第二章節(jié)水灌溉基礎理論

主講教師：羅春艷能源與水利學院二〇一四年九月節(jié)水灌溉理論與技術第二章節(jié)水灌溉基礎理論本節(jié)教學目的：第二章節(jié)水灌溉基礎理論使學生掌握節(jié)水灌溉的基礎理論,理解作物的水分生理,理解掌握作物需水量的計算。本章的重點、難點：第二章節(jié)水灌溉基礎理論1.作物的水分生理2.作物需水量*（一）水對作物的生理作用2、水是光合作用的重要原料；第一節(jié)作物的水分生理一、水對作物生長的作用1、水是細胞原生質的重要成分；3、水是生化反應的介質；4、依靠水溶解和輸送養(yǎng)分；5、保持作物體處于一定形態(tài)。（二）水對作物的生態(tài)作用水是作物體溫調節(jié)器；水對可見光的通透性；水對作物生存環(huán)境的調節(jié)第一節(jié)作物的水分生理ψw

=ψs

+ψp+ψm+ψg水勢滲透勢基質勢壓力勢重力勢二、植物細胞的水勢組成（一）植物水勢第一節(jié)作物的水分生理ψw

=ψs

+ψp+ψm+ψg水勢溶質勢基質勢壓力勢重力勢二、植物細胞的水勢組成（二）土壤水勢第一節(jié)作物的水分生理一、

作物田間水分的消耗+第二節(jié)作物需水量田間耗水量=騰發(fā)量+深層滲漏量第二節(jié)作物需水量1、作物需水量的影響因素二、作物需水規(guī)律第二節(jié)作物需水量1、作物需水量的影響因素第二節(jié)作物需水量1、作物需水量的影響因素第二節(jié)作物需水量1、作物需水量的影響因素1、作物需水量的影響因素第二節(jié)作物需水量塑膜覆蓋加強中耕松土農業(yè)技術措施的影響秸稈覆蓋2、作物需水臨界期當作物對缺水最敏感的時期，即由于水分缺乏，對作物產量有明顯的影響，這個時期叫做作物需水臨界期。第二節(jié)作物需水量需水臨界界期一定是需水量最多的時期嗎？2、作物需水臨界期不同作物的水分臨界期不同第二節(jié)作物需水量豆類是在花芽分化至開花前塊根類蔬菜多在營養(yǎng)生長前期作物需水臨界期越長是不是越有利呢？直接法──田間試驗直接測定，方法簡易

間接法──先計算參照作物需水量，再計算實際需水量，理論上較完備

第二節(jié)作物需水量三、作物需水量計算選擇幾個影響作物需水量的主要因素（水面蒸發(fā)、氣溫、濕度、日照、幅射等）,再根據試驗觀測資料分析這些主要因素與作物需水量之間存在的數量關系，得出經驗公式：

⑴以水面蒸發(fā)為參數的需水系數法

⑵以產量為參數的需水系數法(簡稱“k值法”)

第二節(jié)作物需水量（一）直接計算需水量的方法1、以水面蒸發(fā)為參數的需水系數法（α值法或蒸發(fā)皿法）

ET＝αE0或：ET＝aE0＋b一般適用于水稻田第二節(jié)作物需水量a、b──經驗系數式中：ET──某時段內的作物需水量，以水層深度mm計。E0──與ET同時段的水面蒸發(fā)量，一般采用80cm口徑蒸發(fā)器的蒸發(fā)值。國外A級蒸發(fā)皿(ClassApan)2、以產量為參數的需水系數法(簡稱“k值法”)

ET──作物全生育期內總需水量（m3/畝）Y──作物單位面積產量（kg/畝）K──需水系數m3/kgn、c──經驗指數和常數ET＝KY或：ET＝KYn＋c第二節(jié)作物需水量棉花K=0.6-1.7,n=0.3-0.5小麥K=0.36-0.85,C=11.3-16.0第二節(jié)作物需水量式中:Ki──需水量模比系數（由試驗得）

