第二章-作物需水量与灌溉用水量

第二章作物需水量和灌溉用水量（CropWaterRequirementandIrrigationWaterUse)第一节作物需水量第二节灌溉制度第三节灌溉用水量第四节灌水率第一节作物需水量一、基本概念二、研究作物需水量的意义三、作物需水量的推求方法一、基本概念1、作物需水量2、田间耗水量1、作物需水量（Cropwaterrequirement）

植株蒸腾Traspiration株间蒸发EvaporationTheevapotranspirationofacropisthetotalamountofsoilwaterusedfortranspirationbytheplantsandevaporationfromthesurroundingsoilsurface.Theevapotranspirationiscommonlyexpressedinmillimetresofwaterusedperday(mm/day)作物需水量=植株蒸腾+株间蒸发=腾发量Evapotranspiration(ET)作物根系从土壤中吸入体内，通过叶片的气孔扩散到大气中去的水分referstothemovementofwaterfromthesoilintoaplant,uptheplantbody,andouttheplant’sleavesintotheatmosphere.蒸腾（Transpiration）蒸腾（Transpiration）Transpirationtakesplacesoquickly,thatinarainforest,waterthatisinthesoilinthemorningtravelsinto,up,andoutofatreeintimetobecomerainintheafternoon.(Thishaspromptedbiologiststosaythat“rainforests

maketheirownrain.”)蒸腾（Transpiration）植株间土壤或田面蒸发的水分referstothemovementofwaterfromthesoilsurfaceorwatersurfaceinpaddyfieldintotheatmosphereevaporationfromthesoilsurfaceisatmostequalbutusuallyconsiderablylessthanevaporationfromanopenwatersurface蒸发（Evaporation）2、田间耗水量

（

ConsumptiveUseofWater）稻田耗水量=作物需水量+田间渗漏水稻田的渗漏PercolationinpaddyfieldPercolation旱地耗水量=作物需水量影响作物需水量的因素FactorsAffectingCropWaterRequirement气象因素（Climaticfactors）Radiation:suppliesenergytoevaporatewaterfromliquidtovaporAirtemperature:determineshowmuchwateraircanholdHumidity:howmuchwaterisintheairWind:howeasilyamoleculemovesintotheatmosphereDesignnewirrigationsystems二、研究作物需水量的意义schedule(operate)existingones12Directmeasurement(Lysimeters)三、作物需水量的确定DeterminingEvapotranspirationCalculated(equations)131、作物需水量的观测MeasurementofEvapotranspirationLysimeterMeasuringCropETInsideviewofweighinglysimeter3m1995SoybeanCrop2、作物需水量的计算

CalculationofET直接计算需水量通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量直接计算作物需水量的方法以水面蒸发为参数的需水系数法）以产量为参数的需水系数法从影响作物需水量的主要因子（水面蒸发、气温、湿度、日照、辐射等）中选择单因子或多因子，通过实测数据的相关分析，建立经验公式直接计算作物需水量的方法以水面蒸发为参数的需水系数法PanEvaporationMethod某时段内的作物需水量（mm）与ET同时段的水面蒸发量国内外都有较多应用，我国尤其在水稻地区应用较多Etp=Epan*Panfactor(0.8)*Cropfactor

Epan =ClassApanevaporation.Thisdataisinterpolatedforeachlocationbasedondatafrommajorregionalcentres.Panfactor =Evaporationofwaterfromapanisaffectedbythepan’sdimensions,windspeed,humidityandthetypeofcropwithintheupwindfetch.Thepanfactoristypically0.8butmayrangefrom0.45to0.85.CropFactor=Empiricalratiosofcroptopanevaporation.Itsvalueisindicativeofthegreenleafareaofthevegetation.直接计算作物需水量的方法以产量为参数的需水系数法作物全生育期内总需水量（m3/亩）需水系数作物单位面积产量（kg/亩）我国过去旱作地区应用较多，目前仍有少量应用阶段作物需水量某一生育阶段的作物需水量模比系数通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量参照作物需水量

ReferenceEvapotranspirationET0土壤水分充足、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔（地块的长度和宽度都大于200m）矮草地（草高8-15cm）上的腾发量EToistherateofevapotranspirationfromalargearea,coveredbygreengrass,8to15cmtall,whichgrowsactively,completelyshadesthegroundandwhichisnotshortofwater计算参照作物需水量的方法有很多，最著名的、应用最广泛的是Penman公式通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量Penman公式最早于1948年提出后来经过了不断的修改和完善目前应用最多的是Penman-Monteith公式23通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量Penman公式的基本原理——能量平衡到达地表的净辐射Rn=到达地表的净短波辐射Rns-地表向外发出的净长波辐射Rls能量收入：能量支出：显热消耗C潜热消耗λE土壤增温GSWLWExtraterrestrialRadiationRaRnsNetshortwaveReflectedSW=aRsRnlnetlongwaveRsglobalradiation=(0.25+0.5.(n/N)).RaNetradiationdrivingEt=Rn=(Rns-Rnl)通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量25EnergybalanceequationsNetRadiationSoilHeatingAirHeatingLatentHeatEvap26Transferofmoistureawayfromleaf:Rateoftransfer=potential/resistanceRn= netradiation[MJm-2d-1]Rns= netshortwaveradiation[MJm-2d-1]RadiationTerm

