以土壤水為中心的農(nóng)田水分利用.ppt

1,以土壤水為中心的水資源高效利用,-基本概念、測(cè)定與評(píng)價(jià)方法,北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站 電話：84642880（O）M） Email: 582780327,王志平,2012年3月23日,2,主要內(nèi)容,一、土壤-作物系統(tǒng)的水分關(guān)系 二、土壤水有關(guān)概念 二、水分利用效率和效益,3,通常將大氣水、地表水、土壤水和地下水合稱為“四水” “四水”之間相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化,一、土壤-作物系統(tǒng)的水分關(guān)系,4,（一）作物對(duì)水分狀況的要求,1 水是作物細(xì)胞原生質(zhì)的重要組成部分 2 水是光合作用的重要原料 3 水是一切生化反應(yīng)的介質(zhì) 4 水是養(yǎng)分溶解和輸送的載體 5 水可使作物保持一定的形態(tài),5,（二）水對(duì)作物的生態(tài)作用,水分可以調(diào)節(jié)土壤空氣 水分能夠調(diào)節(jié)土壤溫度 水分可以調(diào)節(jié)土壤肥力 水分能夠改善農(nóng)田小氣候 水分可提高耕作質(zhì)量和效率,6,（一）土壤水的重要性 (二）土壤水的類型及性質(zhì) （三）土壤含水量的表示方法 （四）土壤水分含量的測(cè)定 （五）土壤水的能態(tài) （六）土壤水分運(yùn)動(dòng) （七）土壤水有效性,二、土壤水有關(guān)概念,7,（一）土壤水的重要性 所有的水只有進(jìn)入土壤轉(zhuǎn)化為土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要來(lái)源。 土壤水是土壤的最重要組成部分之一。 土壤水是土壤形成發(fā)育的催化劑。 土壤水并非純水、而是稀薄的溶液。土壤水實(shí)際上是指在105溫度下從土壤中驅(qū)逐出來(lái)的水。,8,土壤水分有關(guān)概念,土壤孔性: 土壤孔隙總量及大小孔隙的分布。,土壤孔隙：土壤中土?；驁F(tuán)聚體之間及團(tuán)聚體內(nèi)部形成空隙。,9,土壤總孔隙度：指單位容積土壤中孔隙容積占整個(gè)土體容積的百分?jǐn)?shù)。 土壤總孔隙度=孔隙容積 100% /土壤容積 =（1-土壤容重/土粒密度）100% 土壤容重：?jiǎn)挝蝗莘e土體（包括孔隙在內(nèi)的原狀土）的干重，g/cm3。 相對(duì)密度：指單位容積的固體土粒的干重，一般土壤均為2.65 g/cm3 。,10,土壤孔隙大小分級(jí),土壤孔徑的表示方法：指與一定的土壤水吸力相當(dāng)?shù)目讖健?非活性孔隙：當(dāng)量孔徑0.02mm,11,1 吸濕水 2 膜狀水 3 毛管水 4 重力水,（二）土壤水的類型及性質(zhì),12,土壤水的類型及性質(zhì),土壤水形態(tài)類型示意圖,13,土壤水的類型及性質(zhì),萎蔫系數(shù)或萎蔫點(diǎn)：當(dāng)植物因根無(wú)法吸水而發(fā)生永久萎蔫時(shí)的土壤含水量，稱為萎蔫系數(shù)或萎蔫點(diǎn)。 它因土壤質(zhì)地、作物和氣候等不同而不同。萎蔫系數(shù)是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。,14,土壤水的類型及性質(zhì),毛管懸著水 在地下水較深的情況下，降水或灌溉水等地面水進(jìn)入土壤，借助毛管力保持在上層土壤毛管孔隙中的水分。 田間持水量：土壤毛管懸著水達(dá)到最多時(shí)的含水量稱為田間持水量。在數(shù)量上它包括吸濕水、膜狀水和毛管懸著水。,田間持水量的大小，主要受質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)、松緊狀況等的影響。,15,16,（三）土壤含水量的表示方法,1、土壤水分含量 又稱土壤含水量，土壤含水率，土壤濕度。 2、質(zhì)量含水量 指土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。因?yàn)樵谕坏貐^(qū)重力加速度相同，又稱為重量含水量。無(wú)量綱，常用符號(hào)m表示。可以用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示，多用百分?jǐn)?shù)。