合理灌溉的機理及如何合理灌溉

1、一、土壤一植物一大氣連續(xù)體的概念一、土壤一植物一大氣連續(xù)體的概念 水分經(jīng)由土壤到達植物根表水分經(jīng)由土壤到達植物根表皮、進入根系后、通過植物皮、進入根系后、通過植物莖，到達葉片，再由葉氣孔莖，到達葉片，再由葉氣孔擴散到寧靜空氣層，最后參擴散到寧靜空氣層，最后參與大氣的湍流交換，形成一與大氣的湍流交換，形成一個統(tǒng)一的、動態(tài)的相互反饋個統(tǒng)一的、動態(tài)的相互反饋連續(xù)系統(tǒng)，即土壤一植物一連續(xù)系統(tǒng)，即土壤一植物一大氣連續(xù)體大氣連續(xù)體(SoilPlantAtmosphere Continuum，簡，簡稱稱SPAC) 。 1. 植物體內(nèi)水分運輸植物體內(nèi)水分運輸 一、水分運輸?shù)耐緩揭?、水分運輸?shù)耐緩?土壤水土壤水

2、根毛根毛根皮層根皮層根中柱鞘根中柱鞘中柱薄壁細胞中柱薄壁細胞根導(dǎo)管根導(dǎo)管莖導(dǎo)管莖導(dǎo)管葉柄導(dǎo)管葉柄導(dǎo)管葉脈導(dǎo)管葉脈導(dǎo)管 葉肉葉肉細胞細胞葉細胞間隙葉細胞間隙氣孔下室氣孔下室氣孔氣孔中柱鞘薄壁中柱鞘薄壁細胞細胞大氣。大氣。 將近一個世紀(jì)以來，隨著土壤物理學(xué)、植物生理學(xué)、農(nóng)田將近一個世紀(jì)以來，隨著土壤物理學(xué)、植物生理學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，人們一直在通過各種途水利學(xué)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，人們一直在通過各種途徑致力于研究土壤與水、水與植物以及土壤、植物與水之徑致力于研究土壤與水、水與植物以及土壤、植物與水之間的相互關(guān)系，并已取得較大的進展。間的相互關(guān)系，并已取得較大的進展。把土壤一植物

3、一大氣當(dāng)作一個在物理上統(tǒng)一的連續(xù)體系進把土壤一植物一大氣當(dāng)作一個在物理上統(tǒng)一的連續(xù)體系進行動態(tài)的、定量的水分研究，已行動態(tài)的、定量的水分研究，已30多年的歷史。多年的歷史。Philip(1966)提出了較完整的關(guān)于提出了較完整的關(guān)于SPAC的概念，認(rèn)為盡管介的概念，認(rèn)為盡管介質(zhì)不同，界面不一，但在物理上都是一個統(tǒng)一的連續(xù)體，質(zhì)不同，界面不一，但在物理上都是一個統(tǒng)一的連續(xù)體，水在該系統(tǒng)中的各種流過程就象鏈環(huán)一樣，互相銜接，而水在該系統(tǒng)中的各種流過程就象鏈環(huán)一樣，互相銜接，而且完全可以應(yīng)用統(tǒng)一的能量指標(biāo)一且完全可以應(yīng)用統(tǒng)一的能量指標(biāo)一“水勢水勢”來定量研究整來定量研究整個系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)能量水平的變

4、化，計算出水流通量。這個系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)能量水平的變化，計算出水流通量。這在土壤一植物一水關(guān)系研究方面是一次重要的突破。在土壤一植物一水關(guān)系研究方面是一次重要的突破。 在在SPAC中，水分運動的驅(qū)動力是水勢梯度，即從水勢高處中，水分運動的驅(qū)動力是水勢梯度，即從水勢高處向水勢低處流動，其流動速率與水勢梯度成正比，與水流向水勢低處流動，其流動速率與水勢梯度成正比，與水流阻力成反比。由于在阻力成反比。由于在SPAC中各個部位的水流阻力和水勢并中各個部位的水流阻力和水勢并非是恒定不變的，因而嚴(yán)格地說非是恒定不變的，因而嚴(yán)格地說SPAC中的水流是非穩(wěn)定流。中的水流是非穩(wěn)定流。但在實際中，忽略植株體內(nèi)貯水量

