第4章水分含量对农业生产的影响20151110

1、水分条件与农业生产水分条件与农业生产 1 1 水的农业意义水的农业意义 2 2 土壤土壤植物植物大气水分循环系统大气水分循环系统 3 3 土壤土壤植物植物大气系统水分传输大气系统水分传输 4 4 水分与作物生长发育及产量形成水分与作物生长发育及产量形成 5 5 土壤水分调控技术土壤水分调控技术 本章重点：本章重点： 土壤水分常数、土壤水势、作物需水量、土壤水分常数、土壤水势、作物需水量、蒸散、作物水分临界期与关键期、土壤水分蒸散、作物水分临界期与关键期、土壤水分滞后现象等基本概念，滞后现象等基本概念，“土壤土壤植物植物大气大气”系统水分传输、农作物需水规律、土壤水分系统水分传输、农作物需水规律

2、、土壤水分特征曲线、土壤水分有效性分析，土壤水分特征曲线、土壤水分有效性分析，土壤水分调控技术。调控技术。本章难点：本章难点： 土壤水分常数、土壤水势、蒸散、作物土壤水分常数、土壤水势、蒸散、作物水分临界期与关键期。水分临界期与关键期。 1 1 水的农业意义水的农业意义 2 2 土壤土壤植物植物大气水分循环系统大气水分循环系统 3 3 土壤土壤植物植物大气系统水分传输大气系统水分传输 4 4 水分与作物生长发育及产量形成水分与作物生长发育及产量形成 5 5 土壤水分调控技术土壤水分调控技术 (A) 水分对农业的重要性水分对农业的重要性(i) 全球只有全球只有1%的淡水资源，其中的淡水资源，其中

3、98%的淡水是地下水，的淡水是地下水，只有只有2%存在于江河、湖泊。人口与降水的分布不均，导存在于江河、湖泊。人口与降水的分布不均，导致了水资源短缺。致了水资源短缺。(ii) 降水对全球粮食生产的贡献约为降水对全球粮食生产的贡献约为65%，剩下的，剩下的35%粮食粮食来源于灌溉水的贡献。在全球大部分地区，来源于灌溉水的贡献。在全球大部分地区， 降水不能满足降水不能满足作物生产的需要，至少在某些年是这样，所以雨养农业收作物生产的需要，至少在某些年是这样，所以雨养农业收到降水年际变动的严重制约。到降水年际变动的严重制约。“有收无收在于水有收无收在于水”一、水的重要性与特性一、水的重要性与特性(A)

4、 水分对农业的重要性水分对农业的重要性(i) 全球只有全球只有1%的淡水资源，其中的淡水资源，其中98%的淡水是地下水，的淡水是地下水，只有只有2%存在于江河、湖泊。人口与降水的分布不均，导存在于江河、湖泊。人口与降水的分布不均，导致了水资源短缺。致了水资源短缺。(ii) 降水对全球粮食生产的贡献约为降水对全球粮食生产的贡献约为65%，剩下的，剩下的35%粮食粮食来源于灌溉水的贡献。在全球大部分地区，来源于灌溉水的贡献。在全球大部分地区， 降水不能满足降水不能满足作物生产的需要，至少在某些年是这样，所以雨养农业收作物生产的需要，至少在某些年是这样，所以雨养农业收到降水年际变动的严重制约。到降水

5、年际变动的严重制约。“有收无收在于水有收无收在于水”一、水的重要性与特性一、水的重要性与特性图图1 玉米的产量与可用水之间的关系玉米的产量与可用水之间的关系图图2 生态系统生产力与年降水量的关系生态系统生产力与年降水量的关系(iv) 灌溉是确保作物增产和稳产的一种明显的选择。灌溉是确保作物增产和稳产的一种明显的选择。 在过去在过去30年来，全球的灌溉面积在不断增加，地年来，全球的灌溉面积在不断增加，地 下水被过度地开采了。下水被过度地开采了。 (v) 随着水资源的短缺，劣质水的使用不断增加。农随着水资源的短缺，劣质水的使用不断增加。农业水资源的科学管理和应用成为国家和全球的优先考业水资源的科学