3、各生育期階段的需水量第二節(jié)作物需水量此公式缺點是什么？各生育階段需水系數可見表2-2

3、各生育期階段的需水量第二節(jié)作物需水量（二）通過計算參照作物的需水量來計算實際需水量第二節(jié)作物需水量通過計算參照作物的需水量來計算實際需水量1、計算參照作物的需水量2、計算作物實際需水量第二節(jié)作物需水量第二節(jié)作物需水量PenmanMonteith公式（FAO1990）式中：ET0-參照作物騰發(fā)量，mm/d;Rn-為作物表面的凈輻射,MJ/(m2?d)；G-土壤熱通量密度，MJ/(m2?d)；T-地面以上2m處的平均氣溫，℃；u2-地面以上2m處的風速,m/s；es-飽和水汽壓，kpa；ea-實際水汽壓，kpa；es-ea-飽和氣壓虧缺量，kpa；Δ-水汽壓力曲線斜率，kpa/℃；γ-濕度計常數，kpa/℃.第二節(jié)作物需水量（1）確定es、ea飽和水汽壓es：其中：eo(T)為氣溫為T時的飽和水汽壓，kpa；Tmax、Tmin為地面以上2m處最高、最低氣溫，℃。實際水汽壓ea：其中：RHmax、RHmin為最大、最小相對濕度，%。缺乏資料RHmax、RHmin，而只有平均相對濕度的資料。第二節(jié)作物需水量（2）濕度計γ確定式中：P為大氣壓強，kpa；Z為海拔高度，m。

第二節(jié)作物需水量（3）確定作物表面凈輻射Rn式中：as、bs為短波輻射比例系數，我國一些地方的as、bs值，可以從表2-4中查的，如無實際的太陽輻射數據，可取as

=0.25，bs=0.50。n、N為實際日照時數與最大可能日照時數，

Rs-太陽短波輻射第二節(jié)作物需水量（3）確定作物表面凈輻射Rn其中：為24h內最高、最低絕對溫度，K=℃+273.16式中：Rs0為晴空時太陽輻射，MJ/(m2?d)（又稱太空輻射），與緯度及年內所處的時間有關Rnl-凈長波輻射式中：Ra為地球大氣圈外的太陽輻射（即理論太陽輻射），MJ/(m2?d)。（3）確定作物表面凈輻射Rn太陽輻射常數，0.0820MJ/(m2?min)日地相對距離，

Ф為緯度，北半球為正，南半球為負值。δ為太陽磁角，

。ωs為日落時相位角

（4）土壤熱通量G以月為時段：式中：為第i月（計算月）土壤熱通量密度；為計算月下一個月和前一個月的平均氣溫，℃。

如果未知，可按下式計算：以日或更短的時間，則白天：

夜晚：

第二節(jié)作物需水量（5）確定u2當實測風速距地面不是2m高時，可用下式調整：式中：uz為實測地面以上Zm初的風速，m/s；

Z為風速實測實際高度。第二節(jié)作物需水量（6）水汽壓力曲線斜率第二節(jié)作物需水量【例2-1】參照作物需水量計算計算地點位于東經119.0o北緯34.0o，海拔高度11m。1980年8月氣象資料為：月平均氣溫為24.2℃，最高日平均氣溫28.1℃，最低日平均氣溫為22.6℃，平均相對濕度為88%，10m高日平均風速為2.3m/s，日平均日照時數為6.49h。1980年7月和9月的月平均氣溫為26.3℃和23.2℃。試用Penman-Monteith法計算參照作物需水量。第二節(jié)作物需水量第二節(jié)作物需水量Gsc-太陽輻射常數，0.0820MJ/m2?min計算Rn第二節(jié)作物需水量第二節(jié)作物需水量第二節(jié)作物需水量第二節(jié)作物需水量第二節(jié)作物需水量2、計算作物實際需水量作物系數，反映不同作物的差別。取決于冠層的生長發(fā)育。土壤水分充足Kc作物系數的隨生育階段的變化Kc取決于作物冠層的生長發(fā)育。冠層的發(fā)育情況常用葉面積指數（LAI）描述。LAI為葉面積值與其覆蓋下的土地面積的比率。第二節(jié)作物需水量Kc作物系數的修正修正后作物實際需水量公式：第二節(jié)作物需水量Kc作物系數的修正式中：Kcb—基本作物系數，指土壤表面干燥、長勢良好且供水充分時作物需水量與ET0的比值；Ks—水分脅迫系數；Kw—反映降雨或灌水后濕土蒸發(fā)增加對作物系數影響的系數