5、的微小變化，認(rèn)為但在實際中，忽略植株體內(nèi)貯水量的微小變化，認(rèn)為SPAC中的水流是連續(xù)的穩(wěn)定流時，為分析提供了較大的方便，中的水流是連續(xù)的穩(wěn)定流時，為分析提供了較大的方便，其水流通量其水流通量Q可以用電學(xué)中的歐姆定律來模擬：可以用電學(xué)中的歐姆定律來模擬： 即即Van den Honert(1948)公式：公式： 大氣葉大氣葉葉木質(zhì)部葉木質(zhì)部根根木質(zhì)根表面土壤根表面土壤水流通量指不同部位的水勢；指不同部位的水勢； r指水流阻力。指水流阻力。 蒸騰著的植株根部四周土壤的水勢通常在的范圍內(nèi)，葉水勢通常蒸騰著的植株根部四周土壤的水勢通常在的范圍內(nèi)，葉水勢通常為，為，作物在嚴(yán)重水分脅迫下可達，某些耐旱植物

6、可能低至。作物在嚴(yán)重水分脅迫下可達，某些耐旱植物可能低至。若用方程若用方程aRTkln(ees) (R為氣體常數(shù)，為氣體常數(shù)，Tk為絕對溫度，為絕對溫度，ees為相對濕度為相對濕度)把空氣相對濕度換算成相等的水勢，則相對濕度在把空氣相對濕度換算成相等的水勢，則相對濕度在98%48%范圍內(nèi)，相當(dāng)于大氣水勢約為范圍內(nèi)，相當(dāng)于大氣水勢約為-10-100MPa，在干旱，在干旱半干旱地區(qū)空氣相對濕度往往低于半干旱地區(qū)空氣相對濕度往往低于48尹尹d，因此其大氣水勢還會，因此其大氣水勢還會低于一低于一100MPa。由此可知，從土壤到葉片的水勢降低約為。由此可知，從土壤到葉片的水勢降低約為10MPa或更少，但

7、從葉到大氣則降低幾十甚至達或更少，但從葉到大氣則降低幾十甚至達100MPa。這。這表明，表明，在植株的水分吸收和蒸騰這樣一個耦合過程中的主要阻力在植株的水分吸收和蒸騰這樣一個耦合過程中的主要阻力是是R葉葉-氣氣 。 由于主要的、控制性的阻力在葉由于主要的、控制性的阻力在葉氣系統(tǒng)之間，這意味氣系統(tǒng)之間，這意味著，通過整個連續(xù)體的通量，主要決定于調(diào)節(jié)蒸騰的那著，通過整個連續(xù)體的通量，主要決定于調(diào)節(jié)蒸騰的那些因素，包括供應(yīng)水分汽化的能量。些因素，包括供應(yīng)水分汽化的能量。然而，然而，一般認(rèn)為，根部阻力是導(dǎo)致蒸騰與根系吸水之間一般認(rèn)為，根部阻力是導(dǎo)致蒸騰與根系吸水之間時間滯后現(xiàn)象的原因。這種滯后經(jīng)常在迅

8、速蒸騰的時期時間滯后現(xiàn)象的原因。這種滯后經(jīng)常在迅速蒸騰的時期中引起葉片水分不足和氣孔開度減小或關(guān)閉的現(xiàn)象。中引起葉片水分不足和氣孔開度減小或關(guān)閉的現(xiàn)象。 二、水分運輸方程二、水分運輸方程 1液態(tài)水分運輸方程液態(tài)水分運輸方程在在SPAC中，經(jīng)植物體運輸?shù)目偹浚ㄖ?，?jīng)植物體運輸?shù)目偹浚≦）為：）為： SmQ時間運輸水分的總體積)(3相當(dāng)于植物在單位時間內(nèi)所蒸騰的水量。通過單位橫截相當(dāng)于植物在單位時間內(nèi)所蒸騰的水量。通過單位橫截面積（面積（A）的平均流速為：）的平均流速為： SmSmmAQJ或23運輸途徑的截面積，對木質(zhì)部而言，是指導(dǎo)管的截面積；對細運輸途徑的截面積，對木質(zhì)部而言，是指導(dǎo)管的截面

9、積；對細胞而言是指表面積；對土壤而言是主體介質(zhì)的截面積，包括水胞而言是指表面積；對土壤而言是主體介質(zhì)的截面積，包括水孔隙和固態(tài)襯質(zhì)，因為真實的導(dǎo)水孔隙面積很難測定?？紫逗凸虘B(tài)襯質(zhì)，因為真實的導(dǎo)水孔隙面積很難測定。J與傳導(dǎo)系數(shù)與傳導(dǎo)系數(shù)K（m2Mpa-1s-1）的關(guān)系是：）的關(guān)系是：式中的負號表示水流順?biāo)畡菹陆堤荻榷\動。式中的負號表示水流順?biāo)畡菹陆堤荻榷\動。 dxdkJdxdAkAJQ設(shè)導(dǎo)水率設(shè)導(dǎo)水率C（conductivity, m3s-1Mpa-1）,則則Q=-C;導(dǎo)水率是導(dǎo)水阻力（導(dǎo)水率是導(dǎo)水阻力（R）的倒數(shù)，）的倒數(shù)，C+1/R。 2恒態(tài)條件下不同區(qū)段的水分運輸恒態(tài)條件下不同區(qū)段的水

