田间用水管理技术综述

田间用水管理技术 提纲 一 我国灌溉农业发展的历程二 节水农业的基本概念与节水途径三 作物与水分的关系四 有限水量的最优配置理论五 土壤墒情监测与灌溉预报技术六 主要农作物节水高效灌溉制度七 田间节水灌溉技术 一 我国灌溉农业的发展历程 灌溉农业是指种植业在土壤水分不足的情况下 通过人工对土壤进行有节制的灌水 以补充水分的不足 保持作物容根层水分有一个最优状态 从而满足作物生长发育对水分的需要 以获得农作物高产高效栽培目的的农业 反之 只靠自然界降水补给 不进行人工灌溉的农业 称为旱作农业 也称 雨养农业 一 我国灌溉农业的发展历程 灌溉农业 水源 输水工程 灌溉管理 灌水方式 一 我国灌溉农业的发展历程 早在夏商时期 我国劳动人民在作农田规划的时候 就已注意到了灌溉的水源问题 到了商代 沟 洫工程开始有了文字记载 洫指的是田间的水道 沟和洫都是灌溉农田的逐级渠系 春秋战国时期 为了适应农田灌溉的需要 兴建了较大规模的农田灌溉工程 如漳水十二渠 四川都江堰以及陕西的郑国渠等工程 西汉农学家汜胜之在 瓠区种法 中就提出了 遥润 这一十分科学的灌溉技术 后魏贾思勰著 齐民要术 一书 在 种瓜 种芋 等提出了 旱则浇之 的灌溉原则 到了元代 王祯进一步明确了 旱则浇灌 涝则泄去 的灌溉与排水的关系 以后的历代对灌溉又有了新的发展 一 我国灌溉农业的发展历程 新中国成立以后 随着农业生产的发展 我国农田水利事业得到了迅速的发展 兴建了大量的农田水利工程 这些水利工程在抗御水旱灾害中发挥出了重要的作用 为发展我国农业生产和多种经营奠定了物质基础 使全国的农田灌溉面积从解放初期的2 4亿亩 发展到2000年初的8 9亿亩 粮食产量达52005 108千克 其中相当大的部分是在我国北方地区 农田灌溉事业的发展 对保证我国农作物的高产高效起着重要的作用 一 我国灌溉农业的发展历程 我国北方地区农田灌溉事业的发展大体上可划分为三个阶段 1 兴修水利工程2 开展机井建设3 发展节水灌溉 一 我国灌溉农业的发展历程 灌溉用水管理解放前水稻灌溉试验20世纪50年代兴建灌溉试验站并开展试验研究20世纪80年代作物需水量等值图协作研究20世纪90年代全国灌溉试验资料数据库近20年来作物非充分灌溉 调亏灌溉田间配套灌水技术20世纪50年代引进喷灌 70年代大面积发展20世纪70引进滴灌技术 90年代开始大面积发展20世纪70年代以来的地面改进灌水技术20世纪90年代以来大面积推广的覆膜灌溉技术 一 我国灌溉农业的发展历程 田间灌溉用水管理 二 节水农业的基本概念与节水途径 基本概念 节水灌溉 Water savingIrrigation在充分利用降水和土壤水的前提下高效利用灌溉水 最大限度地满足作物需水 以获取农业生产的最佳经济效益 社会效益 生态环境效益 二 节水农业的基本概念与节水途径 基本概念 节水农业 water savingAgriculture充分合理利用各种可用水源 采取水利 农业 管理等技术措施 使区域内有限的水资源总体利用率最高及其效益最佳的农业 即节水高效的农业 要将自然界的水转化为农作物产量 一般要经过以下四个环节 1 对水资源进行合理开发 使其成为农业可用水源 2 将水从水源输送至田间 3 把引入田间的水 均匀地分配到指定的面积上贮存到土壤中 4 作物经根系吸收土壤水 通过作物体内生理 生化过程转化形成经济产量 二 节水农业的基本概念与节水途径 农业节水 与节水灌溉的涵义类似 但其节水的范围更广 更深 包括生物节水 农艺节水和旱作农业节水等 它是以水为核心 研究如何高效利用农业水资源 保障农业可持续发展 农业节水的最终目标是建设节水高效农业 节水农业 类似 节水型农业 是指农业的一种类型 重点研究如何按照节水的要求规划 