第二章 作物需水量和灌溉用水量

第二章作物需水量和灌溉用水量第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素第一节作物需水量1．作物需水量农田水分消耗的途径植株蒸腾棵间蒸发深层渗漏或田间渗漏地表径流组成植株体的一部分植株蒸腾：作物将根系从土壤中吸收的水分，通过叶片的气孔蒸散到大气中的现象。棵间蒸发：植株间土壤或田面的水分蒸发。深层渗漏：旱地中由于降雨量或灌溉水量太多，使土壤水分超过了田间持水量，向根系吸水层以下土层渗漏的现象。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素1．作物需水量作物需水量：生长在大面积上的无病虫害作物，土壤水分和肥力适宜时，在给定的生长环境中能取得高产潜力的条件下为满足植株蒸腾、棵间蒸发、组成植株体所需要的水量。在实际中由于组成植株体的水分只占总需水量中很微小的一部分(一般小于1%)，而且这一小部分的影响因素较复杂，难于准确计算，故人们均将此部分忽略不计，即认为作物需水量就等于植株蒸腾量和棵间蒸发量之和，即所谓的“蒸发蒸腾量”，气象学、水文学和地理学中称为“蒸散量”或“农田总蒸发量”，国内也有人称之为“腾发量”。一、作物需水量与影响因素1．作物需水量第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素1．作物需水量作物耗水量，简称耗水量：就某一地区而言，指具体条件下作物获得一定产量时实际所消耗的水量。第一节作物需水量需水量是一个理论值，又称为潜在蒸散量（或潜在腾发量），而耗水量是一个实际值，又称实际蒸散量。需水量与耗水量的单位一样，常以m3亩-1或mm水层表示。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素1．作物需水量作物需水量包含生理和生态需水两个方面。作物生理需水：作物生命过程中各种生理活动（如蒸腾作用、光合作用等）所需要的水分。植株蒸腾实际上是作物生理需水的一部分。作物生态需水：指生育过程中，为给作物正常生长发育创造良好的生长环境所需要的水分。棵间蒸发即属于作物的生态需水。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素1．作物需水量作物在不同生长阶段的需水规律为：随着作物的生长和叶面积的增加，需水量值也不断增大，在作物苗期，需水量值较小，当作物进入生长盛期，需水量增加很快，叶面积最大时，作物需水量出现高峰；到作物成熟期，需水量值又迅速下降。每种作物都有需水高峰期，需水高峰期一般处于作物生长旺盛阶段，如冬小麦有两个需水高峰期，第一个高峰在分蘖期，第二高峰在开花至乳熟期；大豆的需水高峰在开花结荚期；谷子的需水高峰为开花―乳熟期；玉米为抽雄―乳熟期。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素1．作物需水量各种作物需水临界期不完全相同，但大多数出现在从营养生长向生殖生长的过渡阶段，例如小麦在拔节至抽穗期，棉花在开花至结铃期，玉米在抽雄至乳熟期，水稻为孕穗至扬花期等，在作物需水临界期缺水，会对产量产生很大影响。作物在不同生育时期对缺水的敏感程度不同，在作物整个生育期中通常把对缺水最敏感、缺水对产量影响最大的时期称为作物需水临界期或需水关键期。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素1．作物需水量作物需水系数：生产单位产量作物（如1kg小麦）的需水量（mmkg-1）。作物水分利用效率：作物每消耗单位水量所能生产的产量(kg/mm或kg/m3），常表示为:WUE(wateruseefficiency)。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素2．影响作物需水量的主要因素作物需水规律随作物种类、品种、土壤、气候、生产力水平等诸多因素而变化，应结合各地情况来探索作物需水规律。（1）作物因素不同种类的作物需水量有很大的差异，如就小麦、玉米、水稻而言，水稻＞小麦＞玉米；不同品种的作物需水量有很大差异，如耐旱品种需水量小；不同生育阶段需水量不同；不同长势的作物需水量不同。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素2．影响作物需水量的主要因素(2)气象因素气象因素是影响作物需水量的主要因素，它不仅影响蒸腾速率，也直接影响作物的生长发育。