6、管理和应用成为国家和全球的优先考虑的方面。虑的方面。(iii) 在多数国家，在多数国家，60-80%的总开发水量用于农业，在的总开发水量用于农业，在干旱和半干旱地区的国家高达干旱和半干旱地区的国家高达80%。(B) 植物体内水分含量和状态植物体内水分含量和状态 植物类型：水生植物类型：水生 90% 90% 陆生陆生 40-90% 40-90% 旱生旱生 6%6% 生长环境：生长环境： 阴生植物阴生植物 阳生植物阳生植物 不同的器官不同的器官： 幼嫩幼嫩的茎尖和根尖的茎尖和根尖 90%, 90%, 功能功能叶叶70-70-90%,90%,树干树干40-50%, 40-50%, 休眠芽休眠芽 40

7、%, 40%, 风干的种子风干的种子 8-14% 8-14%。(i) 植物体内的含水量植物体内的含水量植物生长活力越高的部分，含水量越高植物生长活力越高的部分，含水量越高。(ii) 植株体内水分的状植株体内水分的状态态自由水自由水:植物细胞内可以自由流动的水植物细胞内可以自由流动的水束缚水：紧紧地束缚在细胞内，在植物体内不能自由移动束缚水：紧紧地束缚在细胞内，在植物体内不能自由移动，不能参与代谢，不能作为溶质，也不容易冻结。，不能参与代谢，不能作为溶质，也不容易冻结。在植株的代谢活动、生长状况和运输阻力与自由在植株的代谢活动、生长状况和运输阻力与自由水和束缚水的比例有关。水和束缚水的比例有关。

8、自由水和束缚水的比例越高，代谢越高，生长越自由水和束缚水的比例越高，代谢越高，生长越快，阻力越低。快，阻力越低。(C) 水在植物生命中的作用水在植物生命中的作用 原生质原生质 的组成成分的组成成分 水约占原生质的水约占原生质的 70-90%70-90%。 植物代谢活动的底物植物代谢活动的底物 光合作用、呼吸作用、有机质的生物合成和降解都光合作用、呼吸作用、有机质的生物合成和降解都有水参加。有水参加。 植物吸收和运转物质的溶剂植物吸收和运转物质的溶剂 保持植株形状，维持膨压保持植株形状，维持膨压 调节和平衡植物与周围环境的温度调节和平衡植物与周围环境的温度 极性极性 极好的溶剂极好的溶剂 热容量

9、高热容量高 高的汽化潜热高的汽化潜热 凝聚性凝聚性 粘附性粘附性 毛管现象毛管现象 表面张力表面张力 抗张强度抗张强度(D) 水的独有特性水的独有特性 二、水分从各方面对农作物生命活动产生影响二、水分从各方面对农作物生命活动产生影响 1 1、水分是作物光合作用合成有机物质原料、水分是作物光合作用合成有机物质原料 2 2、水分的多少影响着作物光合作用的强度、水分的多少影响着作物光合作用的强度 3 3、水分作为水分作为介质介质还影响着作物光合作用过程中还影响着作物光合作用过程中所需的矿物质营养元素的传输及光合产物向根、所需的矿物质营养元素的传输及光合产物向根、茎、花、果实等器官和组织的输送。茎、花

10、、果实等器官和组织的输送。 4 4、水分供应作物蒸腾的需要，而蒸腾则水分供应作物蒸腾的需要，而蒸腾则调节着作物体温，还是植物根系从土壤中吸收调节着作物体温，还是植物根系从土壤中吸收水分和养分的动力之一，也在作物的整个生理水分和养分的动力之一，也在作物的整个生理过程中起着平衡作用。过程中起着平衡作用。 5 5、水分是植物组成的主要因素之一。水分是植物组成的主要因素之一。充足充足的水分可保持作物细胞组织的紧张度，使植株的水分可保持作物细胞组织的紧张度，使植株茎叶挺直，并可保证植株有相当的表面来进行茎叶挺直，并可保证植株有相当的表面来进行光合作用。光合作用。 1、从方式上看，有、从方式上看，有大气水

