作物需水规律-2

1、第二章农田灌溉原理（二）作物需水规律（二）作物需水规律第二节：作物需水规律1、作物需水量2、作物水分生产函数农田水分调节的目的就是要为作物生长创造一个农田水分调节的目的就是要为作物生长创造一个良好的环境，那么对作物生长而言，究竟什么样良好的环境，那么对作物生长而言，究竟什么样的环境是良好的呢？这就要研究作物的需水规律，的环境是良好的呢？这就要研究作物的需水规律，研究作物的生长对水的需求问题。同时，农业生研究作物的生长对水的需求问题。同时，农业生产是一个经济活动，要考虑经济效益，这就提出产是一个经济活动，要考虑经济效益，这就提出了成本的问题，提出作物水分生产函数问题。了成本的问题，提出作物水分生

2、产函数问题。（一）、作物需水量作物需水量是农业用水的主要组成部分，也是整个国民经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。因此，它是水资源开发利济中消耗水分的最主要部分。因此，它是水资源开发利用时的必需资料，同时也是灌排工程规划、设计、管理用时的必需资料，同时也是灌排工程规划、设计、管理的基本依据。目前全世界的用水量不断增长，水资源不的基本依据。目前全世界的用水量不断增长，水资源不足日益突出，对作物需水量的研究和估算，已成为一个足日益突出，对作物需水量的研究和估算，已成为一个重要研究课题。重要研究课题。 根系根系吸水吸水植物体植物体输水输水植物体植物体蒸腾蒸腾

3、（1）农田水分农田水分消耗途径 植株蒸腾 棵间蒸发 农田渗漏 合成有机质（作物体）1、农田水分消耗分析、农田水分消耗分析作物需水量a、植株蒸腾量b、棵间蒸发量c、田间渗漏量d、组成植物体及光合作用等生理过程的需水量（2）农田水分消耗量的构成）农田水分消耗量的构成渗漏量的大小与土壤性质、水文地质条件等因素有关，它和腾发量的性质完全不同,并且主要是稻田渗漏。因此，一般都是将腾发量腾发量与渗漏量渗漏量分别进行计算。农田水分消耗的途径也就是其主要构成。包括：农田水分消耗的途径也就是其主要构成。包括：由于组成植物体及消耗于光合作用过程的水量一般小于作物蒸发蒸腾量的 1%，故在生产实践中常予以忽略。作物需

4、水规律需水量（1）作物需水量：把作物生育期内的作物蒸发蒸腾量之和称之为作物需水量。作物潜在需水量：“生长在大面积上的无病虫作物，在最佳的水、肥等土壤条件和生长环境中，能获得最高增产潜力所需满足蒸发蒸腾的水量”。是作物需水量的最大值。灌溉用水量灌溉用水量:将作物需水量减将作物需水量减去自然降雨，以及原有土壤去自然降雨，以及原有土壤水利用量之后而需要的量。水利用量之后而需要的量。2、作物需水量与、作物需水量与 田间耗水量田间耗水量 农农田田水水分分消消耗耗量量作物腾发量（作物腾发量（作作物需水量物需水量）田间损失量田间损失量植株蒸腾量植株蒸腾量棵间蒸发量棵间蒸发量深层渗漏量深层渗漏量田间渗漏量田间

5、渗漏量生理需水生理需水生态需水生态需水对旱地对旱地对水田对水田作物田间（农田）耗水量的结构关系作物田间（农田）耗水量的结构关系作物需水规律需水量（2）田间耗水量）田间耗水量: 将作物需水量与田间损失水量相加而得。将作物需水量与田间损失水量相加而得。作物需水规律需水量不同作物、不同地区、不同水文年作物需水量不同作物需水规律需水量3、作物需水量的确定（1）影响因素分析影响作物需水的因素很多，归纳起来有自然和人为两大类。自然因素包括气象、土壤、作物几种，人为因素有灌排措施、耕作措施等。由于各种因素相互联系，错综复杂，目前还难以从理论上进行精确计算，但可以以一两种主要因素建立模型计算。根系根系吸水吸水

6、植物植物体输体输水水植物体植物体蒸腾蒸腾 因此，实践中常采用因此，实践中常采用实验法实验法和和计算法计算法来确定需来确定需水量。水量。 这里主要介绍计算法。这里主要介绍计算法。作物需水规律需水量（2）作物需水量计算的数学模型 对影响作物蒸发蒸腾的主要因素气象(M)、作物(C)、土壤(S)以及农业耕作措施(P)用数学模型表示： ET=f(M、C、S、P) SPAC系统中的水分运移系统中的水分运移根系根系吸水吸水植物体植物体输水输水植物体植物体蒸腾蒸腾作物需水规律需水量4、作物需水量的计算（1）、直接计算法a、以产量和需水的相关关系计算 ET=K*Yb、以水面蒸发和作物需水的相关关系计算 ET=a

