1、第二章農(nóng)田灌溉原理（二）作物需水規(guī)律（二）作物需水規(guī)律第二節(jié)：作物需水規(guī)律1、作物需水量2、作物水分生產(chǎn)函數(shù)農(nóng)田水分調(diào)節(jié)的目的就是要為作物生長創(chuàng)造一個(gè)農(nóng)田水分調(diào)節(jié)的目的就是要為作物生長創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境，那么對作物生長而言，究竟什么樣良好的環(huán)境，那么對作物生長而言，究竟什么樣的環(huán)境是良好的呢？這就要研究作物的需水規(guī)律，的環(huán)境是良好的呢？這就要研究作物的需水規(guī)律，研究作物的生長對水的需求問題。同時(shí)，農(nóng)業(yè)生研究作物的生長對水的需求問題。同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，要考慮經(jīng)濟(jì)效益，這就提出產(chǎn)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，要考慮經(jīng)濟(jì)效益，這就提出了成本的問題，提出作物水分生產(chǎn)函數(shù)問題。了成本的問題，提出作物水分生

2、產(chǎn)函數(shù)問題。（一）、作物需水量作物需水量是農(nóng)業(yè)用水的主要組成部分，也是整個(gè)國民經(jīng)作物需水量是農(nóng)業(yè)用水的主要組成部分，也是整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中消耗水分的最主要部分。因此，它是水資源開發(fā)利濟(jì)中消耗水分的最主要部分。因此，它是水資源開發(fā)利用時(shí)的必需資料，同時(shí)也是灌排工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理用時(shí)的必需資料，同時(shí)也是灌排工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理的基本依據(jù)。目前全世界的用水量不斷增長，水資源不的基本依據(jù)。目前全世界的用水量不斷增長，水資源不足日益突出，對作物需水量的研究和估算，已成為一個(gè)足日益突出，對作物需水量的研究和估算，已成為一個(gè)重要研究課題。重要研究課題。 根系根系吸水吸水植物體植物體輸水輸水植物體植物體蒸騰蒸騰

3、（1）農(nóng)田水分農(nóng)田水分消耗途徑 植株蒸騰 棵間蒸發(fā) 農(nóng)田滲漏 合成有機(jī)質(zhì)（作物體）1、農(nóng)田水分消耗分析、農(nóng)田水分消耗分析作物需水量a、植株蒸騰量b、棵間蒸發(fā)量c、田間滲漏量d、組成植物體及光合作用等生理過程的需水量（2）農(nóng)田水分消耗量的構(gòu)成）農(nóng)田水分消耗量的構(gòu)成滲漏量的大小與土壤性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等因素有關(guān)，它和騰發(fā)量的性質(zhì)完全不同,并且主要是稻田滲漏。因此，一般都是將騰發(fā)量騰發(fā)量與滲漏量滲漏量分別進(jìn)行計(jì)算。農(nóng)田水分消耗的途徑也就是其主要構(gòu)成。包括：農(nóng)田水分消耗的途徑也就是其主要構(gòu)成。包括：由于組成植物體及消耗于光合作用過程的水量一般小于作物蒸發(fā)蒸騰量的 1%，故在生產(chǎn)實(shí)踐中常予以忽略。作物需

4、水規(guī)律需水量（1）作物需水量：把作物生育期內(nèi)的作物蒸發(fā)蒸騰量之和稱之為作物需水量。作物潛在需水量：“生長在大面積上的無病蟲作物，在最佳的水、肥等土壤條件和生長環(huán)境中，能獲得最高增產(chǎn)潛力所需滿足蒸發(fā)蒸騰的水量”。是作物需水量的最大值。灌溉用水量灌溉用水量:將作物需水量減將作物需水量減去自然降雨，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、作物需水量與、作物需水量與 田間耗水量田間耗水量 農(nóng)農(nóng)田田水水分分消消耗耗量量作物騰發(fā)量（作物騰發(fā)量（作作物需水量物需水量）田間損失量田間損失量植株蒸騰量植株蒸騰量棵間蒸發(fā)量棵間蒸發(fā)量深層滲漏量深層滲漏量田間滲漏量田間

