗漏的水稻产量比无渗漏的水稻产量高3.9%~26.5%。叶面蒸滕量＋棵间蒸发量＝腾发量＝作物田间需水量水田：田间需水量＋渗漏量＝田间耗水量由于水田不同土壤渗漏量大小差别很大，为了使不同土质田块水稻需水具有可比性，因此水稻的田间需水量不包括渗漏量，如计入渗漏量，则称为田间耗水量。二、作物需水规律（一）影响作物需水量的因素１、气象条件主要因素，气温高、日照时间长、空气湿度低、风速大、气压低等使需水量增加；２、土壤条件含水量大，砂性大，则需水量大（棵间蒸发大）３、作物条件水稻需水量较大，麦类、棉花需水量中等，高粱、薯类需水量较少；４、农业技术措施地面覆盖、采用滴灌、水稻控灌等能减少作物需水量。（二）作物需水特性１、中间多，两头少；开花结实期需水量最大２、存在需水临界期需水临界期：在作物全生育期中，对缺水最敏感，影响产量最大的时期。几种作物的需水临界期：水稻孕穗至开花期棉花开花至幼铃形成期小麦拨节至灌浆期了解作物需水临界期的意义：１、合理安排作物布局，使用水不至过分集中；２、在干旱情况下，优先灌溉正处需水临界期的作物。三、经验公式法确定作物田间需水量（一）全生育期作物田间需水量的确定１、α值法（蒸发皿法）前面已讲过，气温、日照、湿度、风速、气压等气象因素是影响作物需水量的最重要的因素，而水面蒸发正是上述各种气象因素综合作用结果，因此作物的田间需水量与水面蒸发量之间存在一定程度的相关关系。因此，可以用水面蒸发量作为参数来估计作物田间需水量。Ｅ＝αＥ0或Ｅ=aE0+b式中：Ｅ—全生育期作物田间需水量（mm）α--需水系数（或称蒸发系数），为作物需水量与水面蒸发量之比值。江苏中稻α＝1.15Ｅ0—与Ｅ同时段的水面蒸发量（mm），Ｅ0—般采用80cm口径蒸发皿的蒸发值；a、b为经验常数；α值法适用于水稻。(旱作物的ET与E0相关不显著)２、Ｋ值法（产量法）实践表明作物的产量与田间需水量之间存在一定的相关关系，在一定范围内Ｅ随作物产量的提高而提高。因此可以用产量作为参数来估计作物的田间需水量。Ｅ＝ＫＹ式中Ｅ—需水量，m3/亩；Ｋ—需水系数（ｍ3/Kg)，由试验资料确定；Ｙ—作物产量（ｋｇ/亩）由于Ｅ与Ｙ实际上并不是成线性关系，因此有人对上式作了修正。E0为保证作物存活下来，但产量为零（棵粒无收）。E=KYn+C式中：n--经验指数；Ｃ--经验常数。K值法适用于旱作。（二）各生育阶段田间需水量的确定1、利用需水模系数有了全生育期田间需水量，可以借助需水模系数，把总需水量按各生育阶段进行分配。需水模系数是作物某一生育阶段田需水量占全生育期需水量的百分比。Ei=KiE式中Ei--第i阶段作物田间需水量；Ki--第i阶段作物需水模系数。需水模系数通过试验取得，表2-7列出了几种主要作物的需水模系数。2、利用阶段需水系数（水稻）式中αi--第i阶段需水系数；Ｅ0i--第i阶段的水面蒸发量（mm）。（三）需水强度的确定需水强度即为某一天的需水量。单位：mm/d或m3/(亩d)公式：ei=Ei/ti式中ei--第i阶段的需水强度；Ei--第i阶段的需水量；ti--第i阶段的天数。四、彭曼法计算作物需水量英国科学家彭曼于1949年首次提出，又于1963年简化了他的公式。联合国粮农组织推荐采用彭曼法计算作物需水量。彭曼法的特点是：理论基础可靠，计算精度较高；但计算较复杂，所需基础数较多。计算时分两步。（一）计算出潜在需水量（参考作物需水量）潜在需水量指：参考作物（如苜蓿muxu、牧草)在供水充足条件下的需水量。