7、*E0计算法分为计算法分为直接计算直接计算和和间接计算间接计算两种两种作物需水规律需水量作物需水规律需水量（2）、间接计算法通过参照作物需水量的计算间接计算目标作物的需水量。 影响作物蒸发蒸腾的主要因素中，气象因子规律性比较强，资料容易获得，在水分充足时也是主要因素，作物、土壤以及当地的条件和农技措施变化比较复杂，难以量化，因此，一般把气象因子单独考虑，以此建立模型。具体方法为：作物需水量计算的数学模型 ET=k*f(M) 在实际中，作物因子、土壤及其它因子另作系数k处理。第一步：为便于比较，选取一种作物作为参考作物，控制相同生长条件；第二步：以气象因素为变量，计算参考作物腾发量；第二步：考虑

8、土壤水分、作物品种因素的影响，对参考作物需水量进行调整或修正，从而计算出实际需水量。作物需水规律需水量参考作物：目前国内外多采用参考作物(紫花苜蓿)的蒸发蒸腾量(ET。)来表示气象因子对作物需水量的影响（苜蓿需水量主要受气象条件的影响） 通过参考作物腾发量计算，间接计算实际腾发量： ETC=KC* K*ET0 式中：KC、 K分别为作物和土壤系数。当土壤水分充足时，K=1。 作物需水规律需水量“从高度一致，生长旺盛，完 全遮盖住地面且不缺水，8-15cm高的开阔（地块长宽都大于200米）草地上（苜蓿草）所蒸发蒸腾的速率” 即： ET0 =f(M) 上式表达的是作物蒸腾量与气象的关系. a、参考

9、作物蒸发蒸腾量（、参考作物蒸发蒸腾量（ET0）作物需水规律需水量国际粮农组织推荐的参考作物需水量计算的数学模型能量平衡模型将作物腾发看作能量消耗过程，通过能量平衡先计算出腾发过程所消耗的能量，然后再将能量折算为水量，即作物需水量。而能量的来源就是太阳的辐射能量，这个能量是可以计算的，约为太阳辐射能量40%。能量与水气化的能量关系是：每蒸发1克水，消耗 600 卡的热能，即农田水分消耗将等于(0.4R卡/平方厘米)/(600卡/立方厘米)=R/1500厘米。因此,只要测出能量的消耗量，即转化量，就可推算出水分的气化量。如，某地区4-9月份R=423.6卡/平方厘米/日，则平均潜在腾发量=423.

10、6/1500=0.282cm/日关键的问题就是如何计算消耗的能量！关键的问题就是如何计算消耗的能量！作物需水规律需水量1948年由彭曼提出，经多次修正，1979年联合国粮农组织向各国推荐的具体计算式为： daneeufWRWCET.1.0昼夜因子海拔因子太阳短波净辐射空气动力项饱和水气压实际水气压风函数辐射项此式以能量转换为主,同时考虑到空气动力学等气象因素。受风力、海拔、地理位置、作物叶面积等影响，实际情况要复杂得多受风力、海拔、地理位置、作物叶面积等影响，实际情况要复杂得多!作物需水规律需水量式中：ETo为参考作物蒸发蒸腾量(mmd)；C为补偿昼夜天气变化的修正系数，与湿度、昼夜风速、到达

11、地面辐射量有关，可查表W为与温度和海拔高度有关的权重因子，可查表；f(u)为风函数， U2为距地面2m高处的日平均风速(kmd)； daneeufWRWCET.1.0 100127. 02Uuf作物需水规律需水量Rns为太阳净短波辐射量；a为地面反射率，对大部分作物取15-25；Rs为到达地面的阳光辐射能量；Ra为大气圈外接受的阳光辐射能量(可查表) daneeufWRWCET.1.0nlnsnRRRsnsRaR 1RaNnRs)/5 . 025. 0(Rn为太阳为太阳净净辐射量辐射量大气圈作物需水规律需水量 N为最大日照时数， n为实测日照时数。 为斯瑞藩鲍茨曼常数 2.01*10-9（mm