第二節(jié)作物需水量介紹FAO推薦倫鮑斯和普魯伊提出，并經豪威爾等人修正的估算方法。生育期初始生長階段冠層發(fā)育階段生育中期成熟階段(1)基本作物系數第二節(jié)作物需水量(1)基本作物系數A點-Kcb是已知的（約定取0.25），因此只需初始生育期占全生育期的比例Fs1.B點—作物系數已達到峰值，確定該點需同時知道該點的基本作物系數Kcp和Fs2的值。C點—基本作物系數與B點相同，因此只需要確定Fs3.D點—一般位于成熟期末，由于作物生育期結束的時間是已知的，因此，確定D點只需知道改點的基本作物系數Kcm。以玉米生育期為例第二節(jié)作物需水量第二節(jié)作物需水量(2)水分脅迫系數水分脅迫系數計算表公式水分脅迫對需水量的影響可以通過以土壤水分脅迫系數來反映。可根據作物根區(qū)內貯存的總有效土壤水的百分比確定水分脅迫系數式中：Ks—水分脅迫系數；

λc—根區(qū)土壤有效水百分比的臨界值（根據作物耐旱性的不同而變化）。在干旱條件下仍能維持ET0稱為耐旱作物；對于耐旱作物λc取25%，對于干旱敏感的作物λc取50%。

λa—根區(qū)土壤有效水百分比。指土壤在田間持水量與永久凋萎點含水量之間能夠保持的水量。第二節(jié)作物需水量

式中：λa—根區(qū)土壤有效水百分比

θv—當前土壤實際體積含水率，%；

θf—田間持水率，（體積%）；

θp—永久凋萎系數，（體積%）；第二節(jié)作物需水量【例2-2】設田間持水率和凋萎系數分別為25%和10%（均為體積含水率），甲、乙兩田塊實際含水率分別為16%和20%（均為體積含水率），已知甲、乙兩田塊上的作物均為對干旱敏感作物，參照作物騰發(fā)量為1.3mm/d，基本作物系數為1.1，求兩種作物的實際騰發(fā)量。第二節(jié)作物需水量（3）濕土蒸發(fā)對作物系數的影響第二節(jié)作物需水量

式中：Fw—為濕潤土壤表面的比例，見表2-7；

f（t）—濕土表面蒸發(fā)衰減函數，；

t—濕潤后經過的時間，d；

td—為土壤表面變干所需的時間。第二節(jié)作物需水量上述公式只能反映降雨或灌水后濕土蒸發(fā)增加對某一天的作物系數的影響，實際上往往需要計算某一時段的平均kw值。式中：Af-平均濕土蒸發(fā)因子，可計算也可查表2-9。第二節(jié)作物需水量作物水分生產函數概念

20世紀40年代以來，傳統(tǒng)灌溉的目標主要是向作物提供適宜的水分以獲得單位面積上的最高產量。而隨著水資源的短缺，以及經濟學概念的引入，人們開始關心單位水量的投入而能獲取的最大效益，按照經濟學的觀點，灌溉水量是農業(yè)生產中的生產資源的投入量，而作物產量是農業(yè)生產品的產出量。作物產量與需水量之間存在著一種投入和產出的數學關系，這種關系稱為水分生產函數。第三節(jié)作物水分生產函數1.定義由于它能描述不同時期作物產量與水的定量關系，那么只要找出某種作物的水分生產函數，就可以確定對有限水量的容量分配或合理分配，即何時灌水、灌多少水、何時可以少灌或不灌。作物水分生產函數概念第三節(jié)作物水分生產函數

