第二章节水灌溉基础理论

主讲教师：罗春艳能源与水利学院二〇一四年九月节水灌溉理论与技术第二章节水灌溉基础理论本节教学目的：第二章节水灌溉基础理论使学生掌握节水灌溉的基础理论,理解作物的水分生理,理解掌握作物需水量的计算。本章的重点、难点：第二章节水灌溉基础理论1.作物的水分生理2.作物需水量*（一）水对作物的生理作用2、水是光合作用的重要原料；第一节作物的水分生理一、水对作物生长的作用1、水是细胞原生质的重要成分；3、水是生化反应的介质；4、依靠水溶解和输送养分；5、保持作物体处于一定形态。（二）水对作物的生态作用水是作物体温调节器；水对可见光的通透性；水对作物生存环境的调节第一节作物的水分生理ψw

=ψs

+ψp+ψm+ψg水势渗透势基质势压力势重力势二、植物细胞的水势组成（一）植物水势第一节作物的水分生理ψw

=ψs

+ψp+ψm+ψg水势溶质势基质势压力势重力势二、植物细胞的水势组成（二）土壤水势第一节作物的水分生理一、

作物田间水分的消耗+第二节作物需水量田间耗水量=腾发量+深层渗漏量第二节作物需水量1、作物需水量的影响因素二、作物需水规律第二节作物需水量1、作物需水量的影响因素第二节作物需水量1、作物需水量的影响因素第二节作物需水量1、作物需水量的影响因素1、作物需水量的影响因素第二节作物需水量塑膜覆盖加强中耕松土农业技术措施的影响秸秆覆盖2、作物需水临界期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。第二节作物需水量需水临界界期一定是需水量最多的时期吗？2、作物需水临界期不同作物的水分临界期不同第二节作物需水量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作物需水临界期越长是不是越有利呢？直接法──田间试验直接测定，方法简易

间接法──先计算参照作物需水量，再计算实际需水量，理论上较完备

第二节作物需水量三、作物需水量计算选择几个影响作物需水量的主要因素（水面蒸发、气温、湿度、日照、幅射等）,再根据试验观测资料分析这些主要因素与作物需水量之间存在的数量关系，得出经验公式：

⑴以水面蒸发为参数的需水系数法

⑵以产量为参数的需水系数法(简称“k值法”)

第二节作物需水量（一）直接计算需水量的方法1、以水面蒸发为参数的需水系数法（α值法或蒸发皿法）

ET＝αE0或：ET＝aE0＋b一般适用于水稻田第二节作物需水量a、b──经验系数式中：ET──某时段内的作物需水量，以水层深度mm计。E0──与ET同时段的水面蒸发量，一般采用80cm口径蒸发器的蒸发值。国外A级蒸发皿(ClassApan)2、以产量为参数的需水系数法(简称“k值法”)

ET──作物全生育期内总需水量（m3/亩）Y──作物单位面积产量（kg/亩）K──需水系数m3/kgn、c──经验指数和常数ET＝KY或：ET＝KYn＋c第二节作物需水量棉花K=0.6-1.7,n=0.3-0.5小麦K=0.36-0.85,C=11.3-16.0第二节作物需水量式中:Ki──需水量模比系数（由试验得）

3、各生育期阶段的需水量第二节作物需水量此公式缺点是什么？各生育阶段需水系数可见表2-2

3、各生育期阶段的需水量第二节作物需水量（二）通过计算参照作物的需水量来计算实际需水量第二节作物需水量通过计算参照作物的需水量来计算实际需水量1、计算参照作物的需水量2、计算作物实际需水量第二节作物需水量第二节作物需水量PenmanMonteith公式（FAO1990）式中：ET0-参照作物腾发量，mm/d;Rn-为作物表面的净辐射,MJ/(m2•d)；G-土壤热通量密度，MJ/(m2•d)；T-地面以上2m处的平均气温，℃；u2-地面以上2m处的风速,m/s；es-饱和水汽压，kpa；ea-实际水汽压，kpa；es-ea-饱和气压亏缺量，kpa；Δ-水汽压力曲线斜率，kpa/℃；γ-湿度计常数，kpa/℃.第二节作物需水量（1）确定es、ea饱和水汽压es：其中：eo(T)为气温为T时的饱和水汽压，kpa；Tmax、Tmin为地面以上2m处最高、最低气温，℃。实际水汽压ea：其中：RHmax、RHmin为最大、最小相对湿度，%。缺乏资料RHmax、RHmin，而只有平均相对湿度的资料。第二节作物需水量（2）湿度计γ确定式中：P为大气压强，kpa；Z为海拔高度，m。