12、/日度4） Tk为绝对温度: 273+T)/(9 . 01 . 0/NnNnf ddeef044. 034. 0 4kTTf NnfefTfRdnl/.计算式:Rnl为为净净长波辐射量长波辐射量 ea、ed为平均气温下空气的饱和水汽压饱和水汽压与实际平实际平均水汽压均水汽压(102Pa )。 daneeufWRWCET.1.0以上各数据可从气象站获得（一般为表格），或换算得到。国内也绘制了参考作物需水量等值线图，对计算作物需水量很有实用价值。 daneeufWRWCET.1.0各种气象资料表各种气象资料表nlnsnRRRsnsRaR 1RaNnRs)/5 . 025. 0( NnfefTfRd

13、nl/.返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例11 f（ed） daneeufWRWCET.1.0返回算例 daneeufWRWCET.1.0返回算例作物需水规律需水量b、作物系数Kc计算当土壤供水充分时，作物系数Kc是作物需水量与参考作物蒸发蒸腾量的比值，即： Kc=ETc/

14、EToETC=KC* K*ET0 ETo是参考作物的需水量，它反映的是气象因素的是参考作物的需水量，它反映的是气象因素的影响，但是不同作物的需水量是不一样的，还必须影响，但是不同作物的需水量是不一样的，还必须研究作物系数，把研究作物系数，把ETo换算成实际作物的需水量。换算成实际作物的需水量。作物需水规律需水量一般可将作物全生育期划分为4个阶段： 初期：发芽与早期生长阶段，地面覆盖率10%。 发育期：从初期阶段后期到地面完全有效覆盖，覆盖率= 70- 80。 中期：从地面完全覆盖到开始成熟。 后期：从中期阶段后期到完全成熟或收获期。 Kc随作物种类、生育阶段及各主要季节的气候条件而变化。但参考

15、作物和实际作物受气象因素影响是同步的，所以Kc值在各水文年相对稳定。Kc可查有关作物表，也可试验获得。从表中数据可以看出：在作物生育前期和后期，作物系数均小于1，即需水强度比参考作物要小；生育中期则等于或大于1，需水强度比参考作物要强。 ETC=KC* K*ET0 返回算例20%上例中：上例中： 某地，北纬39o20，地面高程100m，计算月份为5月，最高温度28oC，最低温度12oC，平均温度20oC，最大相对湿度70%，最小相对湿度30%，平均相对湿度50%，夜晚风速u夜=2.9m/s，日间风速u昼=2.87m/s，平均风速u=2.88m/s，n/N=65%。种植作物为小麦。 计算：作物需

16、水量算例算例资料：资料： daneeufWRWCET.1.0计计算算过过程程作物需水规律需水量c、缺水条件下土壤因子K的计算 ETC=KC* K*ET0 充分供水条件下土壤因子影响不大，可取K=1。而作物在缺水条件下土壤水分对实际蒸发蒸腾量影响较大。这就是一些资料介绍的水分亏缺问题。 缺水条件下的计算公式很多，这里仅介绍两个。作物需水规律需水量缺水条件下土壤因子的康绍忠计算式 K 为土壤水分修正函数； c、d 是由实测资料确定的经验系数； C 是田间持水量。 wp 为凋萎系数含水量。 为实际含水量dccK作物需水规律需水量缺水条件下土壤因子的Jensen公式式中符号如前介绍。 101ln/1l

17、ncK作物需水规律需水量5、作物需水规律（1）、需水规律作物需水量在作物的不同生育阶段的变化和分配规律称为作物的需水规律或需水模系数（ki），通常以作物各生育阶段的需水量占全生育期作物需水总量的百分比表示。式中：式中：Ki为需水模数；为需水模数；ei为为i时期的耗水量时期的耗水量;ET0为全生育期耗水量为全生育期耗水量niiiiieeETek10作物需水规律一般由田间试验实测得出，使用时可采用类似地区资料 作物需水规律需水量（2）、需水临界期作物任何生育阶段缺水都会对作物的生长发育及产量产生影响，但不同生育阶段作物对缺水的敏感程度不同。通常把作物在整个生育期中对缺水最敏感，需水量最迫切以至对产

18、量影响最大的生育期，称为需水临界期或需水关键期。 Ki生育期生育期需水临界期作物需水规律需水量各种作物的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。这一时期也是产量形成对水分需求最为敏感时期。 Ki生育期生育期营养生长向生殖生长过渡期（二）、作物水分生产函数作物生长发育要求一定的光、热、水和营养，缺一不可。某一因子如果是最低限度，即成为产量的限制因子 若仅以变动资源中的水为研究对象，其它因子均视为固定投入，则作物产量y与水分投入量w之间存在一定的函数关系： y=f(w)作物水分生产函数的研究目的，就是要使有限的水资源投入能够获得最大化的经济利益。 一是要考虑水资源在灌溉