發(fā)達國家從60年代即開始研究。至70年代成為農田灌溉研究的主要課題之一，并開始在實踐中應用，70年代后期，美國西部開始實施非充分灌溉，利用有限水量，不以單純追求傳統(tǒng)最高產量為目標，而以總產值最佳，綜合效益最大為目標，優(yōu)化分配水量，優(yōu)化節(jié)水灌溉制度，其基礎，便是作物水分生產函數。第三節(jié)作物水分生產函數2.研究概況作物水分生產函數概念第三節(jié)作物水分生產函數通俗講，一定的水量，誰的效益最大，則供給誰。事實上，60年代以前就開始使用的K值法，即是初始模型。由于試驗條件限制，還沒有找到一種理想的描述水量投入與產量的容量關系與模型。

60年代后才有分階段的研究水~產量關系，目前所采用的模型主要源于70、80年代的研究成果。我國從80年代初開始此項研究，全國有山西、河北、河南、內蒙、新疆、寧夏、湖北、湖南、安徽等高起點高水平的試驗站。2.研究概況作物水分生產函數概念第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數表示水分生產函數的自變量有三種指標：1）灌水量(W)2）實際騰發(fā)量(ETa)3）田間總供水量第三節(jié)作物水分生產函數田間總供水量=（灌水量+有效降雨量+土壤儲水量）

式中：

Y-作物產量，kg/hm2；

ET-蒸發(fā)蒸騰量，mm；

a0、b0、a1、b1、c1為經驗系數。一、作物產量與全生育期總蒸發(fā)蒸騰量的關系第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數（1）作物產量與蒸發(fā)蒸騰量的關系用相對產量與相對蒸發(fā)蒸騰量的關系

Ym、Y—分別為充分供水時的最高產量和缺水條件下的實際產量，kg/hm2；

ETm、ET—分別為充分供水和缺水條件下全生育期總的蒸發(fā)蒸騰量，mm；

Ky—為作物產量對水分虧缺反映的敏感系數，亦稱減產系數一、作物產量與全生育期總蒸發(fā)蒸騰量的關系第三節(jié)作物水分生產函數一、作物產量與全生育期總蒸發(fā)蒸騰量的關系第三節(jié)作物水分生產函數（2）考慮到高產時產量和缺水量的關系并非線性這一事實，相對產量與相對蒸發(fā)蒸騰量的關系用下式描述其適用性更強。

K′y—為作物產量對水分虧缺反映的敏感系數；

n—為根據受旱實驗資料分析求的得得經驗指數。

一、作物產量與全生育期總蒸發(fā)蒸騰量的關系第三節(jié)作物水分生產函數時間水分生產函數（datedwaterproductionfunction）—包含供水時間和數量效應的作物產量與耗水量之間的函數關系。產量與各階段蒸發(fā)蒸騰量的關系中，最簡單的形式如下：式中：ETi、ETmi—分別為第i階段缺水和充分供水條件下的蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Kyi—為作物產量對第i階段缺水的敏感系數。說明：這種模型對于多數作物在缺水范圍為1-ETi/ETmi≤0.5時是有效的，但它僅考慮了某一階段缺水對產量的影響。二、作物產量與各階段蒸發(fā)蒸騰量的關系第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數

(1)乘法模型由各生育階段(i)的相對騰發(fā)量或相對缺水量作自變量，用各階段連乘的數學式構成階段效應對產量(相對產量)總的影響數學模型，稱為乘法模型。

(2)加法模型由各生育階段(i)的相對騰發(fā)量或相對缺水量作自變量，用各自分別影響相加的數學式構成對產量(相對產量)總影響的數學模型，稱加法模型。缺水范圍：第三節(jié)作物水分生產函數二、作物產量與各階段蒸發(fā)蒸騰量的關系最常應用的乘法模型是Jensen模型(由Jensen1968年提出)。式中：Y——實際產量，

