灌溉排水新技术

灌溉排水新技术百问百答（第一期）编者的话为了帮助做好中央广播电视大学水利水电工程专业“灌溉排水新技术”课程的教学工作，我们编写了这份课程辅导材料，供学员和辅导教师参考。材料采用问答方式，对课程中的重点、难点内容作了讲解和提示。课程辅导材料按照文字教材各章的顺序编写，依课程进度分为十期发布，其中第一期对应于文字教材绪论和第1章，第二期对应文字教材第2章，第三期和第四期对应文字教材第3章，第五期～第十期分别对应于文字教材的第4章至第9章。绪论1、今后世界灌溉发展的趋势是什么？据预测，全世界人口到本世纪中叶，将增加47%，而耕地只能增加4%，为满足未来对粮食的需求，主要靠提高单位面积产量，因此，发展灌溉仍将是今后发展农业的重要措施之一。今后世界灌溉发展的趋势是：①灌溉方面仍将以地面灌溉为主，喷灌、微灌等现代灌溉将有较大的发展；②为缓解水资源紧缺状况，提高灌溉水的利用系数，管道输水、渠道防渗、污水灌溉、雨水利用等可持续灌溉农业和科学的灌溉方法以及节水灌溉技术将日益发展；③改进农田水土管理，提高自动控制技术；④激光平地技术、红外线遥测、遥控等新技术将广泛地得到应用。2、灌溉排水新技术的主要研究内容有哪些？灌溉排水的基本任务是研究技术上先进、经济上合理的各种工程技术措施，调节和改变土壤水分状况和有关地区水情的变化规律、消除水旱灾害和高效利用水资源，促进农业生产稳定的发展。灌溉排水新技术主要研究以下一些基本内容。⑴土壤水分、盐分的运移规律，探求作物生长与土壤水分状况、盐分状况之间的内在联系；⑵作物水分生产函数及其变化规律；⑶作物传统灌溉制度和非充分灌溉原理；⑷现代节水灌溉技术的理论与设计方法；⑸低洼易涝区治理和盐碱地改良的基本原理和工程技术措施；⑹灌区水资源优化管理的基本原理和计算方法；⑺灌溉管理理论、配水原理和计算方法；⑻灌区现代化管理理论及计算机在灌排管理现代化中的应用。第1章水分与作物3、水对作物的生理作用主要表现在哪些方面？水是原生质的主要成分。细胞作为植物的结构单位及功能单位，是由细胞壁和原生质体组成。原生质体外面是质膜，里面是无数颗粒状和膜状的内容物浸埋在衬质中。原生质含水量一般在80%以上才可以保持溶胶状态，以保证各种生理生化过程的进行。如果含水量减少，原生质由溶胶状态变成凝胶状态，细胞生命活动将大大减缓（例如休眠种子）。如果原生质失水过多，就会引起生物胶体的破坏，导致细胞的死亡。另外，细胞膜和蛋白质等生物大分子表面存在大量的亲水基团，吸引着大量的水分子形成一种水膜，正是由于这些水分子层的存在，维系着膜分子以及其它生物大分子的正常结构。水对作物的生理作用，主要表现在以下5个方面：⑴细胞原生质的重要成分：原生质是细胞的主体，很多生理过程都在原生质中进行。在正常情况下，原生质内含水量为80％以上。如果水分不足，原生质内的生理活动便会减弱，甚至停止。⑵光合作用的重要原料：作物在生长发育过程中，能利用叶绿素吸收太阳的能量，同二氧化碳和水，制造出有机质，这就是光合作用。光合作用所产生的有机质主要是碳水化合物（糖、淀粉等）。在光合作用中，水是不可缺少的原料,水分不足，就会使光合作用受到抑制。⑶一切生化反应的介质：例如CO2进入叶部后，只有溶于细胞液转成液相，才能参与光合作用。各种有机质的合成与分解也必须以水为介质，在水的参与下才能进行。⑷溶解和输送养分：作物所需的矿质养分必须溶解于水中才能被利用；各种有机质也只有溶于水才能输送至植物的各个部位。⑸保持作物体处于一定形态：作物体内水分充足时，细胞常保持数个大气压的膨压以维持细胞及作物的形态，使正常的生长、生理活动得以进行。例如，使叶片展开，以接受阳光和交换气体；使根尖具有刚性，能够伸入土壤，使花朵开放，便于授粉等。4、水对作物的生态作用有哪些？作物从种子发芽到新种子成熟的一生中，其生长发育状态与水有着十分密切的关系。大多数休眠种子必须吸收足够的水分才能恢复生命活动。种子萌发需要更多的水分使种皮软化，氧气透入，呼吸加强。