5、滲漏量生理需水生理需水生態(tài)需水生態(tài)需水對旱地對旱地對水田對水田作物田間（農(nóng)田）耗水量的結(jié)構(gòu)關(guān)系作物田間（農(nóng)田）耗水量的結(jié)構(gòu)關(guān)系作物需水規(guī)律需水量（2）田間耗水量）田間耗水量: 將作物需水量與田間損失水量相加而得。將作物需水量與田間損失水量相加而得。作物需水規(guī)律需水量不同作物、不同地區(qū)、不同水文年作物需水量不同作物需水規(guī)律需水量3、作物需水量的確定（1）影響因素分析影響作物需水的因素很多，歸納起來有自然和人為兩大類。自然因素包括氣象、土壤、作物幾種，人為因素有灌排措施、耕作措施等。由于各種因素相互聯(lián)系，錯(cuò)綜復(fù)雜，目前還難以從理論上進(jìn)行精確計(jì)算，但可以以一兩種主要因素建立模型計(jì)算。根系根系吸水吸水

6、植物植物體輸體輸水水植物體植物體蒸騰蒸騰 因此，實(shí)踐中常采用因此，實(shí)踐中常采用實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法和和計(jì)算法計(jì)算法來確定需來確定需水量。水量。 這里主要介紹計(jì)算法。這里主要介紹計(jì)算法。作物需水規(guī)律需水量（2）作物需水量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型 對影響作物蒸發(fā)蒸騰的主要因素氣象(M)、作物(C)、土壤(S)以及農(nóng)業(yè)耕作措施(P)用數(shù)學(xué)模型表示： ET=f(M、C、S、P) SPAC系統(tǒng)中的水分運(yùn)移系統(tǒng)中的水分運(yùn)移根系根系吸水吸水植物體植物體輸水輸水植物體植物體蒸騰蒸騰作物需水規(guī)律需水量4、作物需水量的計(jì)算（1）、直接計(jì)算法a、以產(chǎn)量和需水的相關(guān)關(guān)系計(jì)算 ET=K*Yb、以水面蒸發(fā)和作物需水的相關(guān)關(guān)系計(jì)算 ET=a

7、*E0計(jì)算法分為計(jì)算法分為直接計(jì)算直接計(jì)算和和間接計(jì)算間接計(jì)算兩種兩種作物需水規(guī)律需水量作物需水規(guī)律需水量（2）、間接計(jì)算法通過參照作物需水量的計(jì)算間接計(jì)算目標(biāo)作物的需水量。 影響作物蒸發(fā)蒸騰的主要因素中，氣象因子規(guī)律性比較強(qiáng)，資料容易獲得，在水分充足時(shí)也是主要因素，作物、土壤以及當(dāng)?shù)氐臈l件和農(nóng)技措施變化比較復(fù)雜，難以量化，因此，一般把氣象因子單獨(dú)考慮，以此建立模型。具體方法為：作物需水量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型 ET=k*f(M) 在實(shí)際中，作物因子、土壤及其它因子另作系數(shù)k處理。第一步：為便于比較，選取一種作物作為參考作物，控制相同生長條件；第二步：以氣象因素為變量，計(jì)算參考作物騰發(fā)量；第二步：考慮

8、土壤水分、作物品種因素的影響，對參考作物需水量進(jìn)行調(diào)整或修正，從而計(jì)算出實(shí)際需水量。作物需水規(guī)律需水量參考作物：目前國內(nèi)外多采用參考作物(紫花苜蓿)的蒸發(fā)蒸騰量(ET。)來表示氣象因子對作物需水量的影響（苜蓿需水量主要受氣象條件的影響） 通過參考作物騰發(fā)量計(jì)算，間接計(jì)算實(shí)際騰發(fā)量： ETC=KC* K*ET0 式中：KC、 K分別為作物和土壤系數(shù)。當(dāng)土壤水分充足時(shí)，K=1。 作物需水規(guī)律需水量“從高度一致，生長旺盛，完 全遮蓋住地面且不缺水，8-15cm高的開闊（地塊長寬都大于200米）草地上（苜蓿草）所蒸發(fā)蒸騰的速率” 即： ET0 =f(M) 上式表達(dá)的是作物蒸騰量與氣象的關(guān)系. a、參考

9、作物蒸發(fā)蒸騰量（、參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）作物需水規(guī)律需水量國際糧農(nóng)組織推薦的參考作物需水量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型能量平衡模型將作物騰發(fā)看作能量消耗過程，通過能量平衡先計(jì)算出騰發(fā)過程所消耗的能量，然后再將能量折算為水量，即作物需水量。而能量的來源就是太陽的輻射能量，這個(gè)能量是可以計(jì)算的，約為太陽輻射能量40%。能量與水氣化的能量關(guān)系是：每蒸發(fā)1克水，消耗 600 卡的熱能，即農(nóng)田水分消耗將等于(0.4R卡/平方厘米)/(600卡/立方厘米)=R/1500厘米。因此,只要測出能量的消耗量，即轉(zhuǎn)化量，就可推算出水分的氣化量。如，某地區(qū)4-9月份R=423.6卡/平方厘米/日，則平均潛在騰發(fā)量=423.