Ym——作物最大產量，λi——作物不同階段缺水對產量的敏感指數。第三節(jié)作物水分生產函數乘法模型Blank(1975)：

kyi——不同階段缺水敏感系數。Stewart(1987)：

(ETi=0，y=0；ETi=ETmi，y=ym)加法模型第三節(jié)作物水分生產函數由各生育階段(i)的相對騰發(fā)量或相對缺水量作自變量，用各自分別影響相加的數學式構成對產量(相對產量)總影響的數學模型，稱加法模型，最常用的加法模型是Blank模型(1975年提出)式中：Kyi—作物不同階段缺水對產量的敏感系數。適于半干旱半濕潤地區(qū)的籽粒產量計算，也適于干旱牧草區(qū)生物產量的計算。第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數【例2-3】

已知：玉米全生育期從5月1日到8月31日（123d）。各生育階段的天數及最大需水量見表2-13.試分析下列幾種情況的產量損失：①全生育期缺水85mm，并均勻地分布在整個生長期；②拔節(jié)-抽雄期缺水85mm，其他階段不缺水；③抽雄-灌漿期缺水85mm，其他階段不缺水。第三節(jié)作物水分生產函數一、灌溉制度定義為了達到滿足作物生長需要而制定的適時適量進行灌溉的方案

包括：作物播種前及其生育期內的

灌水次數灌水日期灌水定額灌溉定額灌水定額──一次灌水單位灌溉面積上的灌水量。灌溉定額──各次灌水定額之和。m3/畝或mm單位間關系：1mm＝0.667m3/畝1m3/畝＝1.5mm第四節(jié)節(jié)水型灌溉制度三、充分灌溉條件下確定灌溉制度的方法充分灌溉條件下確定灌溉制度是指灌溉供水能夠滿足作物各生育階段的需水量要求而設計制定的灌溉制度?？偨Y起來主要有三種方法：二、影響作物灌溉制度的因素

1、總結群眾豐產灌水經驗作物種類、品種，自然條件，農業(yè)技術措施（導致灌溉方式不同）第三節(jié)作物水分生產函數2、根據灌溉試驗資料制定灌溉制度3、按照水量平衡原理分析制定作物灌溉制度湖北省水稻泡田定額及生育期灌溉定額調查成果表(中等干早年)我國北方地區(qū)幾種主要旱作物的灌溉制度(調查)第三節(jié)作物水分生產函數1、總結群眾豐產灌水經驗我國的許多灌區(qū)設置了試驗站，試驗項目一般包括作物需水量、灌溉制度、灌水技術等。試驗站積累的試驗資料，是制定灌溉制度的主要依據。但是在選用試驗資料時，必須注意原試驗的條件，不能一概照搬。2、根據灌溉試驗資料制定灌溉制度2、根據灌溉試驗資料制定灌溉制度第三節(jié)作物水分生產函數式中：W0、Wt－分別為時段初和任一時間t時的土壤計劃潤層內的儲水量

WT－為由于計劃濕潤層增加而增加的水量

P0－降水入滲水量

M－時段t內的灌溉水量

K－時段t內的地下水補給量

ET－時段t內的作物田間需水量

f－時段內深層滲漏量原理：將作物主要根系吸水層作為灌水時的土壤計劃濕潤層，并要求該土層內的儲水量保持在作物所要求的范圍內。（1）、水量平衡方程

Wt＝W0

＋

P0＋M＋K＋WT－ET－f第三節(jié)作物水分生產函數3、按照水量平衡原理分析制定作物灌溉制度第三節(jié)作物水分生產函數土壤計劃濕潤層水量平衡示意圖平衡方程Wt＝W0

＋

P0＋M＋K＋WT－ET－f地面地下水f第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數當在某些時段內降雨很小或沒有降雨量時，往往使土壤計劃濕潤層內的儲水量很快降低到或接近于作物允許的最小儲水量，此時即需進行灌溉，補充土層中消耗掉的水量。注：為了滿足農作物正常生長的需要，任何時段內土壤計劃濕潤層內的儲水量必須經常保持在一定的適宜范圍內，即通常要求不小于土壤允許的最小儲水量（Wmin