第二节作物需水量（3）确定作物表面净辐射Rn式中：as、bs为短波辐射比例系数，我国一些地方的as、bs值，可以从表2-4中查的，如无实际的太阳辐射数据，可取as

=0.25，bs=0.50。n、N为实际日照时数与最大可能日照时数，

Rs-太阳短波辐射第二节作物需水量（3）确定作物表面净辐射Rn其中：为24h内最高、最低绝对温度，K=℃+273.16式中：Rs0为晴空时太阳辐射，MJ/(m2•d)（又称太空辐射），与纬度及年内所处的时间有关Rnl-净长波辐射式中：Ra为地球大气圈外的太阳辐射（即理论太阳辐射），MJ/(m2•d)。（3）确定作物表面净辐射Rn太阳辐射常数，0.0820MJ/(m2•min)日地相对距离，

Ф为纬度，北半球为正，南半球为负值。δ为太阳磁角，

。ωs为日落时相位角

（4）土壤热通量G以月为时段：式中：为第i月（计算月）土壤热通量密度；为计算月下一个月和前一个月的平均气温，℃。

如果未知，可按下式计算：以日或更短的时间，则白天：

夜晚：

第二节作物需水量（5）确定u2当实测风速距地面不是2m高时，可用下式调整：式中：uz为实测地面以上Zm初的风速，m/s；

Z为风速实测实际高度。第二节作物需水量（6）水汽压力曲线斜率第二节作物需水量【例2-1】参照作物需水量计算计算地点位于东经119.0o北纬34.0o，海拔高度11m。1980年8月气象资料为：月平均气温为24.2℃，最高日平均气温28.1℃，最低日平均气温为22.6℃，平均相对湿度为88%，10m高日平均风速为2.3m/s，日平均日照时数为6.49h。1980年7月和9月的月平均气温为26.3℃和23.2℃。试用Penman-Monteith法计算参照作物需水量。第二节作物需水量第二节作物需水量Gsc-太阳辐射常数，0.0820MJ/m2•min计算Rn第二节作物需水量第二节作物需水量第二节作物需水量第二节作物需水量第二节作物需水量2、计算作物实际需水量作物系数，反映不同作物的差别。取决于冠层的生长发育。土壤水分充足Kc作物系数的随生育阶段的变化Kc取决于作物冠层的生长发育。冠层的发育情况常用叶面积指数（LAI）描述。LAI为叶面积值与其覆盖下的土地面积的比率。第二节作物需水量Kc作物系数的修正修正后作物实际需水量公式：第二节作物需水量Kc作物系数的修正式中：Kcb—基本作物系数，指土壤表面干燥、长势良好且供水充分时作物需水量与ET0的比值；Ks—水分胁迫系数；Kw—反映降雨或灌水后湿土蒸发增加对作物系数影响的系数

第二节作物需水量介绍FAO推荐伦鲍斯和普鲁伊提出，并经豪威尔等人修正的估算方法。生育期初始生长阶段冠层发育阶段生育中期成熟阶段(1)基本作物系数第二节作物需水量(1)基本作物系数A点-Kcb是已知的（约定取0.25），因此只需初始生育期占全生育期的比例Fs1.B点—作物系数已达到峰值，确定该点需同时知道该点的基本作物系数Kcp和Fs2的值。C点—基本作物系数与B点相同，因此只需要确定Fs3.D点—一般位于成熟期末，由于作物生育期结束的时间是已知的，因此，确定D点只需知道改点的基本作物系数Kcm。以玉米生育期为例第二节作物需水量第二节作物需水量(2)水分胁迫系数水分胁迫系数计算表公式水分胁迫对需水量的影响可以通过以土壤水分胁迫系数来反映。可根据作物根区内贮存的总有效土壤水的百分比确定水分胁迫系数式中：Ks—水分胁迫系数；

λc—根区土壤有效水百分比的临界值（根据作物耐旱性的不同而变化）。在干旱条件下仍能维持ET0称为耐旱作物；对于耐旱作物λc取25%，对于干旱敏感的作物λc取50%。