式中：P0--标准大气压；P--计算地点平均大气压；Δ--平均气温时饱和水气压Ea随温度变化的变率；γ--湿度计常数；Rn--太阳净幅射。（二）计算实际作物的需水量E=Kc×Ep式中Kc--作物系数。§3—2、作物灌溉制度天然降雨可满足作物的部分需水要求，但降水不可能完全满足作物的需水要求。在干旱和半干旱地区更是如此，因此，为实现农业的高产稳产，必须进行灌溉。要灌溉就牵涉到什么时候灌、灌多少等问题。本节讨论的作物灌溉制度就是解决上述问题。一、概述1．什么是灌溉制度灌溉制度：为了保证作物适时播种（或栽秧）和正常生长，通过灌溉向田间补充水量的灌溉方案。灌溉制度的内容：灌水定额、灌水时间、灌水次数和灌溉定额。灌水定额：一次灌水在单位面积上的灌水量。单位：水田可用mm，旱田用m3/亩。换算：1mm=0.667m3/亩灌溉定额：生育期各次灌水的灌水定额之和。总灌溉定额：播前灌水定额（或泡田定额）+灌溉定额2．为什么要制定灌溉制度（1）为灌溉工程规划设计提供依据。（2）为灌区用水管理提供依据。3．制定灌溉制度的方法（1）总结群众丰产经验；（2）进行灌溉试验；（3）按水量平衡原理进行计算。在生产实践中，常把上述三种方法结合起来使用。具体做法是：根据设计年份的气象资料和作物的需水要求，参照群众丰产经验和灌溉试验资料，根据水量平衡原理拟定作物灌溉制度。二、充分灌溉(FullIrrigation)条件下的灌溉制度充分灌溉：作物各生育阶段所需的水分都能够得到要求，作物处于最佳水分条件，产量最高。非充分灌溉（DeficitIrrigation)灌溉供水不足，不能充分满足作物各阶段的需水量要求，其实际腾发量小于充分灌溉条件下的需水量。充分灌溉是目前使用最广泛的灌水方法，适于水源丰富地区。目前的灌溉制度、通常是充分灌溉条件下的灌溉制度（一）充分灌溉条件下灌溉制度确定1、总结群众灌水经验根据设计要求的干旱年份，调查不同作物不同生育阶段的需水量、灌水次数、灌水定额、灌溉定额等。感性认识强，便于农民接受，较为实用。水文年份和灌溉保证率的概念模糊，不易量化。2、根据灌溉试验资料制定在有灌溉试验站的地区，可根据设计代表年的灌溉试验资料确定；注意试验站的代表性。如：地理位置、气象、农作措施等。3、按照水量平衡法制定灌溉制定原理：A：作物在一定的土壤含水量或水层深度范围内能够生长良好，如果超过该范围，生长和产量受到抑制和降低。合理的灌溉制度应使得作物土壤含水量或水层深度处于该范围内。适宜范围，是参考群众丰产经验或试验资料而得到。B：任何时段内农田水分变化，等于该时段来水与耗水之间的消长。（二）、水稻的灌溉制度水稻种植一般采取育秧移栽的方法。育秧的田块叫秧田。移栽的田块叫本田或大田。秧田育秧时间短，田块面积小，灌水量较少，因此下面主要讨论的是大田的灌溉制度。秧田的灌溉：先灌浅水，水深10~20mm，苗高3cm后，增加水深至20~40mm，苗高10cm后，排水落干，促进根系生长，拔秧前为便于拔秧，再深水浸泡。本田插秧前需要泡田整田，便于插秧，并为秧苗返青创造条件。所以本田分为泡田期和插秧后的生育期。泡田期灌水定额称为泡田定额。一）泡田定额)(667.0111101pteshM(m3/亩)；或者：)(1010011111ptesaM(m3/hm2)式中：M1—泡田期灌溉用水量；h0—插秧时田面所需的水层深度mm，s1—泡田期的渗漏量，即开始泡田到插秧期间的总渗漏量，mm，t1—泡田期的日数；e1—t1时期内水田田面平均蒸发强度，mm/d，可用水面蒸发强度代替；p1—t1时期内的降雨量，mm。