11、分和土壤水分大气水分和土壤水分。 大气降水是土壤水分的主要来源，而土壤大气降水是土壤水分的主要来源，而土壤水分是水分供应的基础。大气中水汽含量不仅水分是水分供应的基础。大气中水汽含量不仅对某些作物有直接影响，同时还影响土壤水分对某些作物有直接影响，同时还影响土壤水分消耗的状况，进而对作物产生影响。消耗的状况，进而对作物产生影响。 不同作物在不同生育期对水分条件的要求不同作物在不同生育期对水分条件的要求不同，我国降水的季节分配不均，如果水分的不同，我国降水的季节分配不均，如果水分的季节性分配正好满足作物需要，就促进其生长季节性分配正好满足作物需要，就促进其生长发育，获得高产；如果分配不均，发生旱

12、涝，发育，获得高产；如果分配不均，发生旱涝，便会抑制作物的生长发育，导致减产。便会抑制作物的生长发育，导致减产。 1 1 水的农业意义水的农业意义 2 2 土壤土壤植物植物大气水分循环系统大气水分循环系统 3 3 土壤土壤植物植物大气系统水分传输大气系统水分传输 4 4 水分与作物生长发育及产量形成水分与作物生长发育及产量形成 5 5 土壤水分调控技术土壤水分调控技术 主要内容：主要内容： 定义定义 水分平衡水分平衡 土壤水分的再分布土壤水分的再分布 土壤水分类型土壤水分类型 土壤水分常数土壤水分常数 大气水分以降水形式到达地面，经分配后大气水分以降水形式到达地面，经分配后进入土壤，大量的水分

13、通过植物根系吸水经植进入土壤，大量的水分通过植物根系吸水经植物体运输到叶片，再由叶片中的液态水变为汽物体运输到叶片，再由叶片中的液态水变为汽态水而输送到空气中。这种贯通土壤态水而输送到空气中。这种贯通土壤植物植物大气连续的水流可以直观的理解，称为大气连续的水流可以直观的理解，称为土壤土壤植物植物大气水分循环系统大气水分循环系统。 土壤土壤植物植物大气水分循环系统水分循环大气水分循环系统水分循环的动力，是的动力，是植物的蒸腾作用植物的蒸腾作用。 1 1、自然植被地水分平衡自然植被地水分平衡 在土壤在土壤植物植物大气系统中，自然植被地的大气系统中，自然植被地的土壤水分平衡方程中主要包括输入项、输出

14、项和土壤水分平衡方程中主要包括输入项、输出项和贮存项。贮存项。 输入项：降水输入项：降水R 毛管上升水毛管上升水Sg Sg 植物截留植物截留IrIr 输出项：植物蒸腾输出项：植物蒸腾Ep Ep 土壤蒸发土壤蒸发EsEs 径流与排径流与排 水水q q 贮存项：植物体蓄水贮存项：植物体蓄水SpSp、土壤蓄水土壤蓄水SsSs 因此，自然植被地水分平衡方程可写为：因此，自然植被地水分平衡方程可写为： （R R+SgSg+IrIr）- -（EpEp+EsEs+q q）= =SpSp+SsSs式中，从宏观的空间和时间来考虑，降水项非常式中，从宏观的空间和时间来考虑，降水项非常重要。但在较短的时间和有限的范

15、围内，非降水重要。但在较短的时间和有限的范围内，非降水的作用就较为显著。而对农业生产而言，重点应的作用就较为显著。而对农业生产而言，重点应考虑考虑降水降水R、植被截留、植被截留Ir 、植物蒸腾、植物蒸腾Ep 、土壤蒸、土壤蒸发发Es以及土壤蓄水量以及土壤蓄水量Ss 。 2 2、农田土壤水分平衡、农田土壤水分平衡 计算和分析田间作物系统水分收支的目的是要计算和分析田间作物系统水分收支的目的是要弄清作物全生育期内或某一生育期水分供应条件，弄清作物全生育期内或某一生育期水分供应条件，以确定作物灌溉量和生育期间土壤水分变化特点。以确定作物灌溉量和生育期间土壤水分变化特点。 土壤土壤植物植物大气系统的水

16、分循环状况见图大气系统的水分循环状况见图4.4.1 1，该图确定了整个系统的水分输入量、输出量，该图确定了整个系统的水分输入量、输出量及状态变量，而田间作物系统的输入量还应考虑及状态变量，而田间作物系统的输入量还应考虑灌溉量。灌溉量。 蒸发蒸发 降水降水 截留截留 表面贮存表面贮存 径流径流 入渗入渗 蒸腾蒸腾 土壤水分贮存土壤水分贮存 潜流潜流 河道河道 深层下渗深层下渗 地下水贮存地下水贮存 地下水流动地下水流动图图4.4.1 1 土壤土壤植物植物大气系统水分循环示意图大气系统水分循环示意图 灌 溉 农田土壤水分平衡方程：农田土壤水分平衡方程： （R R+SgSg+ K K）- -（EsE