λa—根区土壤有效水百分比。指土壤在田间持水量与永久凋萎点含水量之间能够保持的水量。第二节作物需水量

式中：λa—根区土壤有效水百分比

θv—当前土壤实际体积含水率，%；

θf—田间持水率，（体积%）；

θp—永久凋萎系数，（体积%）；第二节作物需水量【例2-2】设田间持水率和凋萎系数分别为25%和10%（均为体积含水率），甲、乙两田块实际含水率分别为16%和20%（均为体积含水率），已知甲、乙两田块上的作物均为对干旱敏感作物，参照作物腾发量为1.3mm/d，基本作物系数为1.1，求两种作物的实际腾发量。第二节作物需水量（3）湿土蒸发对作物系数的影响第二节作物需水量

式中：Fw—为湿润土壤表面的比例，见表2-7；

f（t）—湿土表面蒸发衰减函数，；

t—湿润后经过的时间，d；

td—为土壤表面变干所需的时间。第二节作物需水量上述公式只能反映降雨或灌水后湿土蒸发增加对某一天的作物系数的影响，实际上往往需要计算某一时段的平均kw值。式中：Af-平均湿土蒸发因子，可计算也可查表2-9。第二节作物需水量作物水分生产函数概念

20世纪40年代以来，传统灌溉的目标主要是向作物提供适宜的水分以获得单位面积上的最高产量。而随着水资源的短缺，以及经济学概念的引入，人们开始关心单位水量的投入而能获取的最大效益，按照经济学的观点，灌溉水量是农业生产中的生产资源的投入量，而作物产量是农业生产品的产出量。作物产量与需水量之间存在着一种投入和产出的数学关系，这种关系称为水分生产函数。第三节作物水分生产函数1.定义由于它能描述不同时期作物产量与水的定量关系，那么只要找出某种作物的水分生产函数，就可以确定对有限水量的容量分配或合理分配，即何时灌水、灌多少水、何时可以少灌或不灌。作物水分生产函数概念第三节作物水分生产函数

发达国家从60年代即开始研究。至70年代成为农田灌溉研究的主要课题之一，并开始在实践中应用，70年代后期，美国西部开始实施非充分灌溉，利用有限水量，不以单纯追求传统最高产量为目标，而以总产值最佳，综合效益最大为目标，优化分配水量，优化节水灌溉制度，其基础，便是作物水分生产函数。第三节作物水分生产函数2.研究概况作物水分生产函数概念第三节作物水分生产函数通俗讲，一定的水量，谁的效益最大，则供给谁。事实上，60年代以前就开始使用的K值法，即是初始模型。由于试验条件限制，还没有找到一种理想的描述水量投入与产量的容量关系与模型。

60年代后才有分阶段的研究水~产量关系，目前所采用的模型主要源于70、80年代的研究成果。我国从80年代初开始此项研究，全国有山西、河北、河南、内蒙、新疆、宁夏、湖北、湖南、安徽等高起点高水平的试验站。2.研究概况作物水分生产函数概念第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数表示水分生产函数的自变量有三种指标：1）灌水量(W)2）实际腾发量(ETa)3）田间总供水量第三节作物水分生产函数田间总供水量=（灌水量+有效降雨量+土壤储水量）

式中：

Y-作物产量，kg/hm2；

ET-蒸发蒸腾量，mm；

a0、b0、a1、b1、c1为经验系数。一、作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数（1）作物产量与蒸发蒸腾量的关系用相对产量与相对蒸发蒸腾量的关系

Ym、Y—分别为充分供水时的最高产量和缺水条件下的实际产量，kg/hm2；

ETm、ET—分别为充分供水和缺水条件下全生育期总的蒸发蒸腾量，mm；

Ky—为作物产量对水分亏缺反映的敏感系数，亦称减产系数一、作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系第三节作物水分生产函数一、作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系第三节作物水分生产函数（2）考虑到高产时产量和缺水量的关系并非线性这一事实，相对产量与相对蒸发蒸腾量的关系用下式描述其适用性更强。