泡田定额一般为80~110m3/亩。二）生育期灌溉制度1．水田水量平衡方程某时段水量耗损：蒸发E、渗漏S、排水C水量补给：降雨P、灌溉M设时段初水层深为h1，时段末水层深h2，则h1+p+m-E-C=h22．计算灌溉制度计算原理见下图：3、计算方法（1）列表逐日计算（2）编写电算程序，利用计算机计算（三）、旱作物的灌溉制度一）播前灌水定额播前灌水的作用：保证种子发芽出苗；储水。计算公式：式中:H--计划湿润层深，即计划到调节与控制土壤水分的土层深度，播前灌水时H=0.3~0.4m；A--孔隙率；βmax、βo--分别为灌水上限含水率和初始含水率（以水的体积占孔隙体积的百分数表示）。二）生育期内灌溉制度1．水量平衡方程研究对象：计划湿润层土壤含水量平衡方程：W1+P+WT+K+M-E-S-C=W2图中各变量单位均为m3/亩。W1、W2—分别为时段初、末计划湿润层内含水量，H1--时段初计划湿润层深；H2—时段末计划湿润层深；E—腾发量，即作物田间需水量；M—灌水量；P--降水量；C--排水量（地表径流量）；K—地下水补给量；一般地下水埋深大于3米时，取K=0，地下水埋深小于3米时，K按试验资料取值。S--深层渗漏；WT—因计划湿润层增加而增加的水量。令P0为入渗雨量(m3/亩），则P0=P－CC=αPP0=P-αP=（1-α）P=σPP--降雨量(m3/亩)；α--径流系数。σ--降雨入渗系数，参考表2-15。（参阅本科教材）计划湿润层水量平衡方程变为：W1+P0+WT+K+M－E－S=W2各变量单位均为m3/亩。2．计算灌溉制度的原理（1）计算各时段灌水上下限及田间持水量（2）推算灌溉制度列表或图解计算时采用旬为时段,电算时可以日为计算时段。先设无m、无s，计算该时段末含水量W2=W1+WT+P0+K－E如果，则不需灌溉,也无深层渗漏。如果，则m=Wmax－W2(实际计算时宜对m取整)灌水后W2'=W2+m如果，则s=W2－W田持排水后W2'=W田持计算方法（1）列表或图解逐旬计算（2）编写电算程序，利用计算机计算3．列表法计算步骤（1）收集基本资料；（2）计算生育期计划湿润层内含水量；（3）计算各次降雨的入渗雨量及时段入渗雨量；（4）计算因计划湿润层增加而增加的含水量WT；（5）计算各时段地下水补给量；（6）计算各时段田间需水量；（7）逐日计算灌溉制度；（8）校核各生育阶段及全生育期的计算结果。例：1)根据各旬的计划湿润层深度和作物要求的含水率上限、下限，计算出允许储水量上下限，绘于图中。Wmax=667×nH×θmaxWmin=667×nH×θmin2〕绘制作物需水量累积曲线ET、计划湿润层增加而增加的水量累积量WT、地下水累积补给量K以及净耗水量曲线ET－WT－K需水量累积曲线的斜率为日需水量，其他类推。3)根据降雨量计算次入渗水量P0，绘制累积曲线。多日降雨可在降雨中间日（或最大降雨日）一次增加。4)自初始值W0逐旬减去ET-WT-K，即从起始点引平行线平行于ET-WT-K线，遇到降雨时加上P0即得计划湿润层实际储水量W曲线.5)若W曲线接近于Wmin,即土壤含水率达到下限，开始灌水。灌水量为储水上下限之差.6)如此往复计算，可得到灌水次数和灌溉定额.二、非充分灌溉条件下的灌溉制度（一）水分生产函数cropwaterproductionfunction(CWPF)作物产量与作物需水量之间的数量关系常用公式:Ya=Ym[a+bW-cW2]试中:Ya、Ym—分别表示作物的实际产量和潜在产量；W