Whenradiationdataarenotavailable,thenetradiationRncanbeestimatedasfollows:29Rnl= netlongwaveradiation[MJm-2d-1]Ra= extraterrestrialradiation[MJm-2d-1]N= relativesunshinefraction[]Tkx=maximumtemperature[K]Tkn=minimumtemperature[K]ed= actualvapourpressure[kPa]30where:Ra= extraterrestrialradiation[MLm-2d-1]dr= relativedistanceEarth-Sundr= solardeclination[rad]ψ= latitude[rad]ωs= sunsethourangle[rad]ExtraterrestrialRadiation(Ra)

Extraterrestrialradiationisafunctionofthelatitudeandtimeoftheyear.Ravaluescanbeobtainedfromtables(TableAI)orcalculatedasfollows:31J= JuliandayintheyearFordailyvalues,Jcanbedeterminedby:

IfM<3thenJ=J+2IfleapyearandM>2,thenJ=J32Thesoilheatflux(G)

isestimatedforadailyperiods(effectivesoildepth0.18m)asfollows:

Formonthlyperiods(effectivesoildepth2.0m)thesoilheatflux(G)canbeestimatedas:

Sincethemagnitudeofdailysoilheatfluxover10-30dayperiodsisrelativelysmall,itnormallycanbeneglectedandthusG=033SlopeVapourPressureCurve(D)D= slopevapourpressurecurve[kPaoC-1]T= airtemperature[oC]ea= saturationvapourpressureat temperatureT[kPa]SaturationVapourPressure

ea= saturationvapourpressure[kPa]T= temperature[oC]`PsychrometricConstant

γ= psychrometricconstant[kPaoC-1]P= atmosphericpressure[kPa]l= latentheat[MJkg-1]36LatentHeatofVaporisation

λ= latentheatofvaporisation[MJkg-1]T= airtemperature[oC]Asthevalueofthelatentheatvariesonlyslightlywithtemperatureasinglevalueoflambdamaybeused,i.e..λ=2.45

AtmosphericPressure

AssumingatmosphericpressureatsealevelPo=101.3[kPa]:

z=elevationabovesealevel[m]38

ActualVapourPressure(ed) Theaveragedailyvapourpressurecanbedeterminedfrom:

a. Hygrometermeasurementsofrelativehumidity(RH)dailyatTmax(earlyafternoon)andTmin(earlymorning)asfollows:(RHasdecimal)atearlymorning: RHmax=maximumdailyrelativehumidity [%] Tmin= minimumdailytemperature[oC]ea

(Tmin)=saturationvapourpressureatTmin[kPa]atearlyafternoon:Rhmin= minimumdailyrelativehumidity[%]Tmax= maximumdailytemperature[oC]ea(Tmin)= saturationvapourpressureatTmax[kPa]

b. Ifhumiditydataarelackinganestimateofvapourpressurecanbemadebyassumingthatminimumtemperatureequaltodewpointtemperature:

40VapourPressureDeficit(VPD)VPD= vapourpressuredeficit[kPa]ea(Tmax)=saturationvapourpressureatTmax[kPa]ea(Tmin)= saturationvapourpressureatTmin[kPa]41WindSpeed(U2)

Theconversionfactorforwindgaugesatnon-standardheight(2m)iswithstandard0.12mcrop:

Uz= windspeedmeasuredatheightz[ms-1]U2= windspeedmeasuredat2mheight[ms-1]z= heightwindspeedmeasured[m]DayWind Windspeeddataarenormallyreportedasdailyaveragesover24hours.Thefollowingrelationshipcanbeusedtodeterminedaytimewind(07.00-19.00h)

Ud= windspeedduringdaytime(07.00- 19.00h)[ms-1]Un= windspeedduringnighttime(19.00- 07.00h)[ms-1]U= averagewindspeedover24hours [ms-1]foraverageconditions:

43MeteorologicalDataRequirementsMinimum:Tmax;Tmin;SunshineHours:Windrun(kmd-1)Better:Tmax.;Tmin.;SunshineHours;WindRun;Rhmax;RHminIdeal:Tmax.;Tmin.;GlobalorNetRadiation(MJm-2d-1);WindRun;RHmax;RHminLocallyavailablesunshinehoursandnetradiationdatawillallowpropercalibrationofPenmanforlocalsunshineconditions.44实际作物需水量