K´y—为作物产量对水分亏缺反映的敏感系数；

n—为根据受旱实验资料分析求的得得经验指数。

一、作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系第三节作物水分生产函数时间水分生产函数（datedwaterproductionfunction）—包含供水时间和数量效应的作物产量与耗水量之间的函数关系。产量与各阶段蒸发蒸腾量的关系中，最简单的形式如下：式中：ETi、ETmi—分别为第i阶段缺水和充分供水条件下的蒸发蒸腾量，mm/d；Kyi—为作物产量对第i阶段缺水的敏感系数。说明：这种模型对于多数作物在缺水范围为1-ETi/ETmi≤0.5时是有效的，但它仅考虑了某一阶段缺水对产量的影响。二、作物产量与各阶段蒸发蒸腾量的关系第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数

(1)乘法模型由各生育阶段(i)的相对腾发量或相对缺水量作自变量，用各阶段连乘的数学式构成阶段效应对产量(相对产量)总的影响数学模型，称为乘法模型。

(2)加法模型由各生育阶段(i)的相对腾发量或相对缺水量作自变量，用各自分别影响相加的数学式构成对产量(相对产量)总影响的数学模型，称加法模型。缺水范围：第三节作物水分生产函数二、作物产量与各阶段蒸发蒸腾量的关系最常应用的乘法模型是Jensen模型(由Jensen1968年提出)。式中：Y——实际产量，

Ym——作物最大产量，λi——作物不同阶段缺水对产量的敏感指数。第三节作物水分生产函数乘法模型Blank(1975)：

kyi——不同阶段缺水敏感系数。Stewart(1987)：

(ETi=0，y=0；ETi=ETmi，y=ym)加法模型第三节作物水分生产函数由各生育阶段(i)的相对腾发量或相对缺水量作自变量，用各自分别影响相加的数学式构成对产量(相对产量)总影响的数学模型，称加法模型，最常用的加法模型是Blank模型(1975年提出)式中：Kyi—作物不同阶段缺水对产量的敏感系数。适于半干旱半湿润地区的籽粒产量计算，也适于干旱牧草区生物产量的计算。第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数【例2-3】

已知：玉米全生育期从5月1日到8月31日（123d）。各生育阶段的天数及最大需水量见表2-13.试分析下列几种情况的产量损失：①全生育期缺水85mm，并均匀地分布在整个生长期；②拔节-抽雄期缺水85mm，其他阶段不缺水；③抽雄-灌浆期缺水85mm，其他阶段不缺水。第三节作物水分生产函数一、灌溉制度定义为了达到满足作物生长需要而制定的适时适量进行灌溉的方案

包括：作物播种前及其生育期内的

灌水次数灌水日期灌水定额灌溉定额灌水定额──一次灌水单位灌溉面积上的灌水量。灌溉定额──各次灌水定额之和。m3/亩或mm单位间关系：1mm＝0.667m3/亩1m3/亩＝1.5mm第四节节水型灌溉制度三、充分灌溉条件下确定灌溉制度的方法充分灌溉条件下确定灌溉制度是指灌溉供水能够满足作物各生育阶段的需水量要求而设计制定的灌溉制度。总结起来主要有三种方法：二、影响作物灌溉制度的因素

1、总结群众丰产灌水经验作物种类、品种，自然条件，农业技术措施（导致灌溉方式不同）第三节作物水分生产函数2、根据灌溉试验资料制定灌溉制度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额及生育期灌溉定额调查成果表(中等干早年)我国北方地区几种主要旱作物的灌溉制度(调查)第三节作物水分生产函数1、总结群众丰产灌水经验我国的许多灌区设置了试验站，试验项目一般包括作物需水量、灌溉制度、灌水技术等。试验站积累的试验资料，是制定灌溉制度的主要依据。但是在选用试验资料时，必须注意原试验的条件，不能一概照搬。2、根据灌溉试验资料制定灌溉制度2、根据灌溉试验资料制定灌溉制度第三节作物水分生产函数式中：W0、Wt－分别为时段初和任一时间t时的土壤计划润层内的储水量