同时水分能使种子内凝胶状态的原生质向溶胶状态转变，使生理活性增强，促进种子萌发。土壤含水量的多少，直接影响根系的发育。当土壤含水量降低到田间持水量以下时，根系生长速度显著增快，根冠比率相应增大。在土壤较干的地方，根系往往较发达，主要的长度可比地上部分的高度大几倍甚至十几倍，并且根系扩展的范围广，以吸收更大范围的土壤水分。水稻在长期淹水、氧气缺乏的土壤中，一般多长出生命力弱的黄根，甚至出现很多黑根，而在水、气较协调的稻田中，则能长出一些生命力强的白根。土壤水分状况也明显地影响作物茎叶的生长。当土壤水分缺乏时，茎叶生长缓慢，水分过多时往往使作物茎秆细长柔弱，后期容易倒伏。水分对作物生长有一个最高、最适和最低的基点。低于最低点，作物生长停止，甚至枯死。高于最高点，根系缺氧、窒息、烂根，植株生长困难甚至死亡。只有处于最适范围内，才能维持作物的水分平衡，保证作物生长发育良好。土壤含水量对各种生理活动的影响是不一致的。大多数作物的生长最适含水量较高，蒸腾最适土壤含水量较低，而同化的最适含水量则更低。所以当土壤有效水分减少时，对生长的影响最大，其次是蒸腾，再次是同化。实验表明，在作物萎蔫前蒸腾量减少到正常的65％，同化减少到55％，而此时呼吸却增加62%，从而导致生长基本停止。土壤含水量还影响作物的产品质量。作物氮素和蛋白质含量与土壤含水量有直接关系。以小麦为例，在生长期土壤含水量较小时，小麦的氮素和蛋白质含量都有所增加，说明在大陆性气候的少雨地区，有利于氮和蛋白质的形成和积累。碳水化合物和土壤含水量的关系与蛋白质不同。土壤含水量减少时，淀粉含量相应减少，同时木质素和半纤维有所增加，纤维素不变，果胶质则减少。脂肪含量与蛋白质的含量相反，土壤含水量增高时，脂肪含量和油的碘价（每一百克植物油因其所含不饱和脂肪酸的种类多寡不同所吸收碘的克数。碘价高则油质好。）都有增高的趋势。纤维作物的纤维似乎也是在较干旱的环境下才比较发达。棉花和黄麻最适生长的土壤水分比纤维发育的最适水分要高。在土壤含水量较低的情况下，作物的导管发达。输导组织充实，纤维质量好。5、如何衡量作物蒸腾作用的强弱？衡量作物蒸腾强弱的表示方法有以下三种方法：Ⅰ蒸腾速率。是指作物在一定时间内单位叶面面积蒸腾的水量，一般用每小时每平方分米叶面蒸腾水量的克数表示。通常白天的叶面积蒸腾速率为0.5～2.5g/(h·dm2)；晚上在0.1g/(h·dm2)以下。Ⅱ蒸腾系数。作物制造1克干物质所需要的水分克数。大部分作物的蒸腾系数为100～500g/g。例如：小麦为257～774g/g；玉米为174～406g/g；水稻为211～300g/g。作物蒸腾系数越大,其利用水分的效率越低。Ⅲ蒸腾效率。作物每消耗1kg水所形式的干物质克数，大部分作物的蒸腾效率是2～10g/kg。蒸腾效率是蒸腾系数的倒数。6、如何理解土壤－作物－大气连续体（SPAC）的水分运动？水分经由土壤到达植物根系、进入根系、通过细胞传输，进入植物茎，由植物木质部到达叶片，再由叶气孔扩散到宁静空气层，最后参与大气的湍流交换。这样一个过程形成了一个统一的、动态的系统，即土壤―作物―大气连续体（Soil-Plant-AtmosphereContinuum，简称SPAC）。菲利普(Philip，1966)提出了系统的、较完整的关于SPAC的概念：认为尽管介质不同，界面不一，但在物理上都是一个统一的连续体，水在该系统中的各种流动过程就像链环一样，互相衔接，而且完全可以应用统一的能量指标―“水势”来定量研究整个系统中各个环节能量水平的变化，并计算出水分通量。现代农田水分循环与水分平衡的研究是以连续的、系统的、动态的观点和定量的方法为基础的。即把土壤、植物、大气作为一个物理上的连续体，研究田间水分的循环过程和规律，以及与农田能量平衡和转化间的关系，揭示田间水循环工程的各个方面，探讨以土壤水和作物关系为中心的农田水分调控机理。在SPAC中，水分运动的驱动力是水势梯度，即从水势高处向水势低处流动，其流动速度和水势梯度成正比，与水流阻力成反比。