气象因素对作物需水量的影响，往往是几个因素同时作用，很难将各个因素的影响一一分开。当气温高、日照时数多、相对湿度小时，需水量会增加。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素2．影响作物需水量的主要因素(3)土壤因素影响作物需水量的土壤因素主要有质地、含水量、颜色、有机质含量、养分状况等。砂土持水力弱，蒸发较快，因此，在砂土上的作物需水量就大。就土壤颜色而言，黑褐色土壤吸热较多，其蒸发较大，而颜色较浅的黄白色土壤反射较强，相对蒸发较少。土壤含水量较高时，蒸发强烈，作物需水量较大；相反，土壤含水量较低时，作物需水量较少。第一节作物需水量一、作物需水量与影响因素2．影响作物需水量的主要因素由于上述各种因素的影响，因此，在生产实际中，必须因时、因地、因作物、因气候等各种自然与人为条件确定作物的需水量，以利于指导生产。作物需水量是农业用水的主要组成部分，也是整个国民经济中消耗水分的最主要部分。它是水资源合理开发、利用所必需的重要资料，同时也是农田水利工程规划、设计、管理的基本依据。第一节作物需水量二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（一）直接计算1．水面蒸发量法（蒸发皿法或α值法）：水面蒸发量与作物需水量之间存在一定程度的相关关系，因此可用水面蒸发量这一参数来计算作物需水量：ETc=αE0或ETc=aE0＋b式中：ETc-作物需水量（mm）；E0–表示与ETc同时段的水面蒸发量（mm），采用蒸发皿或蒸发器的测定值。第一节作物需水量二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（一）直接计算1．水面蒸发量法（蒸发皿法或α值法）：α—需水系数或蒸发系数，为需水量与水面蒸发量的比值，由实测资料确定，一般水稻田的α=0.9～1.3，旱作的α=0.3～0.7。作物全生育期内各生长阶段的α值是各不相同的，其最大值出现在作物生长旺期，而发芽出苗期则最小，所以在分阶段计算作物需水量时，各阶段应分别选取不同的α值。一般水稻用α值法比旱作物用此法好。（一）直接计算二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算2．产量法：作物产量反映了水、土、肥、热、气、光等因素的协调及农业措施的综合作用。在一定条件下，作物需水量将随产量的提高而增加。但是需水量的增加并不与产量成比例，单位产量的需水量随产量的增加而逐渐减小，说明当作物产量达到一定水平后，要进一步提高产量就不能仅靠增加水量，而必须同时改善作物生长所必需的其它条件。第一节作物需水量产量Y2．产量法（K值法）：用作物产量计算作物需水量的表达式为：式中：ET―全生育期的需水量（mm）；Y―作物单位面积的产量（kg亩-1）；K―需水系数（m3kg-1），为单位产量的需水量。此法简便，只要确定计划产量后便可算出需水量；同时，此法使需水量与产量相联系，便于进行灌溉经济分析。第一节作物需水量二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（一）直接计算对于旱作物，在土壤水分不足而影响高产的情况下，需水量随产量的提高而增大，用此法推算较可靠。但对于土壤水分充足的旱田以及水稻田，需水量主要受气象条件控制，产量与需水量关系不明确，用此法推算的误差较大。第一节作物需水量3．以多种因素为参数的作物需水量计算法选取几个影响因素，探求它们与作物需水量之间存在的数量关系。以多种因素为参数推求作物需水量的经验公式在国内外很多，有的选取水面蒸发量和产量作参数，有的以水面蒸发量和土壤含水率作参数，也有选取更多因素作参数的。（一）直接计算二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算第一节作物需水量二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（一）直接计算上述各公式都可估算全生育期作物需水量，也可估算各生育阶段的作物需水量。在生产实践中，习惯采用所谓模系数法估算作物各生育阶段的需水量，即先确定全生育期作物需水量，然后按照各生育阶段需水规律，以一定比例进行分配，即：ETi=KiET式中ETi—某一生育阶段作物需水量；Ki—需水量模比系数，即作物各生育阶段需水量占全生育期作物需水量的百分数，可以从试验资料中取得。