17、s+EpEp+ q q1 1+q+q2 2）+ W+ Wh h- W- Wk k= =0式中，式中，R R为某时期内的降水量，为某时期内的降水量，SgSg为毛管水上升量，为毛管水上升量，K K为该时期内的灌溉量为该时期内的灌溉量，EsEs为土壤蒸发量，为土壤蒸发量，EpEp为植为植物蒸腾量，物蒸腾量，q q1 1为地表径流量，为地表径流量，q q2 2为地下径流量，为地下径流量，W Wh h、W Wk k分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。Es+EpEs+Ep称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可根据当地当时

18、的具体情况略去。根据当地当时的具体情况略去。 蒸发蒸发 降水降水 截留截留 表面贮存表面贮存 径流径流 入渗入渗 蒸腾蒸腾 土壤水分贮存土壤水分贮存 潜流潜流 河道河道 深层下渗深层下渗 地下水贮存地下水贮存 地下水流动地下水流动图图4.4.1 1 土壤土壤植物植物大气系统水分循环示意图大气系统水分循环示意图 灌 溉 3 3、降水后的分配降水后的分配 （1 1）截留）截留 定义定义 降水落到地面之前，首先被植物冠层截去降水落到地面之前，首先被植物冠层截去的那部分降水。的那部分降水。 影响因子影响因子 植被类型和植被覆盖度；植被类型和植被覆盖度； 降水的强度和时间（教材降水的强度和时间（教材P1

19、57图图）。）。 不同植物及同一种植物不同密度，截留量不同。计不同植物及同一种植物不同密度，截留量不同。计算时目前多大致估计，如农作物约算时目前多大致估计，如农作物约5，森林则相当于，森林则相当于20一一30%，降水量，降水量5mm时，一般全部被截留。时，一般全部被截留。图图6 6 截留量与降水量及降水持续时间的关系截留量与降水量及降水持续时间的关系 （2 2）下渗（渗透和渗漏）下渗（渗透和渗漏） 定义定义 降水经植物截留后剩余的水透过地表渗入降水经植物截留后剩余的水透过地表渗入到土壤中的过程称为渗透。到土壤中的过程称为渗透。 渗透系数渗透系数 下渗量（下渗量（） 渗透系数（渗透系数（）= 降

20、水量（降水量（R） 入渗速率入渗速率式中，式中，i i为入渗速率；为入渗速率；s s为吸水率；为吸水率；t t为时间；为时间；A A为为常数。常数。 影响入渗速率的因子影响入渗速率的因子 降水开始后的时间降水开始后的时间 土壤初始含水量土壤初始含水量 土壤性质土壤性质 土壤表面状况土壤表面状况Asti2121影响入渗速率的因子影响入渗速率的因子:图图8 土壤初始含水量对入渗速率的影响土壤初始含水量对入渗速率的影响包括降水开始后的时间、土壤初始含水量、土壤性质、土包括降水开始后的时间、土壤初始含水量、土壤性质、土壤表面状况等。壤表面状况等。图图9 土壤初始含水量对入渗速率的影响土壤初始含水量对入

21、渗速率的影响图图10 土壤质土壤质地地对入渗速率对入渗速率的影响的影响图图11 土壤土壤分层状况对入渗速率的影响分层状况对入渗速率的影响 （3 3）地表径流）地表径流 定义定义 降水落到地面，没有渗入土壤而从地表流走降水落到地面，没有渗入土壤而从地表流走的那部分水量，称为地表径流。的那部分水量，称为地表径流。 影响因子影响因子 降水强度降水强度 坡度坡度 土壤表面状况土壤表面状况 径流系数径流系数 径流量（径流量（q） 径流系数（径流系数（ ）= 降水量（降水量（R） （4 4）渗透、径流和降水的关系）渗透、径流和降水的关系 渗透、径流和降水的关系渗透、径流和降水的关系 从一次降水过程来看，渗