10、分運輸SPAC是許多不同區(qū)段組成的輸水網(wǎng)絡(luò)，各個區(qū)段之間是許多不同區(qū)段組成的輸水網(wǎng)絡(luò)，各個區(qū)段之間以串聯(lián)方式或并聯(lián)方式聯(lián)系。可參照以串聯(lián)方式或并聯(lián)方式聯(lián)系。可參照Van den Honert(1948)公式。公式。 三、三、SPAC研究的意義與應(yīng)用研究的意義與應(yīng)用 1意義意義 農(nóng)田灌溉用水占我國水資源總消耗量的農(nóng)田灌溉用水占我國水資源總消耗量的84%，而作物吸收，而作物吸收水量的約水量的約95消耗于蒸騰。因此，作物水分問題是解決水消耗于蒸騰。因此，作物水分問題是解決水資源供需平衡的十分重要的一環(huán)，已成為一個日益引起人資源供需平衡的十分重要的一環(huán)，已成為一個日益引起人們關(guān)注的問題。們關(guān)注的問題。

11、國內(nèi)外不少學(xué)者都在探索解決這一問題的途徑。把國內(nèi)外不少學(xué)者都在探索解決這一問題的途徑。把SPAC水分傳輸理論及其動態(tài)模擬技術(shù)的研究成果應(yīng)用于農(nóng)田節(jié)水分傳輸理論及其動態(tài)模擬技術(shù)的研究成果應(yīng)用于農(nóng)田節(jié)水灌溉實踐，將充實這一新的科學(xué)領(lǐng)域，并為農(nóng)田灌溉學(xué)水灌溉實踐，將充實這一新的科學(xué)領(lǐng)域，并為農(nóng)田灌溉學(xué)科提供一個定量解決作物與其水分環(huán)境關(guān)系問題的現(xiàn)實途科提供一個定量解決作物與其水分環(huán)境關(guān)系問題的現(xiàn)實途徑。徑。水分是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性運轉(zhuǎn)和農(nóng)作物產(chǎn)量提水分是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性運轉(zhuǎn)和農(nóng)作物產(chǎn)量提高的主要限制因素。在干旱半干旱地區(qū)水資源不足，灌溉水量高的主要限制因素。在干旱半干旱地區(qū)

12、水資源不足，灌溉水量有限，此時不能追求單位面積產(chǎn)量最高，要實行有限水量條件有限，此時不能追求單位面積產(chǎn)量最高，要實行有限水量條件下的非充分灌溉，做到節(jié)水增產(chǎn)。因此，在干旱半干旱地區(qū)定下的非充分灌溉，做到節(jié)水增產(chǎn)。因此，在干旱半干旱地區(qū)定量研究量研究SPAC中的水分傳輸和調(diào)控機制，對于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和中的水分傳輸和調(diào)控機制，對于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)水資源合理利用具有重要的意義。農(nóng)業(yè)水資源合理利用具有重要的意義。 SPAC中水分傳輸與能量交換的研究是國際水文計劃中水分傳輸與能量交換的研究是國際水文計劃(IHP)、國際地圈國際地圈-生物圈計劃生物圈計劃(IGBP)、世界氣候研究計劃、世界氣候研究計劃

13、(WCRP)、聯(lián)合國環(huán)境計劃聯(lián)合國環(huán)境計劃(UNEP)、全球水量平衡與能量平衡計劃、全球水量平衡與能量平衡計劃(GEWEX)中的重要研究內(nèi)容，對于研究陸地一大氣相互作用，中的重要研究內(nèi)容，對于研究陸地一大氣相互作用，地球氣候和水圈的相互作用以及全球水量平衡與能量平衡等均地球氣候和水圈的相互作用以及全球水量平衡與能量平衡等均具有重要作用。具有重要作用。 因此，因此，SPAC水分傳輸理論及應(yīng)用的研究是一個水分傳輸理論及應(yīng)用的研究是一個具有重大科學(xué)意義和廣闊應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。具有重大科學(xué)意義和廣闊應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。 Sexton等人等人(1974)提出的提出的SPAC模型，其綜合性較強，模型，其