建设和管理农业 两种提法的研究内容和重点不同 适用的场合不同 不能混淆或相互代替 易混淆的两个概念 农业节水 节水农业 二 节水农业的基本概念与节水途径 节水途径 源头节水 开源与节流 水资源合理开发利用 输水节水 减少渗漏 蒸发和径流损失 田间节水 减少棵间无效蒸发 降低奢侈蒸腾 管理节水 适时适量灌水 二 节水农业的基本概念与节水途径 主要技术措施 农业水资源合理开发利用技术措施 水资源优化分配技术 多水源联合运用技术 雨水汇集利用技术 地下水利用技术 劣质水安全利用技术 二 节水农业的基本概念与节水途径 主要技术措施 节水灌溉工程措施 管道输水灌溉技术 渠道防渗技术 喷灌技术 微灌技术 膜上灌技术 地下灌溉技术 坐水种枝术 沟畦改造技术 二 节水农业的基本概念与节水途径 主要技术措施 农艺节水技术措施 耕作保墒技术 覆盖保墒技术 水肥耦合技术 节水品种筛选技术 化控保水节水技术 二 节水农业的基本概念与节水途径 主要技术措施 节水管理技术措施 节水灌溉制度 土灌壤溉墒预情报监技测术与 灌区配水技术 灌区量水技术 现代化灌溉管理技术 三 作物与水分的关系 生产实践证明 农作物从播种到收获 每时每刻都离不开水 因此 水对农作物生长发育至关重要 无论是旱作农业还是灌溉农业 都必须解决好 水 这个举足轻重的大问题 三 作物与水分的关系 水是农作物的命脉 作物生命活动的维持及其生长发育都离不开水 作物干物质形成与积累的过程就是水分大量消耗的过程 如玉米每形成一单位重量的干物质要利用或消耗1000单位重量的水 从构成植物干物质的化学成分上看 植物只利用通过植物体水分的0 2 左右 其余99 8 的水分则是通过叶片被植物蒸腾而散失到大气中 作物缺水时 轻则减产 严重时可能造成绝产 一 水分与作物生长发育的关系 水是构成作物有机体的主要成分 作物的含水量 叶片含水量可达叶重的80 95 根部的含水量可占根部重量的70 90 干燥种子的含水量占种子重量的10 15 蔬菜作物其产品均是柔嫩多汁的器官 含水量都在90 以上 其中白菜 甘蓝 芹菜等的含水量达到93 96 一 水分与作物生长发育的关系 作物体内水分存在的状态 水分在作物细胞内通常呈束缚水和自由水两种状态 束缚水 自由水 靠近原生质胶体微粒而被胶体吸附不易自由流动的水分 不参与代谢作用 其数量多少与作物的抗性大小有密切的关系 距离胶体较远且可以自由流动的水分 自由水参与各种代谢作用 它的数量制约着作物的代谢强度 如光合速率 呼吸速率 生长速率等 一 水分与作物生长发育的关系 水分在作物生命活动中的作用 水分能保持作物的固有状态水分是原生质的主要成分水分是作物代谢过程的反应物质水分是作物对物质吸收和运输的溶剂 一 水分与作物生长发育的关系 2 水是制造养分的原料 叶绿素 6CO2 6H2OC6H12O6 2707千焦 6O2 一 水分与作物生长发育的关系 3 水是作物体内运输养料的载体 作物体内所需的各种矿质营养元素是通过根系从土壤中吸取的经过根系吸收进来的矿物质营养元素 除少量就地参与新陈代谢活动外 大部分元素离子由导管向地上各部分的组织运送 在向顶部运输的同时 还进行横向运转 养分输送的动力来自于蒸腾作用作物叶片进行光合作用所制造的有机物也要在水溶液状态下 借助于体内的输导组织 将养分运送到茎 花 根 种子等器官中积累供作物生长需要 一 水分与作物生长发育的关系 4 水是调节作物生长环境的媒介 农作物的生长发育及产品器官的形成 都需要在一定的环境条件下才能进行 其主要的环境条件包括 温度 空气温度和土壤温度 水分 土壤含水量和空气相对湿度 光照 光的组成 光的强度及光周期 土壤 土壤中的理化性状及土壤肥力等 空气 大气 土壤中的空气 生物条件 土壤微生物 杂草 病虫害等 二 水分亏缺对作物的三种重要影响 