22、透在降水之初就从一次降水过程来看，渗透在降水之初就发生了，当入渗达到高峰之后，有径流产生，发生了，当入渗达到高峰之后，有径流产生，然后逐渐增大，在降水停止后，径流还将延续然后逐渐增大，在降水停止后，径流还将延续一段时间。一段时间。 具体见教材具体见教材P P159159图。图。 入渗作用结束后，水分在重力、吸力和温度入渗作用结束后，水分在重力、吸力和温度梯度作用下，继续向较干的下层移动，这个过程梯度作用下，继续向较干的下层移动，这个过程称为土壤水分的再分布过程。称为土壤水分的再分布过程。 土壤水分再分布的速率主要取决于再分布开土壤水分再分布的速率主要取决于再分布开始时土壤上层的湿润程度和下层土

23、壤干燥程度。始时土壤上层的湿润程度和下层土壤干燥程度。 再分布速率与渗透速率一样，也是随着时间再分布速率与渗透速率一样，也是随着时间的后延而减小。的后延而减小。( (教材教材P P162162图图) )5/10/2022 1 1、土壤中水分的受力情况、土壤中水分的受力情况 重力。方向指向地心。重力。方向指向地心。 吸附力。方向指向土壤颗粒内部。吸附力。方向指向土壤颗粒内部。 水分子之间的相互吸引力。水分子之间的相互吸引力。 可分为两种情况：可分为两种情况：1 1、位于水体内部的水分子，受到四周水分子平均、位于水体内部的水分子，受到四周水分子平均 的吸引力，平均合力为零；的吸引力，平均合力为零；

24、2 2、位于某一水体表层上的水分子要受到方向朝着、位于某一水体表层上的水分子要受到方向朝着 水体内部单方面的吸引力，形成表面张力。水体内部单方面的吸引力，形成表面张力。 毛管力毛管力 毛管壁与水分子之间的吸持力和毛管水面凹曲毛管壁与水分子之间的吸持力和毛管水面凹曲产生的表面张力。产生的表面张力。 渗透压力渗透压力 土壤中矿物质溶解于水形成溶液而产生的力。土壤中矿物质溶解于水形成溶液而产生的力。 水分在土壤中主要受到这水分在土壤中主要受到这5种力的作用，使其种力的作用，使其能够保持在土壤中。能够保持在土壤中。 2 2、土壤水分类型、土壤水分类型 （1 1）吸湿水）吸湿水 定义定义 指烘干的土壤从

25、含有饱和水蒸气的空气中由指烘干的土壤从含有饱和水蒸气的空气中由吸附力吸附于土粒表面的水分。吸附力吸附于土粒表面的水分。 影响因子影响因子 空气相对湿度空气相对湿度( (最大吸湿量最大吸湿量) ) 土壤性质土壤性质 性质性质 具有固态水的性质，对植物来说是无效水。具有固态水的性质，对植物来说是无效水。 （2 2）毛管水）毛管水 毛管水是被表面张力以水膜形式吸附于毛管水是被表面张力以水膜形式吸附于土粒周围，由毛管水面凹曲产生的力所保持土粒周围，由毛管水面凹曲产生的力所保持的水分。的水分。 毛管水又分为毛管水又分为薄膜水和毛管悬着水薄膜水和毛管悬着水。毛管作用示意图毛管作用示意图 （810p3141

26、 kPa）（0.001mmdW 5555W 4545W 40W Dp-40-40Dp -60-60Dp -80Dp Dp -50-50Dp -65-65Dp -75Dp Dp -35-35Dp -45-45Dp -55Dp 75II-215303150517575III-215252645467070IV-210202145466060V-210202145466060VI-210202145466060夏季夏季(68月月)I-210202135365050II-210202135365050III-210202130314545IV-25101120213030V-2510112021303

27、0VI-25101120213030冬季冬季(122月月)I-2-II-220303160619090III-215303150518080IV-215252645467070V-215252645467070VI-215252645467070(四四) Palmer干旱指数干旱指数 PDSIi = 0.897PDSIi1 + Zi/3PDSI= a*D+b*ZD=P - PmD: Moisture anomaly 干旱的危害干旱的危害春旱影响作物适时播种或播种后不出苗，造成春旱影响作物适时播种或播种后不出苗，造成缺苗断垄。同时影响小苗生长。缺苗断垄。同时影响小苗生长。夏旱影响谷类作物生殖器官