）和不大于土壤允許的最大儲水量（Wmax）土壤計劃濕潤層(H）內儲水量變化第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數

影響因素：作物根系活動層深度、土壤性質、地下水埋深等。作物生長初期，一般取30~40cm;

生長末期一般不超過0.8~1.0m;

地下水位較高的鹽堿化地區(qū)，深度不宜大于0.6m。（2）、基本資料收集擬定的灌溉制度是否正確，關鍵在于方程中各項數據如土壤計劃濕潤層深度、作物允許的土壤含水量變化范圍以及有效降雨量等選用是否合理a、土壤計劃濕潤層深度(H)H是進行灌溉時，計劃調節(jié)控制土壤水分狀況的土層深度。第三節(jié)作物水分生產函數允許的最大、最小含水率（max、min):田間中不可能始終保持一個含水率，因為作物耗水的持續(xù)性，而降雨和灌溉則是間歇性。那么，則應將土壤含水率控制在允許最大和最小之間。b、土壤適宜含水率及允許的最大、最小含水率土壤最適宜含水率(適)：即最有利于作物生長發(fā)育的土壤含水率，與作物種類（小麥、玉米、棉花、果樹）和生長發(fā)育階段，土壤性質等因素有關。一般應通過試驗或調查總結群眾經驗確定。第三節(jié)作物水分生產函數c、有效降雨或降雨入滲量(P0)有效降雨P0＝降雨量P－地面徑流P地或P0＝

P

——為降雨入滲系數，與一次降雨量大小、降雨強度、延續(xù)時間、土壤性質、地面覆蓋、地形等有關，很難確定。經驗：P<5mm,=0即無用。

5<P<50mm,=1.0-0.8有部分蒸發(fā)，截流。

P>50mm,=0.7-0.8徑流產生。第三節(jié)作物水分生產函數第三節(jié)作物水分生產函數K值獲得：地下水位是經常變化的，計劃濕潤層也是經常變化的，則K也不是一個常數，所以很難確定，只能通過試驗確定。d、地下水補給量K定義:地下水借助土壤毛細管作用上升至作物根系活動層，而被作物利用的水量，即為K影響因素：地下水埋深，土壤性質，作物種類（根系深淺），計劃濕潤土層的含水量（如果要求保持很高的含水量，則可能無用）。第三節(jié)作物水分生產函數式中：v─(H2－H1)土層中的平均質量含水率,以占干土重的百分數計

H2——計劃時段末計劃濕潤層深度，mH1——計劃時段初計劃濕潤層深度，m

———土壤干密度。

e、由于計劃濕潤層增加而增加的水量WT作物生長發(fā)育，根系活動層增加，作物便可利用這部分濕潤層中的一部分水量，即

WT=667(H2－H1)m’第三節(jié)作物水分生產函數

’max、’０－土壤田間持水率和播前平均含水率（以占干土重％計）

H為土壤計劃濕潤層深度，m

為H深度內的土壤平均密度，t/m3目的保證作物種子發(fā)芽和出苗，或儲水于土壤中以供作物生長后期之用，播前往往只進行一次，計算式為：m＝100H('max－'0)第三節(jié)作物水分生產函數1.旱作物播前灌水定額的確定式中m－灌水定額（mm）

H－土壤計劃濕潤層深度（m）－土壤干容重。

‘max、’min－允許的土壤最大含水量和最小含水率（以占干土重％計）2.生育期灌水定額

m＝Wmax－Wmin

＝667H('max－'min)

第三節(jié)作物水分生產函數1、水量平衡方程淹灌條件下水稻灌溉制度若h2≤hmin，則需進行灌水，灌水定額m=hmax-h2,實際取整。灌水后該時段末的水層深度h2’=h2+m；若h2?hp，則需進行排水，排水量為d=h2-hp，一般假定排水在本時段末完成，則該時段末水田水層深為h2=hp。若hmin?h