19、面积上的分配； 二是要考虑水资源在作物生育期上的分配。作物需水规律水分生产函数按照经济学的按照经济学的观点，灌溉水观点，灌溉水量是农业生产量是农业生产中生产资源的中生产资源的投入量，而作投入量，而作物产量是农业物产量是农业生产产品的产生产产品的产出量。因此，出量。因此，作物产量与水作物产量与水分的数学关系分的数学关系称为称为作物水分生产函数。 效益费用投入水量水量效益关系曲线水量费用关系曲线损失效益EdEmEyETdETm ETyEToyypETcETbapY)(2111wpETFFYW从前面的分析可以看出，要考虑经济效益就存在作物灌水不充分的问题。在传统的灌排工程中，农田灌溉是以一定作物获得

20、单位面积最高产量为目的，在此理论的指导下，田间耗水、灌溉制度、灌溉用水等均建立在充分灌溉的理论基础上，以此提出了分充分灌溉的理论，这与经济效益最大化往往是矛盾的。作物需水规律水分生产函数非分充分灌溉是以经济效益最大化为 目标的，其研究办法和理论就是作物水分生产函数。非充分灌溉可以理解为：灌水量不能完全满足作物的生长发育全过程需水量，需要将有限的水科学合理(非足额)安排在对产量影响比较大，并能产生较高经济价值的需水关键期供水，而在非水分关键期少供水或不供水。非充分灌溉作为一种新的灌溉制度，不追求单位面积上最高产量，允许一定限度的减产。在水资源有限地区，建立合理的水量与产量关系模式，通过增加灌溉面

21、积而获得大面积总量的均衡增产，力求在水分利用效率产量经济效益三方面达到有效统。作物需水规律水分生产函数作物需水规律水分生产函数1、模型类型作物水分生产函数的构建，根据研究的出发点和使用指标不同有多种模型。 通常有以下两类：（1）、作物产量与全生育期腾发量模型（2）、作物产量与生育期各阶段腾发量模型 总量模型相对量模型相加模型相乘模型作物需水规律水分生产函数2、作物产量与全生育期蒸发蒸腾量模型：（1）、总量模型 线性关系： 二次抛物线型： 其中：是作物产量； ETc是蒸发蒸腾量； a0、b0、a1、b1、c1是经验系数。 cETba.0021011cETcETba作物需水规律水分生产函数（2）、

22、相对量模型 线性模型： 指数模型： mmETETk/1/1mmmETETk/1/1作物需水规律水分生产函数其中：y、EI分别为缺水条件下的作物实际产量与全生期总的蒸发蒸腾量；ym、EIm分别为充分供水时的最高产量和全生育期总的蒸发蒸腾量；Kr为作物产量对水分亏缺反应的敏感系数，亦 称减产系数。 m为根据受旱试验资料分析求得的经验指数。mmETETk/1/1mmmETETk/1/1作物需水规律水分生产函数3、作物产量与生育期各阶段腾发量模型（1）、相加模型或 式中：ETi，ETmi，分别为第i阶段的实际蒸发量与 最大蒸发量 n为全生育期的阶段数 kyi 、kyi缺水敏感系数，亦称减产系数nimi

23、iimETETk1/11/nimiiimETETk1/作物需水规律水分生产函数（2）、相乘模型Jensen模型： 式中： i为某作物第i阶段缺水对产量影响敏感指数 其他符号同前 nimiimiETET1/作物需水规律水分生产函数在相乘模型中，作物缺水敏感指数(i )的变化规律： 作物缺水敏感指数随生育期变化： 作物缺水敏感指数随作物生育期变化，在作物需水关键期，缺水敏感指数最大即此阶段缺水对产量的影响最强烈。环境因素对缺水敏感指数的影响： 通过多年实测的非充分灌溉(作物受旱)试验，可发现历年 i值并不稳定，表现出干旱年的 i 大于湿润年的，即在干旱年份作物产量对缺水的敏感性大于湿润年份。 需水关键时期，缺水敏感指数(i )最大。 作物需水规律水分生产函数 作物种类 站 名各生育期的敏感指数入i 入1 入2 入3 入4 入5 夏玉米 春小麦 冬小麦 棉 花 棉 花 籽 瓜 白兰瓜 郑 州 凉 城 宿 县 夹马口 民 勤 民 勤 民 勤 01849 00120 02675 03126 0245 0108 0169 02468 02309 00613 04197 0172 0062 0265 05879 04186 037865 06495 0469 0256 0375 02871 06460 059