ActualEvapotranspirationCropCoefficientCropcoefficients,Kc,varywithgrowthstageKc1.01.5TimeIIIIIIIVI= CropestablishmentII= CropGrowth-tilleringIII= FloweringandgrainfillIV= Cropmaturity47作物需水量降雨灌溉第二节灌溉制度什么叫灌溉制度如何推求灌溉制度——充分灌溉条件下的灌溉制度水稻旱作——非充分灌溉条件下的灌溉制度灌溉制度作物播种前（或水稻插秧前）及全生育期内的灌水次数、每次的灌水时间、灌水定额以及灌溉定额。灌水定额(IrrigationRequirement)——一次灌水单位灌溉面积上的灌水量（m3/亩或mm）灌溉定额——各次灌水定额之和（m3/亩或mm）充分灌溉条件下的灌溉制度总结群众丰产灌水经验根据灌溉试验资料制定灌溉制度根据水量平衡原理制定灌溉制度水稻灌溉制度根据水量平衡原理制定灌溉制度水稻灌溉制度泡田定额(LandSoakingRequirement)泡田定额（m3/亩）插秧时田面所需的水层深度（mm）泡田期总渗漏量（mm）泡田期的天数泡田期水田田面日平均蒸发强度（mm/d）泡田期内的总降雨量（mm）根据水量平衡原理制定灌溉制度水稻生育期灌溉制度hminhmaxhpdmh1时段初田面水层深度时段内降雨量时段内田间耗水量时段内灌水量时段内排水量时段末田面水层深度灌水定额m=hmax-hminp表2-5各生育阶段淹灌水层深度根据水量平衡原理制定灌溉制度水稻间歇灌溉制度淹水深度根据水量平衡原理制定灌溉制度水稻灌溉制度计算实例根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物灌溉制度HKETPM根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物灌溉制度任一时间t时的土壤计划湿润层内的储水量时段初的土壤计划湿润层内的储水量计划湿润层增加而增加的水量时段内保存在土壤计划湿润层内的有效降雨量时段内的地下水补给量时段内的灌溉水量时段内的作物需水量根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物的灌溉定额土壤计划湿润层内允许最大储水量土壤计划湿润层内允许最小储水量土壤计划湿润层深度计划湿润层内土壤孔隙率（占土壤体积的%）允许的土壤最小含水率（占土壤空隙体积的%）允许的土壤最大含水率（占土壤空隙体积的%）计划湿润层内土壤干容重根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物灌溉制度的基本资料计划湿润层深度（H）冬小麦棉花土壤最适宜含水率根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物灌溉制度的基本资料允许最大、最小含水率θmax、θminθmax=θfcθmin＞θwp根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物灌溉制度的基本资料降雨入渗量P0降雨入渗系数P＜5α=05≤P≤50α=0.8-1.0P＞50α=0.7-0.8根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物灌溉制度的基本资料地下水补给量K与地下水埋深、土壤性质、作物种类、计划湿润层的土壤含水率、气候条件等有关一般取作物需水量的15%-20%根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物灌溉制度的基本资料计划湿润层增加而增加的水量WTH1H201004003002004080120160200计划湿润土层含水量（m3/亩）需水量（m3/亩）04080120160渗入土层降雨量（m3/亩）棉花灌溉制度设计图作物需水量累积曲线WT累积曲线K值累积曲线ET-WT-K累积曲线渗入土壤内的降雨量累积曲线计划湿润土层允许最大储水量Wmax曲线计划湿润土层允许最小储水量Wmin曲线计划湿润土层实际储水量W曲线根据水量平衡原理制定灌溉制度灌水深层渗漏根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作物播前灌水定额非充分灌溉条件下的灌溉制度非充分灌溉的定义及其基本原理作物水分生产函数非充分灌溉制度非充分灌溉的定义及其基本原理充分灌溉(SufficientIrrigation)供水充分，作物各生育阶段所需水分都得到满足，从而使作物产量达到最大时的灌溉非充分灌溉DeficitIrrigation供水有限，作物某个生育阶段或所有生育阶段实际腾发量小于充分灌溉时的腾发量非充分灌溉的定义及其基本原理实际腾发量ETa产量YaETmYm非充分灌溉的定义及其基本原理如何使有限的水资源发挥最大的效益供水量效益效益：不同的水量有不同的产量和相应的毛收益，在供水不超过作物正常生长所需水量的前提下，毛效益随水量的增加而增加成本：不同的水量有不同的成本，供水量越大，成本越高在水资源有限的情况下，可控制单位面积供水量，使单方水产生的净效益最大充分灌溉时，尽管毛效益最大，但净效益却不一定最大，因此有时尽管水资源充分，为获取最大的净效益，也实行非充分灌溉如何在时间上和空间上合理分配有限的水资源，其依据是作物水分生产函数作物水分生产函数(CropWaterProductionFunction)作物产量与投入水量或作物消耗水量之间的关系全生育期模型阶段缺水模型加