10、6/1500=0.282cm/日關(guān)鍵的問題就是如何計(jì)算消耗的能量！關(guān)鍵的問題就是如何計(jì)算消耗的能量！作物需水規(guī)律需水量1948年由彭曼提出，經(jīng)多次修正，1979年聯(lián)合國糧農(nóng)組織向各國推薦的具體計(jì)算式為： daneeufWRWCET.1.0晝夜因子海拔因子太陽短波凈輻射空氣動(dòng)力項(xiàng)飽和水氣壓實(shí)際水氣壓風(fēng)函數(shù)輻射項(xiàng)此式以能量轉(zhuǎn)換為主,同時(shí)考慮到空氣動(dòng)力學(xué)等氣象因素。受風(fēng)力、海拔、地理位置、作物葉面積等影響，實(shí)際情況要復(fù)雜得多受風(fēng)力、海拔、地理位置、作物葉面積等影響，實(shí)際情況要復(fù)雜得多!作物需水規(guī)律需水量式中：ETo為參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mmd)；C為補(bǔ)償晝夜天氣變化的修正系數(shù)，與濕度、晝夜風(fēng)速、到達(dá)

11、地面輻射量有關(guān)，可查表W為與溫度和海拔高度有關(guān)的權(quán)重因子，可查表；f(u)為風(fēng)函數(shù)， U2為距地面2m高處的日平均風(fēng)速(kmd)； daneeufWRWCET.1.0 100127. 02Uuf作物需水規(guī)律需水量Rns為太陽凈短波輻射量；a為地面反射率，對大部分作物取15-25；Rs為到達(dá)地面的陽光輻射能量；Ra為大氣圈外接受的陽光輻射能量(可查表) daneeufWRWCET.1.0nlnsnRRRsnsRaR 1RaNnRs)/5 . 025. 0(Rn為太陽為太陽凈凈輻射量輻射量大氣圈作物需水規(guī)律需水量 N為最大日照時(shí)數(shù)， n為實(shí)測日照時(shí)數(shù)。 為斯瑞藩鮑茨曼常數(shù) 2.01*10-9（mm

12、/日度4） Tk為絕對溫度: 273+T)/(9 . 01 . 0/NnNnf ddeef044. 034. 0 4kTTf NnfefTfRdnl/.計(jì)算式:Rnl為為凈凈長波輻射量長波輻射量 ea、ed為平均氣溫下空氣的飽和水汽壓飽和水汽壓與實(shí)際平實(shí)際平均水汽壓均水汽壓(102Pa )。 daneeufWRWCET.1.0以上各數(shù)據(jù)可從氣象站獲得（一般為表格），或換算得到。國內(nèi)也繪制了參考作物需水量等值線圖，對計(jì)算作物需水量很有實(shí)用價(jià)值。 daneeufWRWCET.1.0各種氣象資料表各種氣象資料表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返回算例作物需水規(guī)律需水量b、作物系數(shù)Kc計(jì)算當(dāng)土壤供水充分時(shí)，作物系數(shù)Kc是作物需水量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量的比值，即： Kc=ETc/

14、EToETC=KC* K*ET0 ETo是參考作物的需水量，它反映的是氣象因素的是參考作物的需水量，它反映的是氣象因素的影響，但是不同作物的需水量是不一樣的，還必須影響，但是不同作物的需水量是不一樣的，還必須研究作物系數(shù)，把研究作物系數(shù)，把ETo換算成實(shí)際作物的需水量。換算成實(shí)際作物的需水量。作物需水規(guī)律需水量一般可將作物全生育期劃分為4個(gè)階段： 初期：發(fā)芽與早期生長階段，地面覆蓋率10%。 發(fā)育期：從初期階段后期到地面完全有效覆蓋，覆蓋率= 70- 80。 中期：從地面完全覆蓋到開始成熟。 后期：從中期階段后期到完全成熟或收獲期。 Kc隨作物種類、生育階段及各主要季節(jié)的氣候條件而變化。但參考