从使用管理水分的角度出发 作物体内的水分亏缺到什么程度 产量才会急剧降低 这是人们较为关心的问题 通过考察水分亏缺对作物的三种主要影响 即可得到较为深刻的认识 水分亏缺对细胞扩张 延伸 生长的影响 水分亏缺对植株叶片光合作用的影响 水分亏缺对受粉 受精和结实的影响 三 作物对水分亏缺的适应性 逃旱 以严重牺牲产量为代价 避旱 适水生长 御旱 充分发挥自身的渗透调节功能 维持作物水分状况收支平衡 四 有限水量的最优配置理论 一 作物需水量的概念及其影响因素 作物需水量是指作物在适宜的土壤水分和肥力水平下 经过正常生长发育 获得高产时的植株蒸腾 棵间蒸发以及构成植株体的水量之和 影响因素 内部 作物种类 品种 生育期 生长状况外部 天气 土壤 农业措施 灌排管理 四 有限水量的最优配置理论 二 主要农作物需水量与需水规律 作物生育期需要多少水 何时需要灌溉 每次应灌多少 要想回答这一问题 首先必须了解作物的需水规律 然后才能作到科学 合理的灌溉 以满足作物需水的要求 达到节水高产的目的 四 有限水量的最优配置理论 我国稻作面积辽阔 跨越热带 亚热带与温带 种植面积大约为3188亿hm2 是我国主要的粮食作物 水稻需水量因气候 地理等环境条件以及农业栽培技术的不同 地区间的差异极大 这种差异不仅表现在同一品种水稻的地区变化 就是在同一地区不同稻别 早稻 晚稻 的需水量也有很大不同 1 水稻 四 有限水量的最优配置理论 四 有限水量的最优配置理论 四 有限水量的最优配置理论 四 有限水量的最优配置理论 图2 1冬小麦日需水量过程线 2 冬小麦 小麦是我国第二种主要粮食作物 种植面积约0 2867亿hm2 其中冬小麦面积为0 2467亿hm2 华北地区是我国冬小麦的主要产区 该地区冬小麦需水特性完全概括了我国小麦需水特点 反映了小麦需水的基本规律 四 有限水量的最优配置理论 3 玉米 玉米同水稻 小麦一起 被称为我国的三大农作物 总播种面积为0 2亿hm2左右 多年来的试验和生产实践证明 单产在6000kg hm2以上的高产玉米全生育期需水量为380 460mm 北方春玉米生育期长 需水量较高 达430 480mm 产量也多在6750kg hm2以上 南方各省玉米需水量较少 一般低于390mm 产量为5250kg hm2左右 华北地区夏玉米居中 产量为5250 7500kg hm2的玉米 需水量为330 430mm 四 有限水量的最优配置理论 三 作物的水分生产函数与需水临界期 作物产量与需水量之间的函数关系被称为作物水分生产函数 需水量一般用三种指标代表 灌水量 田间总供水量 灌水量 有效降水量 土壤贮水量 实际蒸发蒸腾量 由于前两种指标代表的水量不一定都能被作物所利用 因此 目前最常用的是作物实际蒸发蒸腾量 作物水分生产函数的模式很多 但归纳起来主要有两大类 一是作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系 二是作物产量与各生育阶段蒸发蒸腾量的关系 四 有限水量的最优配置理论 1 作物产量与全生育期耗水量的关系 四 有限水量的最优配置理论 2 作物产量与各阶段耗水量的关系 四 有限水量的最优配置理论 2 作物产量与各阶段耗水量的关系 冬小麦水分敏感指数 夏玉米水分敏感指数 四 有限水量的最优配置理论 2 作物产量与各阶段耗水量的关系 Ky值反映了作物缺水对产量影响的敏感程度 是指导灌溉用水的 个重要指标 这可为灌区配水提供依据 在几种作物同时需要灌溉时 就应根据各种作物缺水对产量影响的反应系数Ky值大小进行排队 确定灌溉配水次序 先保浇不耐旱 缺水对产量影响反应最大的作物 值反映了作物各生育阶段对缺水的敏感程度 其值越大 表明该阶段缺水引起的减产损失最大 这为有限水量在作物生育期内进行分配提供了理论上的依据 