14、綜合性較強，其中土壤水分再分布是用物理方法得到的近似值，作物其中土壤水分再分布是用物理方法得到的近似值，作物蒸騰是用半經(jīng)驗公式計算的。這種模型可計算根系吸水蒸騰是用半經(jīng)驗公式計算的。這種模型可計算根系吸水速率和蒸騰速率，或可模擬根系層中的土壤水分運動及速率和蒸騰速率，或可模擬根系層中的土壤水分運動及水在植物組織中的運轉(zhuǎn)過程，這些預(yù)報結(jié)果可用于指導(dǎo)水在植物組織中的運轉(zhuǎn)過程，這些預(yù)報結(jié)果可用于指導(dǎo)灌溉。灌溉。 SPAC理論在農(nóng)田灌溉中的應(yīng)用，在模擬預(yù)測田間土壤理論在農(nóng)田灌溉中的應(yīng)用，在模擬預(yù)測田間土壤水分動態(tài)變化和作物蒸發(fā)蒸騰動態(tài)變化進行灌水預(yù)報，水分動態(tài)變化和作物蒸發(fā)蒸騰動態(tài)變化進行灌水預(yù)報，以

15、及模擬冠層葉溫或葉水勢、氣孔阻力的動態(tài)變化等的以及模擬冠層葉溫或葉水勢、氣孔阻力的動態(tài)變化等的研究已有一定進展，但在田間水分的轉(zhuǎn)化效率、節(jié)水灌研究已有一定進展，但在田間水分的轉(zhuǎn)化效率、節(jié)水灌溉指標(biāo)體系、作物缺水信息及診斷和以節(jié)水高產(chǎn)為目標(biāo)溉指標(biāo)體系、作物缺水信息及診斷和以節(jié)水高產(chǎn)為目標(biāo)的農(nóng)田水分管理與調(diào)控方面尚須探索和不斷深入。的農(nóng)田水分管理與調(diào)控方面尚須探索和不斷深入。 三、三、 合理灌溉合理灌溉 （一）、作物的需水規(guī)律（一）、作物的需水規(guī)律 我們把植物對水分不足最敏感、最易受害的時期稱我們把植物對水分不足最敏感、最易受害的時期稱為作物的水分臨界期為作物的水分臨界期(critical per

16、iod,由俄國學(xué)者伯由俄國學(xué)者伯羅烏諾夫于羅烏諾夫于1912年提出年提出)，該時期的缺水對產(chǎn)量構(gòu)，該時期的缺水對產(chǎn)量構(gòu)成嚴(yán)重的影響。成嚴(yán)重的影響。 以小麥對水分的需以小麥對水分的需 要來劃分，整個生長發(fā)育階要來劃分，整個生長發(fā)育階段可分為五個時期：段可分為五個時期： 第一、第一、種子萌發(fā)種子萌發(fā)分蘗前期分蘗前期 這一階段為幼苗期，主要進行營養(yǎng)生長，特這一階段為幼苗期，主要進行營養(yǎng)生長，特別是根系發(fā)育快別是根系發(fā)育快 ，而蒸騰面積較小，因此，耗，而蒸騰面積較小，因此，耗水量少，對水分需要量不大。水量少，對水分需要量不大。 第二、第二、分蘗末期分蘗末期抽穗期抽穗期(包括返青、拔節(jié)、包括返青、拔節(jié)、

17、孕穗期孕穗期) 這一階段小穗分化，莖、葉、這一階段小穗分化，莖、葉、 穗開始迅速發(fā)穗開始迅速發(fā)育，葉面積快速增大，消耗水量最多，這時代育，葉面積快速增大，消耗水量最多，這時代謝亦較旺盛。如果缺水，小穗分謝亦較旺盛。如果缺水，小穗分 化不良，或畸化不良，或畸形發(fā)育，莖生長受阻，矮小，產(chǎn)量低。此階段形發(fā)育，莖生長受阻，矮小，產(chǎn)量低。此階段為小麥的第一個水分臨界期為小麥的第一個水分臨界期 。第三、第三、抽穗抽穗開始灌漿開始灌漿 這時葉面積擴大基本結(jié)束，主要進行受精、種子胚胎發(fā)育這時葉面積擴大基本結(jié)束，主要進行受精、種子胚胎發(fā)育和生長和生長 ，如果供水不足，上部葉因蒸騰強烈，開始從下部，如果供水不足，