15、作物和實(shí)際作物受氣象因素影響是同步的，所以Kc值在各水文年相對穩(wěn)定。Kc可查有關(guān)作物表，也可試驗(yàn)獲得。從表中數(shù)據(jù)可以看出：在作物生育前期和后期，作物系數(shù)均小于1，即需水強(qiáng)度比參考作物要??；生育中期則等于或大于1，需水強(qiáng)度比參考作物要強(qiáng)。 ETC=KC* K*ET0 返回算例20%上例中：上例中： 某地，北緯39o20，地面高程100m，計(jì)算月份為5月，最高溫度28oC，最低溫度12oC，平均溫度20oC，最大相對濕度70%，最小相對濕度30%，平均相對濕度50%，夜晚風(fēng)速u夜=2.9m/s，日間風(fēng)速u晝=2.87m/s，平均風(fēng)速u=2.88m/s，n/N=65%。種植作物為小麥。 計(jì)算：作物需

16、水量算例算例資料：資料： daneeufWRWCET.1.0計(jì)計(jì)算算過過程程作物需水規(guī)律需水量c、缺水條件下土壤因子K的計(jì)算 ETC=KC* K*ET0 充分供水條件下土壤因子影響不大，可取K=1。而作物在缺水條件下土壤水分對實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量影響較大。這就是一些資料介紹的水分虧缺問題。 缺水條件下的計(jì)算公式很多，這里僅介紹兩個(gè)。作物需水規(guī)律需水量缺水條件下土壤因子的康紹忠計(jì)算式 K 為土壤水分修正函數(shù)； c、d 是由實(shí)測資料確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)； C 是田間持水量。 wp 為凋萎系數(shù)含水量。 為實(shí)際含水量dccK作物需水規(guī)律需水量缺水條件下土壤因子的Jensen公式式中符號如前介紹。 101ln/1l

17、ncK作物需水規(guī)律需水量5、作物需水規(guī)律（1）、需水規(guī)律作物需水量在作物的不同生育階段的變化和分配規(guī)律稱為作物的需水規(guī)律或需水模系數(shù)（ki），通常以作物各生育階段的需水量占全生育期作物需水總量的百分比表示。式中：式中：Ki為需水模數(shù)；為需水模數(shù)；ei為為i時(shí)期的耗水量時(shí)期的耗水量;ET0為全生育期耗水量為全生育期耗水量niiiiieeETek10作物需水規(guī)律一般由田間試驗(yàn)實(shí)測得出，使用時(shí)可采用類似地區(qū)資料 作物需水規(guī)律需水量（2）、需水臨界期作物任何生育階段缺水都會(huì)對作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量產(chǎn)生影響，但不同生育階段作物對缺水的敏感程度不同。通常把作物在整個(gè)生育期中對缺水最敏感，需水量最迫切以至對產(chǎn)

18、量影響最大的生育期，稱為需水臨界期或需水關(guān)鍵期。 Ki生育期生育期需水臨界期作物需水規(guī)律需水量各種作物的需水臨界期不完全相同，但大多數(shù)出現(xiàn)在從營養(yǎng)生長向生殖生長的過渡階段。這一時(shí)期也是產(chǎn)量形成對水分需求最為敏感時(shí)期。 Ki生育期生育期營養(yǎng)生長向生殖生長過渡期（二）、作物水分生產(chǎn)函數(shù)作物生長發(fā)育要求一定的光、熱、水和營養(yǎng)，缺一不可。某一因子如果是最低限度，即成為產(chǎn)量的限制因子 若僅以變動(dòng)資源中的水為研究對象，其它因子均視為固定投入，則作物產(chǎn)量y與水分投入量w之間存在一定的函數(shù)關(guān)系： y=f(w)作物水分生產(chǎn)函數(shù)的研究目的，就是要使有限的水資源投入能夠獲得最大化的經(jīng)濟(jì)利益。 一是要考慮水資源在灌溉

19、面積上的分配； 二是要考慮水資源在作物生育期上的分配。作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)按照經(jīng)濟(jì)學(xué)的按照經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)，灌溉水觀點(diǎn)，灌溉水量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)資源的中生產(chǎn)資源的投入量，而作投入量，而作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)生產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)出量。因此，出量。因此，作物產(chǎn)量與水作物產(chǎn)量與水分的數(shù)學(xué)關(guān)系分的數(shù)學(xué)關(guān)系稱為稱為作物水分生產(chǎn)函數(shù)。 效益費(fèi)用投入水量水量效益關(guān)系曲線水量費(fèi)用關(guān)系曲線損失效益EdEmEyETdETm ETyEToyypETcETbapY)(2111wpETFFYW從前面的分析可以看出，要考慮經(jīng)濟(jì)效益就存在作物灌水不充分的問題。在傳統(tǒng)的灌排工程中，農(nóng)田灌溉是以一定作物獲得