,干土一般是指在105條件下烘干的土壤,17,土壤水分含量的表示方法 2 容積含水量 指單位土壤總?cè)莘e中水所占的容積百分?jǐn)?shù)，又稱容積濕度、土壤水的容積百分?jǐn)?shù)。也可以用小數(shù)表示。常用符號(hào)v表示。,V=m,為土壤容重,18,3 相對(duì)含水量 指土壤含水量(m)占田間持水量(f)的百分?jǐn)?shù)。它可以說(shuō)明土壤水的飽和程度、有效性和水、氣的比例等。,土壤含水量的表示方法,19,4 土壤水貯量,土壤含水量的表示方法,指一定面積和厚度土壤中含水的絕對(duì)數(shù)量 1）水深(Dw) 指在一定厚度(h) 土壤中所含的水量相當(dāng)于相同面積水層的厚度，量綱為L(zhǎng)，多用mm。 對(duì)于含水均一的土壤，Dw與v的關(guān)系如下: Dwvh,對(duì)于含水不均一的土壤：,20,4 土壤水貯量,土壤含水量的表示方法,2）容積水 即一定面積一定厚度土壤中所含水量的體積數(shù)，量綱為L(zhǎng)3/L2，一般有如下兩種： V方/畝 （2/3）Dw,21,土壤墑情 1墑情的種類 汪水：土壤含水量在田間持水量以上。 黑墑：土壤含水量為田間持水量75%以上。 黃墑：土壤含水量為田間持水量的50%75%。 潮干土：土壤含水量在田間持水量的50%以下。 干土：土壤含水量在萎蔫系數(shù)以下。 2. 墑情的判斷 墑情在空間上的層次性：表墑；底墑；深墑。 墑情在時(shí)間上的季節(jié)性：與氣候的季節(jié)性以及作物的生長(zhǎng)發(fā)育季節(jié)密切相關(guān)。,22,五、土壤水分含量的測(cè)定,1 烘干法 經(jīng)典烘干法 快速烘干法,23,（四）土壤水的能態(tài),土壤水的保持力 保持土壤水的力主要包括兩種，一種是土粒和水界面上的吸附力(范德華力和極性引力)，另一種是在土壤孔隙中，土壤固體表面、水和空氣界面上的毛管力。 土壤水能態(tài)，主要是指土壤水在受各種力的作用后其自由能的變化。 用來(lái)表示土壤水能態(tài)的主要方法有土水勢(shì)和土壤水吸力。,24,用土水勢(shì)研究土壤水有許多優(yōu)點(diǎn)： 首先可以作為判斷各種土壤水能態(tài)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和尺度。 其次水勢(shì)的數(shù)值可以在土壤植物大氣之間統(tǒng)一使用，把土水勢(shì)、根水勢(shì)、葉水勢(shì)等統(tǒng)一比較，判斷它們之間的水流方向、速度和土壤水有效性。 三是對(duì)土水勢(shì)的研究能提供一些更為精確的測(cè)定手段。,25,土壤水分特征曲線 土壤水分特征曲線：土壤水的基質(zhì)勢(shì)或土壤水吸力是隨土壤含水率而變化的，其關(guān)系曲線稱為土壤水分特征曲線或土壤持水曲線，土壤水分特征曲線表示土壤水的能量和數(shù)量之間的關(guān)系。,26,不同土壤的水分特征曲線,27,土壤水分曲線的應(yīng)用 1 可利用它進(jìn)行土壤水吸力和含水率之間的換算。 2 土壤水分特征曲線可以間接地反映出土壤孔隙大小的分布。 3 水分特征曲張可用來(lái)分析不同質(zhì)地土壤的持水性和土壤水分的有效性。 4 應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法對(duì)土壤中的水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量分析時(shí)，水分特征曲線是必不可少的重要參數(shù)。,28,張力計(jì)法 一般只能測(cè)定0-85kPa范圍內(nèi)的土壤基模勢(shì)。超過(guò)-85kPa時(shí)就有空氣進(jìn)入陶杯而失效。,土水勢(shì)的測(cè)定,29,“夜潮”現(xiàn)象,白天土壤表層在大氣蒸發(fā)力的作用下，水分因不斷蒸發(fā)而減少，變干。夜間降溫，使得底土溫度高于表土，水氣由底土水氣壓高處向水氣壓低處的表土方向移動(dòng)，遇冷便凝結(jié)，使白天曬干的表土又恢復(fù)潮濕。 多出現(xiàn)于地下水埋深較淺的“夜潮地”,30,“凍后聚墑”現(xiàn)象,由于冬季表土凍結(jié)，水氣壓降低，而凍層以下土層的水氣壓較高，于是下層水氣不斷向凍層集聚、凍結(jié)、使凍層含水量不斷增加 我國(guó)北方冬季土壤凍結(jié)后的聚水作用,31,土壤植物大氣連續(xù)體中的水分運(yùn)動(dòng) “土壤植物大氣連續(xù)體”（SPAC）：土壤中的水分被植物根系吸收而進(jìn)入植物體，并在植物體內(nèi)傳導(dǎo)，到達(dá)葉片后從氣孔蒸騰到大氣的統(tǒng)一的、物理的、連續(xù)體系，稱為“土壤植物大氣連續(xù)體”，英文縮寫(xiě)成SPAC。