第一节作物需水量二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（二）间接计算（通过参考作物蒸发蒸腾量进行计算）参考作物蒸发蒸腾量：是一种假想的参考作物冠层的蒸发蒸腾速率，参考作物被假设为高度为12cm，表面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地。间接计算分为以下两步：第一步是：考虑气象因素对作物需水量的影响，计算参考作物蒸发蒸腾量。第二步是：考虑土壤水分及作物条件的影响，对参考作物需水量进行调整或修正，而计算出实际需水量。第一节作物需水量二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（二）间接计算（通过参考作物蒸发蒸腾量进行计算）估算参考作物蒸发蒸腾量的方法包括经验公式法和理论公式法。经验公式法中常采用辐射、温度、水汽压、相对湿度、风速及日照等气象数据作为参数，按照某种与参考作物蒸发蒸腾量的经验函数关系进行估值。理论公式法中综合法最常应用的是Penman法和Penman－Monteith法。1）Penman公式Penman公式是国内外应用最普遍的综合法公式。Penman公式是在能量平衡原理的基础上，引用干燥力(DryingPower)的概念，经过简捷地推导，得到了一个用普通气象资料就可计算参考作物蒸发蒸腾量的公式。经多次修正，目前国内外最通用的形式为FAO于1979年推荐的公式，该公式具有较好的理论基础，包括有辐射项与空气动力学项，并考虑了气压与风速修正，其形式为:（1）参考作物蒸发蒸腾量的估算二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算0.1)1)((26.00200PPCueeRPPETasn式中：P0和P分别为海平面标准大气压和计算地点的实际气压[hPa]；Δ为饱和水汽压－温度曲线上的斜率[hPa℃－1]；γ为湿度计常数[hPa℃－1]；ea为空气实际水汽压[hPa]；es为饱和水汽压[hPa]；u2为2m高处风速[m/s]；C为风速修正系数。1）Penman公式二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算2）Penman-Monteith公式以能量平衡和水汽扩散理论为基础，既考虑了作物的生理特征，又考虑了空气动力学参数的变化，具有较充分的理论依据和较高的计算精度。经过多年研究改进，1990年FAO－推荐使用的公式形式为：)34.01()(273900)(408.0220ueeuTGRnETas（1）参考作物蒸发蒸腾量的估算二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算ET0—参考作物蒸发蒸腾量[mmday－1];Rn—输入冠层净辐射量[MJm－2day－1];G—土壤热通量[MJm－2day－1];T—2m高处日平均温度[℃]；u2—2m高处风速[ms－1]；es—饱和水汽压[kPa];ea—实际水汽压[kPa];Δ—饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率[kPa℃－1];γ—干湿表常数[kPa℃－1]。2）Penman-Monteith公式二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)用来表示假定的参考作物的蒸发蒸腾量，其他作物的蒸发蒸腾量是用参考作物蒸发蒸腾量来计算的。用于关联实际作物耗水量与参考作物蒸发蒸腾量的因子称为作物系数(kc)。最早提出并已被FAO作物需水量专家咨询组(Allen等，1997)ETc=Kc·ET0计算作物蒸发蒸腾量的上述两种方法，FAO为其分别命名为单作物系数法。二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（2）作物系数的确定Kc为综合作物系数，与作物种类、品种、生育期、作物的群体叶面积指数等因素有关，是作物自身生物学特性的反映。根据各地的试验，作物系数Kc不仅随作物而变化，更主要的是随作物的生育阶段而异。生育初期和末期的值较小，而中期的Kc较大。二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（2）作物系数的确定在单作物系数方法中，作物表面和参考表面蒸发、蒸腾速率的差异用作物系数Kc综合考虑，这种方法就是FAO早在70年代推荐，并在国内有关作物需水量研究工作中普遍采用的方法。可通过田间实测的作物蒸发蒸腾量与相同阶段内得到的参考作物蒸发蒸腾量之比获得。这种方法适宜在灌溉系统的规划设计和管理工作中采用。（2