18、上部葉因蒸騰強烈，開始從下部葉或花器官抽取水分，引起粒數(shù)減少，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。葉或花器官抽取水分，引起粒數(shù)減少，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。第四、第四、開始灌漿開始灌漿乳熟末期乳熟末期 此時主要進行光合產(chǎn)物的運輸與分配，若缺水，有機物此時主要進行光合產(chǎn)物的運輸與分配，若缺水，有機物液流液流 運輸受阻，造成灌漿困難，籽粒瘦小，產(chǎn)量低，同時運輸受阻，造成灌漿困難，籽粒瘦小，產(chǎn)量低，同時水分不足也影響旗葉的光合作用，縮短水分不足也影響旗葉的光合作用，縮短 旗葉壽命，減少有旗葉壽命，減少有機物合成。所以此期是小麥的第二個水分臨界期。機物合成。所以此期是小麥的第二個水分臨界期。第五、第五、乳熟末期乳熟末期完熟期完熟期

19、物質(zhì)運輸已接近完成，種子失去大部分水，逐漸風(fēng)干，物質(zhì)運輸已接近完成，種子失去大部分水，逐漸風(fēng)干，植物枯萎，已不需供水。植物枯萎，已不需供水。 不同作物對水分的需要量也不同。一般可根據(jù)蒸騰系不同作物對水分的需要量也不同。一般可根據(jù)蒸騰系數(shù)估算其對水分的需要量。數(shù)估算其對水分的需要量。植物植物 蒸騰系數(shù)較大，約為蒸騰系數(shù)較大，約為400900，植物蒸騰植物蒸騰系數(shù)約為系數(shù)約為250400。以作物的生物產(chǎn)量乘以蒸以作物的生物產(chǎn)量乘以蒸 騰系數(shù)即可大致估計作物的騰系數(shù)即可大致估計作物的需水量，并作為灌溉用水量的一種參考。當(dāng)然，實際需水量，并作為灌溉用水量的一種參考。當(dāng)然，實際應(yīng)用時還應(yīng)應(yīng)用時還應(yīng) 考慮

20、土壤含水量，土壤保水能力，降雨量考慮土壤含水量，土壤保水能力，降雨量等因素。等因素。 （二）、灌溉的指標(biāo)（二）、灌溉的指標(biāo) 1.土壤含水量土壤含水量 2.作物形態(tài)指標(biāo)作物形態(tài)指標(biāo) (1)生長速率下降生長速率下降 (2)幼嫩葉的凋萎幼嫩葉的凋萎 (3)莖葉顏色變深或變紅莖葉顏色變深或變紅 3.灌溉的生理指標(biāo)灌溉的生理指標(biāo) (1)葉水勢葉水勢 (2)細胞汁液濃度或滲透勢細胞汁液濃度或滲透勢 (3)氣孔狀況氣孔狀況 （三）、節(jié)水灌溉技術(shù)（三）、節(jié)水灌溉技術(shù) 1.精確灌溉精確灌溉隨著農(nóng)業(yè)空間信息技術(shù)隨著農(nóng)業(yè)空間信息技術(shù)(遙感、全球定位、地理信息遙感、全球定位、地理信息)在宏觀方面在宏觀方面(如土地資源

21、調(diào)查如土地資源調(diào)查 、農(nóng)作物估產(chǎn)、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估等、農(nóng)作物估產(chǎn)、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估等)取得廣取得廣泛應(yīng)用的同時，已開始向微觀應(yīng)用泛應(yīng)用的同時，已開始向微觀應(yīng)用精確精確 農(nóng)業(yè)方面轉(zhuǎn)移，精確農(nóng)業(yè)方面轉(zhuǎn)移，精確農(nóng)業(yè)是高新技術(shù)與有關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科相結(jié)合的一種信息化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)是高新技術(shù)與有關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科相結(jié)合的一種信息化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，精確灌精確灌 溉是以高新技術(shù)為手段，以作物需水規(guī)律為依據(jù)。溉是以高新技術(shù)為手段，以作物需水規(guī)律為依據(jù)。 實行精確灌溉必須具備三個條件：實行精確灌溉必須具備三個條件： 掌握掌握 可靠詳細的作物需水規(guī)律資料；可靠詳細的作物需水規(guī)律資料； 運用先進的信息化技術(shù)，主要是遙感技術(shù)和計算機運用先進的信息化技術(shù)，主要是遙感技術(shù)和計算機自動監(jiān)自動監(jiān) 控技術(shù)；控技術(shù)； 提供使兩