20、單位面積最高產(chǎn)量為目的，在此理論的指導(dǎo)下，田間耗水、灌溉制度、灌溉用水等均建立在充分灌溉的理論基礎(chǔ)上，以此提出了分充分灌溉的理論，這與經(jīng)濟(jì)效益最大化往往是矛盾的。作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)非分充分灌溉是以經(jīng)濟(jì)效益最大化為 目標(biāo)的，其研究辦法和理論就是作物水分生產(chǎn)函數(shù)。非充分灌溉可以理解為：灌水量不能完全滿足作物的生長發(fā)育全過程需水量，需要將有限的水科學(xué)合理(非足額)安排在對產(chǎn)量影響比較大，并能產(chǎn)生較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的需水關(guān)鍵期供水，而在非水分關(guān)鍵期少供水或不供水。非充分灌溉作為一種新的灌溉制度，不追求單位面積上最高產(chǎn)量，允許一定限度的減產(chǎn)。在水資源有限地區(qū)，建立合理的水量與產(chǎn)量關(guān)系模式，通過增加灌溉面

21、積而獲得大面積總量的均衡增產(chǎn)，力求在水分利用效率產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)效益三方面達(dá)到有效統(tǒng)。作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)1、模型類型作物水分生產(chǎn)函數(shù)的構(gòu)建，根據(jù)研究的出發(fā)點(diǎn)和使用指標(biāo)不同有多種模型。 通常有以下兩類：（1）、作物產(chǎn)量與全生育期騰發(fā)量模型（2）、作物產(chǎn)量與生育期各階段騰發(fā)量模型 總量模型相對量模型相加模型相乘模型作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)2、作物產(chǎn)量與全生育期蒸發(fā)蒸騰量模型：（1）、總量模型 線性關(guān)系： 二次拋物線型： 其中：是作物產(chǎn)量； ETc是蒸發(fā)蒸騰量； a0、b0、a1、b1、c1是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。 cETba.0021011cETcETba作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)（2）、

22、相對量模型 線性模型： 指數(shù)模型： mmETETk/1/1mmmETETk/1/1作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)其中：y、EI分別為缺水條件下的作物實(shí)際產(chǎn)量與全生期總的蒸發(fā)蒸騰量；ym、EIm分別為充分供水時(shí)的最高產(chǎn)量和全生育期總的蒸發(fā)蒸騰量；Kr為作物產(chǎn)量對水分虧缺反應(yīng)的敏感系數(shù)，亦 稱減產(chǎn)系數(shù)。 m為根據(jù)受旱試驗(yàn)資料分析求得的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。mmETETk/1/1mmmETETk/1/1作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)3、作物產(chǎn)量與生育期各階段騰發(fā)量模型（1）、相加模型或 式中：ETi，ETmi，分別為第i階段的實(shí)際蒸發(fā)量與 最大蒸發(fā)量 n為全生育期的階段數(shù) kyi 、kyi缺水敏感系數(shù)，亦稱減產(chǎn)系數(shù)nimi

23、iimETETk1/11/nimiiimETETk1/作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)（2）、相乘模型Jensen模型： 式中： i為某作物第i階段缺水對產(chǎn)量影響敏感指數(shù) 其他符號同前 nimiimiETET1/作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù)在相乘模型中，作物缺水敏感指數(shù)(i )的變化規(guī)律： 作物缺水敏感指數(shù)隨生育期變化： 作物缺水敏感指數(shù)隨作物生育期變化，在作物需水關(guān)鍵期，缺水敏感指數(shù)最大即此階段缺水對產(chǎn)量的影響最強(qiáng)烈。環(huán)境因素對缺水敏感指數(shù)的影響： 通過多年實(shí)測的非充分灌溉(作物受旱)試驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)歷年 i值并不穩(wěn)定，表現(xiàn)出干旱年的 i 大于濕潤年的，即在干旱年份作物產(chǎn)量對缺水的敏感性大于濕潤年份。 需水關(guān)鍵時(shí)期，缺水敏感指數(shù)(i )最大。 作物需水規(guī)律水分生產(chǎn)函數(shù) 作物種類 站 名各生育期的敏感指數(shù)入i 入1 入2 入3 入4 入5 夏玉米 春小麥 冬小麥 棉 花 棉 花 籽 瓜 白蘭瓜 鄭 州 涼 城 宿 縣 夾馬口 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