WT－为由于计划湿润层增加而增加的水量

P0－降水入渗水量

M－时段t内的灌溉水量

K－时段t内的地下水补给量

ET－时段t内的作物田间需水量

f－时段内深层渗漏量原理：将作物主要根系吸水层作为灌水时的土壤计划湿润层，并要求该土层内的储水量保持在作物所要求的范围内。（1）、水量平衡方程

Wt＝W0

＋

P0＋M＋K＋WT－ET－f第三节作物水分生产函数3、按照水量平衡原理分析制定作物灌溉制度第三节作物水分生产函数土壤计划湿润层水量平衡示意图平衡方程Wt＝W0

＋

P0＋M＋K＋WT－ET－f地面地下水f第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数当在某些时段内降雨很小或没有降雨量时，往往使土壤计划湿润层内的储水量很快降低到或接近于作物允许的最小储水量，此时即需进行灌溉，补充土层中消耗掉的水量。注：为了满足农作物正常生长的需要，任何时段内土壤计划湿润层内的储水量必须经常保持在一定的适宜范围内，即通常要求不小于土壤允许的最小储水量（Wmin

）和不大于土壤允许的最大储水量（Wmax）土壤计划湿润层(H）内储水量变化第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数

影响因素：作物根系活动层深度、土壤性质、地下水埋深等。作物生长初期，一般取30~40cm;

生长末期一般不超过0.8~1.0m;

地下水位较高的盐碱化地区，深度不宜大于0.6m。（2）、基本资料收集拟定的灌溉制度是否正确，关键在于方程中各项数据如土壤计划湿润层深度、作物允许的土壤含水量变化范围以及有效降雨量等选用是否合理a、土壤计划湿润层深度(H)H是进行灌溉时，计划调节控制土壤水分状况的土层深度。第三节作物水分生产函数允许的最大、最小含水率（max、min):田间中不可能始终保持一个含水率，因为作物耗水的持续性，而降雨和灌溉则是间歇性。那么，则应将土壤含水率控制在允许最大和最小之间。b、土壤适宜含水率及允许的最大、最小含水率土壤最适宜含水率(适)：即最有利于作物生长发育的土壤含水率，与作物种类（小麦、玉米、棉花、果树）和生长发育阶段，土壤性质等因素有关。一般应通过试验或调查总结群众经验确定。第三节作物水分生产函数c、有效降雨或降雨入渗量(P0)有效降雨P0＝降雨量P－地面径流P地或P0＝

P

——为降雨入渗系数，与一次降雨量大小、降雨强度、延续时间、土壤性质、地面覆盖、地形等有关，很难确定。经验：P<5mm,=0即无用。

5<P<50mm,=1.0-0.8有部分蒸发，截流。

P>50mm,=0.7-0.8径流产生。第三节作物水分生产函数第三节作物水分生产函数K值获得：地下水位是经常变化的，计划湿润层也是经常变化的，则K也不是一个常数，所以很难确定，只能通过试验确定。d、地下水补给量K定义:地下水借助土壤毛细管作用上升至作物根系活动层，而被作物利用的水量，即为K影响因素：地下水埋深，土壤性质，作物种类（根系深浅），计划湿润土层的含水量（如果要求保持很高的含水量，则可能无用）。第三节作物水分生产函数式中：v─(H2－H1)土层中的平均质量含水率,以占干土重的百分数计

H2——计划时段末计划湿润层深度，mH1——计划时段初计划湿润层深度，m

———土壤干密度。

e、由于计划湿润层增加而增加的水量WT作物生长发育，根系活动层增加，作物便可利用这部分湿润层中的一部分水量，即

WT=667(H2－H1)m’第三节作物水分生产函数

’max、’０－土壤田间持水率和播前平均含水率（以占干土重％计）

H为土壤计划湿润层深度，m

为H深度内的土壤平均密度，t/m3目的保证作物种子发芽和出苗，或储水于土壤中以供作物生长后期之用，播前往往只进行一次，计算式为：m＝100H('max－'0)第三节作物水分生产函数1.旱作物播前灌水定额的确定式中m－灌水定额（mm）

H－土壤计划湿润层深度（m）－土壤干容重。

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

m＝Wmax－Wmin

＝667H('max－'min)

第三节作物水分生产函数1、水量平衡方程淹灌条件下水稻灌溉制度若h2≤hmin，则需进行灌水，灌水定额m=hmax-h2,实际取整。灌水后该时段末的水层深度h2’=h2+m；若h2›hp，则需进行排水，排水量为d=h2-hp，一般假定排水在本时段末完成，则该时段末水田水层深为h2=hp。若hmin‹h