象电容器一样，水贮存在薄壁组织细胞中用于补充蒸腾丧失的水分。在叶片和茎的薄壁组织细胞中的水量很大，系统中任何部分单位水势变化所引起的细胞组织内含水量（W）的变化被定义为水容。但SPAC中的水流过程是十分复杂的，在实际流动过程中各点的流速是不相等的，即使在叶片也会因为部位不同而在叶尖、叶中和叶基部有不同的蒸腾速率，各个部分的含水量也不同而且随时间产生变化。SPAC中的水流阻力包括土壤阻力、土根接触阻力、根系吸收阻力、茎内和枝条的木质部阻力、叶肉阻力和叶片气孔阻力以及空气边界层阻力。SPAC中主要的水流阻力发生在水分进入植物根系和离开植株叶片这两个部分。植物根系吸收阻力和叶气孔阻力是决定SPAC中液态水流与气态水扩散的控制因素。7、如何让对土壤水进行分类？根据作用力的类型和被作物利用的难易程度，常把土壤水中的液态水划分为以下几种类型：⑴吸湿水与膜状水（束缚水）由于土粒表面具有很大的吸附力，胶粒表面还有电场力和吸附离子的水合力，故当其与气态水和液态水接触时，即可在其表面吸持水分子而形成一定厚度的水膜。根据膜内水分子受力的强弱，又可分为吸湿水和膜状水。⑵毛管水当土壤孔隙小到足以产生液—气界面的凹形弯月面时，便会发生毛管现象。存在于毛细管中的水，称为毛管水。它能抗拒重力作用而不流失。毛管水所受的吸持力远小于植物根系的吸水力，因而可全部被吸收利用。同时，它的移动速度也快于膜状水。按照根系分布土层中的毛管水与地下水的关系，可将毛管水分为两种：若地形部位较高，地下水埋藏较深，根系分布层中毛管水主要来自降水或灌溉，而与地下水毫无联系，这种毛管水称为毛管悬着水。如果地下水埋藏较浅，可借毛管作用上升至根区的水，称为毛管上升水。毛管悬着水的最大含量，称田间持水量，而毛管上升水的最大含量，则称为毛管持水量。⑶重力水超过田间持水量的水分由于不能为毛管力保持，在重力作用下，沿着土壤中大孔隙向下渗透至根区以下，这种水分叫做重力水。由于它在根系分布层停留时间很短，所以对植物的吸收利用并无多大意义。当土壤全部孔隙都为水分所充满时，土壤便处于水分饱和状态，这时土壤的含水量称为饱和含水量或全持水量。8、何谓土壤水分的有效性？处于有效水上下限之间的水分是否具有同等的有效性？土壤水分的有效性是指土壤水分是否能被作物利用及其被利用的难易程度。土壤水分有效性的高低，主要取决于它存在的形态、性质和数量，以及作物吸水力与土壤持水力之差。传统上认为凋萎系数是土壤中有效水的下限，田间持水量则是其上限，所以土壤最大有效水贮量（%）=田间持水量（%）－凋萎系数（%）土壤有效水贮量（%）=土壤自然含水量（%）－凋萎系数（%）土壤最大有效水贮量，受质地、结构、容重和有机质含量等的影响。在有机质含量低的土壤中，决定因素是土壤质地。一般壤质土的有效含水量最多，砂质土含量最少。质地粘重，结构不良的粘质土，其田间持水量虽高，但因其凋萎系数亦高，故有效水的含量并不高。处于有效水上下限之间的水分有效性是不同的，被植物的利用有难易区别，愈靠近凋萎系数（有效水下限）的水，则愈难吸收，有效性越低；反之，愈靠近田间持水率（有效水上限）的水，则愈容易吸收，有效性越高。9、土壤含水量有哪些表示方法？如何计算？自然条件下土壤保持的水分数量，称为土壤含水量或土壤湿度，北方地区俗称“墒”，其表示方法有以下几种。（1）重量百分率（W水重%，也称绝对含水量）：指土壤中含水的重量占绝对干土重的百分数。如从田间采回的湿土重用1W表示，在105～110℃烘干后的重量以W表示，那么%100%1WWWW水重（2）容积百分率（W水容%）：指土壤水的容积占土壤容积的百分数，它表明土壤水分在孔隙中充满的程度。在常温下水的密度约为1g/cm3，水的重量值与容量值相当，于是：WWWWWWWWVVW%%100100/1/%100%水重干土水干土水土壤水水容土壤孔隙度减去水容%，便是土壤空气所占的容积百分数。（3）相对含水量：在农田水量计算中，常