四 有限水量的最优配置理论 3 作物需水临界期 农作物在整个生长发育过程中 不同的生长发育时期对水分的要求不同 对水分的敏感程度也不一样 当作物对缺水最敏感的时期 即由于水分缺乏 对作物产量有明显的影响 这个时期叫做作物需水临界期 也称关键期 需水临界界期不一定是作物需水量最多的时期 作物需水临界期与需水量的多少对产量的影响不是一个概念 不同作物的水分临界期不同 如豆类是在花芽分化至开花前 块根类蔬菜多在营养生长前期 各种作物的水分临界期长短不等 一般情况 临界期时间短的作物和品种对不良水分条件的适应能力强 反之较弱 四 有限水量的最优配置理论 3 作物需水临界期 几种主要作物的水分临界期 水分临界期 细胞中原生质韧度和弹性都降低 因而忍受和抵抗干旱的能力大大减弱 加之原生质韧度降低 新陈代谢增强 引起作物生长速度加快 因此 在这个时期 即作物需水临界期 一定要保证水分供应 绝不能使作物缺水 此期灌水 不仅有利于作物生长发育 而且对水分的利用率也高 四 有限水量的最优配置理论 不同作物的需水量不同 而且不同作物对缺水的反应不一样 因此 存在着有限水在作物间进行如何分配的问题 同一种作物 不同生育阶段对水分的敏感性不同 有限水分供应在作物的不同生育阶段 最终的产量也会不一样 因此 存在着有限水量在作物生育内进行最优分配的问题 水量有限情况下 追求的是全灌区总产最高 而非单位面积上的产量最大 因此 对于灌区而言 应对有限水量在作物间与作物生育期内进行最合理的分配 以使有限水的水分生产率和水分利用效率同步达到最大 四 作物有限水的最优配置理论 四 有限水量的最优配置理论 四 作物有限水的最优配置理论 返青后同样灌两水的冬小麦产量 水分利用效率差异比较 五 土壤墒情监测与灌溉预报技术 一 作物所需水分的来源 耙耱保墒 镇压保墒 中耕保墒 覆盖保墒 天然降水 人工浇灌的水 地下水 土壤水 保墒措施 五 土壤墒情监测与灌溉预报技术 二 水分在土壤中存在的形态 水分在土壤中存在的形态有三种 固态水 汽态水 液态水 吸湿水膜状水毛管水重力水 凋萎系数 田间持水量 1 重量百分数表示法 五 土壤墒情监测与灌溉预报技术 三 土壤水分的表示与计算方法 2 体积百分数表示法 土壤含水量 体积 土壤含水重量 土壤容重 3 以土壤吸力表示土壤水分状况 1 土壤墒情的判断 五 土壤墒情监测与灌溉预报技术 四 土壤墒情判断与监测 我国北方干旱地区的农民把土壤含水量的多少称为土壤墒情 他们根据土壤颜色及手中握土凭经验感觉来判断土壤墒情 一般把土壤墒情分为 汪水 黑墒 黄墒 灰墒 干土 2 土壤墒情的监测 五 土壤墒情监测与灌溉预报技术 四 土壤墒情判断与监测 土壤墒情监测即是直接监测农作物当前土壤水分的供给状况 直接测定法 间接测定法 五 土壤墒情监测与灌溉预报技术 五 实时灌溉预报 实时灌溉预报的核心是水量平衡方程 它是以农田水量平衡计算为基础 以土壤含水率或土壤计划湿润层贮水量预报为中心 通过循环计算 确定各日土壤水分状况 然后判断是否需要灌溉 并计算出应灌水量和发布灌溉预报 根据土壤墒情的预测预报方式不同 农田灌溉预报方法又可分为 正推法 反推法 六 主要农作物节水高效灌溉制度 作物灌溉制度是根据作物需水量和需水规律 在充分利用自然降水的条件下 经过分阶段水量平衡计算 并经大田试验验证确定的灌水定额 灌水时间和灌溉定额 它既是指导农田灌溉的重要依据 也是制定水利灌溉规划 设计灌溉工程以及编制灌区用水计划的基本依据 因此 灌溉制度制定的合理与否 对工程规模 投资数额和经济效益 科学用水等有着直接的联系 特别是在水资源缺乏的干旱半干旱地区 它将直接影响着节水型农业的建设 长期以来世界各国对作物灌溉制度研究予以高度重视 其重要意义即在于此 六 