,（五）土壤水有效性,Soil-Plant-Air Continuous system,32,土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其難易程度。 不能被植物吸收利用的水稱為無(wú)效水 能被植物吸收利用的水稱為有效水，其中因其吸收難易程度不同又可分為速效水(或易效水)和遲效水(或難效水)。,植物吸水：主動(dòng)吸水和被動(dòng)吸水。被動(dòng)吸水為主要方式，其動(dòng)力是從植物葉面到莖到根到土壤的水勢(shì)梯度。主動(dòng)吸水一般不超過(guò)植物只水量的10%。,土壤水的有效性,33,通常把土壤萎蔫系數(shù)看作土壤有效水的下限。低于萎蔫系數(shù)的水分，作物無(wú)法吸收利用，屬于無(wú)效水。這時(shí)的土水勢(shì)(或土壤水吸力)約相當(dāng)于根的吸水力(平均為1.5MPa)或根水勢(shì)(平均為-1.5MPa)。 一般把田間持水量視為土壤有效水的上限。 土壤有效水最大含量()田間持水量()萎蔫系數(shù)(),土壤水有效性,34,土壤水有效性,35,三、 農(nóng)田水分高效利用 -節(jié)水農(nóng)業(yè),（一）農(nóng)田土壤水分平衡 （二）作物水分生產(chǎn)效率 （三）灌溉制度與有關(guān)渠系評(píng)價(jià)系數(shù) （四）提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水分利用效率,36,田間土壤水分收支示意圖,（一）農(nóng)田土壤水分平衡,37,田間土壤水分平衡 田間土壤水分平衡，是指對(duì)于一定面積和厚度的土體，在一段時(shí)間內(nèi)，其土壤含水量的變化應(yīng)等于其來(lái)水項(xiàng)與去水項(xiàng)之差，正值表示土壤貯水增加，負(fù)值表示減少。 W=P+I+U-E-T-R-In-D W表示計(jì)算時(shí)段未與時(shí)段初土體儲(chǔ)水量之差（mm） P表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)降水量（mm） I表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)灌水量(mm) U表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)上行水總量(mm) E表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)土面蒸發(fā)量（mm） T表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)植物葉面蒸騰量（mm） R表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)地面徑流損失量（mm） In表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)植物冠層截留量（mm） D表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)下滲水量（mm）。,農(nóng)田土壤水分平衡,38,土面蒸發(fā),土壤水不斷以水汽的形態(tài)由表土向大氣擴(kuò)散而逸失的現(xiàn)象,蒸發(fā)條件, 不斷有熱量到達(dá)土壤表面，以滿足水的汽化熱需要（15 , 1g水的汽化熱約為3.47kJ） 土壤表面的水汽壓須高于大氣的水汽壓，以保證水汽不斷進(jìn)入大氣 表層土壤須能不斷從下層得到水的補(bǔ)充。,39,土面蒸發(fā) 用蒸發(fā)強(qiáng)度表示，即單位時(shí)間內(nèi)單位面積地面上所蒸發(fā)的水量。 土面蒸發(fā)的形成及蒸發(fā)強(qiáng)度的大小主要取決于兩方面： 一是受輻射、氣溫、濕度和風(fēng)速等氣象因素的影響。顯然，這是蒸發(fā)的外界條件，它既決定水分蒸發(fā)過(guò)程中能量的供給又影響到蒸發(fā)表面水汽向大氣的擴(kuò)散過(guò)程，綜合起來(lái)稱為大氣蒸發(fā)能力。 二是受土壤含水率的大小和分布的影響。這是土壤水分向上輸送的條件，也即土壤的供水能力。,40,41,二、作物水分利用效率 作物需水量是指在適宜的外界環(huán)境條件（包括土壤水分、養(yǎng)分的充分供應(yīng)）下，作物正常生長(zhǎng)發(fā)育達(dá)到或接近該作物品種的最高產(chǎn)量水平時(shí)所需要的水量。