28、的形成（因此时为夏旱影响谷类作物生殖器官的形成（因此时为植物需水临界期）。如玉米在水分临界期，干旱会植物需水临界期）。如玉米在水分临界期，干旱会影响抽雄，群众称为影响抽雄，群众称为“卡脖旱卡脖旱”。秋旱影响谷类作物灌浆和秋菜的生长及冬小麦秋旱影响谷类作物灌浆和秋菜的生长及冬小麦的播种和生长。农民称为的播种和生长。农民称为“秋吊秋吊”。干旱的防御措施干旱的防御措施. .建设高产稳产农田建设高产稳产农田. . 合理耕作蓄水保墒合理耕作蓄水保墒. .兴修水利节水灌溉兴修水利节水灌溉. .地面覆盖栽培，抑制蒸发地面覆盖栽培，抑制蒸发. .选育抗旱品种选育抗旱品种. .抗旱播种抗旱播种. .化学控制措施

29、化学控制措施. .人工降雨人工降雨 （2 2）干热风）干热风 定义定义 干热风是出现在温暖季节的一种高温、干热风是出现在温暖季节的一种高温、低湿并伴有一定风力的农业灾害性天气。低湿并伴有一定风力的农业灾害性天气。 类型类型 高温低湿型高温低湿型 雨后热枯型雨后热枯型 旱风型旱风型最高气温最高气温（）最小相对湿度最小相对湿度（）（）风力风力（米秒）（米秒）蒸发量蒸发量（毫米）（毫米）强强33333636持续持续4 4小时，小时，影响产量影响产量2020持续持续1 11010小时小时，影响产量，影响产量4 45 515152020中等中等 30303232持续持续5 5小时，小时，影响产量影响产量

30、 20-2520-25持续持续8 8小时以上小时以上，影响产量，影响产量3-3-4 41313-15-15弱弱 28283030持续持续5 57 7小小时，影响产时，影响产量量 25-3025-302 23 31010-13-13干干 热热 风风 指指 标标受干热风危害的小麦受干热风危害的小麦正常成熟的小麦正常成熟的小麦 2 2、水分过多的危害水分过多的危害 （1 1）洪水）洪水 是指由于大雨、暴雨引起山洪暴发、是指由于大雨、暴雨引起山洪暴发、河水泛滥，淹没大片农田园林，毁坏农业河水泛滥，淹没大片农田园林，毁坏农业设施的一种灾害。设施的一种灾害。 （2 2）涝害）涝害 定义定义 涝害是由于雨量

31、过大或过于集中，或者涝害是由于雨量过大或过于集中，或者农田排水不畅，造成农田积水，使旱田作物农田排水不畅，造成农田积水，使旱田作物受害的一种农业气象灾害。受害的一种农业气象灾害。 分类分类 按照中国洪涝灾害的成因、发生季节及按照中国洪涝灾害的成因、发生季节及危害特点，可将洪涝灾害分为：危害特点，可将洪涝灾害分为： 春涝春涝 夏涝夏涝 秋涝秋涝洪涝的防御措施洪涝的防御措施)治理江河，修筑水库治理江河，修筑水库)加强农田基本建设加强农田基本建设)改良土壤结构，降低涝灾危害程度改良土壤结构，降低涝灾危害程度)调整种植结构，实行防涝栽培调整种植结构，实行防涝栽培)封山育林，增加植被覆盖封山育林，增加植被覆盖)加强涝后管理，减轻涝灾危害加强涝后管理，减轻涝灾危害1、修建各种水利工程，提高防洪力，、修建各种水利工程，提高防洪力，营造防护林营造防护林2、植树造林，涵养水源、水旱兼治、植树造林，涵养水源、水旱兼治。3、加强气象卫星监测和预报，提高、加强气象卫星监测和预报，提高预报的准确率。预报的准确率。4、普及有关科学知识，提高全民素、普及有关科学知识，提高全民素质；摸清洪水发生规律，长期，短期质；摸清洪水发生规律，长期，短期和应急措施相结合。和应急措施相结合。 （3 3）湿