主要农作物节水高效灌溉制度 作物灌溉制度包括的内容有 农作物播种前及全生长期内的灌水次数 灌水时间 灌水定额和灌溉定额 灌水定额是指单位耕地面积上的一次灌溉水量 常以 mi 表示 而灌溉定额则是指单位耕地面积上农作物播种前和全生长期内的总灌溉水量 常以 M 表示 可用下式计算 六 主要农作物节水高效灌溉制度 灌溉制度的制订 依赖于灌区内农作物的组成情况和各种农作物的需水量 以及灌区内的水源供应情况和农作物生长期内的有效降雨量等因素 且多用于来年或今后 带有预测和预定的性质 由于天然降水是个随机变量 因此 作物的灌溉定额就有了频率的概念 同样 灌溉制度也有频率的概念 无论水源供水条件如何 制定科学 合理的作物灌溉制度均应以充分利用天然降水 减少水源供水和最大限度地提高灌溉水的有效利用率为原则 六 主要农作物节水高效灌溉制度 充分灌溉是指水源供水充足 能够全部满足作物的需水要求 此时的最优灌溉制度应是根据作物需水规律及天气条件 作物生长发育状况和土壤墒情等对农作物进行适时 适量的灌溉 使其生长条件能够得到最大限度的满足 并且不应产生地面径流和深层渗漏 既要确保获得最高产量 又应具有较高的水分生产效率 一 水源供水充足条件下农作物的实时灌溉制度 六 主要农作物节水高效灌溉制度 灌溉定额 一 水源供水充足条件下农作物的实时灌溉制度 灌水时间 适宜土壤水分下限控制指标作物水分生理控制指标 灌水定额 计划湿润层深度 一般稻田灌溉制度是指本田灌溉或是稻田的灌溉 而水稻本田灌溉制度实际上是水稻各生育期的水层深度的合理组合 旱作物 水稻 六 主要农作物节水高效灌溉制度 1 灌溉定额 二 水量有限条件下的农作物最优灌溉制度 1 单方耗水净收益最大的经济耗水量与经济灌溉定额 六 主要农作物节水高效灌溉制度 1 灌溉定额 二 水量有限条件下的农作物最优灌溉制度 2 水分生产效率最高的经济耗水量与省水灌溉定额 六 主要农作物节水高效灌溉制度 二 水量有限条件下的农作物最优灌溉制度 表4 13冬小麦 夏玉米的经济耗水量与经济灌溉定额 m3 hm2 六 主要农作物节水高效灌溉制度 二 水量有限条件下的农作物最优灌溉制度 2 有限水量作物生育期内的最优分配方法 采用动态规划方法 可按时间顺序 将某种作物的整个生育期划分为若干个阶段 把作物灌溉制度的优化设计过程看作是一个多阶段决策过程 认为各阶段决策所组成的最优策略可使整个过程的整体效果达到最优 因此 可根据产量与阶段耗水量的关系 利用动态规划法对作物的最优灌溉制度进行了分析 六 田间节水灌溉技术 水送到田间以后 如何浇灌是大有学问的 不少地方的农民仍然固守着旧的观念 认为浇地就是浇灌 地 要浇足浇够水 于是沿袭几千年来的传统办法 采取大水漫灌 浇地时 把整个田块都放满水 如果田间土地不平整 高高低低 要使地块都漫上水 所用水量就要更大 其实浇地的目的是让庄稼根部获得和保持必需的水量 其余地方完全没有必要 浇很深的水更是巨大的浪费 用了这么多的水 施了如此多的肥 庄稼却长不好 花钱费力还污染环境 真是不划算哟 节水灌溉技术是指灌溉水 包括降水 进入农田后 通过采用良好的灌溉方法 最大限度地提高灌溉水利用率和利用效率的灌溉技术 好的灌水技术不仅灌水均匀 而且节水 节能 省工 使土壤保持良好的物理化学性状 提高土壤肥力 从而获得最佳效益 六 田间节水灌溉技术 节水灌溉技术一般包括地面节水灌溉技术 喷灌和微灌等新的灌水技术 其中地面节水灌溉技术包括小畦 三改 灌水技术 长畦分段短灌 宽窄式畦沟结合灌溉 薄膜覆盖灌溉 涌流灌溉和水平畦田灌溉等 微灌包括滴灌 微喷灌 涌泉灌溉 小管出流灌溉 和脉冲灌溉等 由于喷灌 微灌技术大多通过管道输水 并需要一定压力而进行 也称压力灌溉 六 田间节水灌溉技术 对于相对较小的灌水定额 采用喷灌 微灌等技术无疑