作物需水量（常表示為ET）是作物整個(gè)生長(zhǎng)期葉面蒸騰和棵間土面蒸發(fā)的總和，作物需水量除與作物種類及品種有關(guān)外，還與氣象、土壤條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)量水平有關(guān)，并非一個(gè)固定值。 作物生產(chǎn)單位產(chǎn)量（如1kg小麥）的需水量稱為作物需水系數(shù)（mm kg-1）；反之，作物每消耗單位水量(mm或m3)所能生產(chǎn)的產(chǎn)量（kg mm-1或kg m-3），稱為作物水分利用效率（常表示為:WUE）。,42,由于品種的差異，作物水分利用效率（WUE）存在較大的差別。 有資料表明，通過(guò)調(diào)整作物布局，建立適應(yīng)抗逆型種植制度，一般可使農(nóng)田整體WUE提高0.15-0.26kg/m3，增產(chǎn)15-30%。 從總的情況來(lái)看，玉米等碳4植物比小麥等碳3植物水分利用效率高。,43,降低無(wú)效蒸發(fā)是提高農(nóng)業(yè)用水效率的重要技術(shù)途徑，具體是減少土壤蒸發(fā)和作物奢侈蒸騰。 土壤表面蒸發(fā)浪費(fèi)水分驚人，特別是在干旱和半干旱地區(qū)更是如此，據(jù)估算，半干旱區(qū)蒸發(fā)量占降水量的55 65%，相當(dāng)于作物總耗水量的1/4 1/2。 為了減少土壤蒸發(fā)，目前比較成熟的技術(shù)采用地膜覆蓋和秸稈覆蓋。實(shí)踐表明，地膜覆蓋不僅具有增溫保濕、保墑提墑、改善土壤理化性質(zhì)的作用，而且可以促進(jìn)種子萌發(fā)，促進(jìn)作物早出苗、出壯苗且早熟高產(chǎn)。地膜覆蓋的作物同不覆蓋相比，一般增產(chǎn)20 50%左右，而且產(chǎn)品的質(zhì)量也有一定的提高。秸稈覆蓋是一種資源豐富、發(fā)展前景廣闊、效益明顯的節(jié)水技術(shù)，它具有改土培肥、保持水土和增產(chǎn)效果明顯的特點(diǎn)。,44,三、灌溉制度與有關(guān)渠系評(píng)價(jià)系數(shù),概括的講灌溉制度是指一種科學(xué)的灌水方案,它包括灌水次數(shù),灌水日期,灌水定額和灌溉定額。 灌水定額和灌溉定額 灌水定額是指一次灌水單位灌溉面積上的灌水量，各次灌水定額之和，叫灌溉定額。通常用以下三種方法和途徑確定灌溉制度： 總結(jié)群眾豐富灌水經(jīng)驗(yàn) 根據(jù)灌溉試驗(yàn)資料制定灌溉制度 按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度,45,渠道水效率簡(jiǎn)稱渠道效率(Ei)或渠道水利用系數(shù)，根據(jù)渠道水的工作任務(wù)和水流特征分為輸水渠道效率和配水效率兩種。 輸水渠道效率(CCE) 輸水渠道效率是表征無(wú)分流渠道的水在輸送過(guò)程中的有效利用程度。一般用于大中型灌區(qū)的引水總干渠、干渠或供水系統(tǒng)專用渠道輸水評(píng)價(jià)。 式中：W0為渠道首部引入總水量，m3; Wc為經(jīng)過(guò)渠道尾站或末端送出的可利用的總水量，m3。為研究工作的需要，也可用相應(yīng)的流量Q(m3/s)表示渠道效率。,渠道水效率指標(biāo)評(píng)估,46,灌溉水效率評(píng)估指標(biāo)的確定方法,灌溉水效率又稱灌溉水利用系數(shù)。是表征灌溉系統(tǒng)水資源被灌溉作物利用的綜合性總評(píng)估指標(biāo)。該指標(biāo)與渠系水利用效率和作物有效利用率以及田間水利用效率、分布效率均有關(guān)，其結(jié)果應(yīng)當(dāng)?shù)扔谝陨细黜?xiàng)的乘積綜合作用的結(jié)果。,47,四、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水分利用效率,提高農(nóng)業(yè)水分利用效率有兩大類途徑： 第一就是將更多的水資源轉(zhuǎn)化為作物的蒸騰用水； 第二就是提高作物蒸騰用水的利用效率。 前者可以通過(guò)各種工程、水文和農(nóng)藝措施實(shí)現(xiàn)，而后者則更多地依靠植物生理調(diào)節(jié)措施實(shí)現(xiàn)。,48,單個(gè)植株水平上：提高水分利用效率就是要提高蒸騰水分利用率，而在這種情況下傳統(tǒng)作物育種和現(xiàn)代遺傳工程育種就可以發(fā)揮它們的作用，通過(guò)