非充分灌溉

11.2.4作物需水量研究现状作物需水量在不同的书中的定义略有不同，在《中国主要作物需水量与灌溉》一书中，作物需水量的定义为：“作物需水量系指作物在适宜的土壤水分和肥力水平下，经过正常生长发育，获得高产时的植株蒸腾、棵间蒸发以及构成植株体的水量之和”[47]。在《作物需水量》一书中，作物需水量定义为：“为满足健壮作物因蒸发蒸腾损耗而需要的水量深度。这种作物是在土壤水分和肥料充分供应的大田土壤条件下生长的，并在这一环境条件中发挥全部产量的潜力”[48]。作物需水量是由植株蒸腾量、棵间蒸发量及构成植株体的水量三部分组成。由于组成植株体的水量根少，一般不足总耗水的1%，所以通常忽略不计，而将作物需水量简化为植株蒸腾量和棵间蒸发量之和，称为蒸发蒸腾量，也称为蒸散量、腾发量、蒸散发量或农田总蒸发量等等。作物需水量一般以某一阶段或全生育期所消耗的水层深度（mm）或单位面积上所消耗的水量（m3·hm-2）表示。影响作物蒸腾过程和棵间蒸发过程的因子都会对作物需水量产生影响。这些因子很多，其中的主要影响因子可以概括为气象因子、作物因子、土壤水分状况、耕作栽培措施及灌溉方式等。这些因子对作物需水量影响主要是通过对作物棵间蒸发的影响而实现的。在一定的气象条件和农业技术措施条件下，作物田间需水量将随产量的提高而增加，如图所示，但是需水量的增加并不与产量成比例。由图看出，单位产量的需水量随产量的增加而逐渐减小，说明当作物产量达到一定水平后，要进一步提高产量就不能仅靠增加水量，而必须同时改善作物生长所必需的其他条件。如农业技术措施、增加土壤肥力等。§1作物需水量一、作物田间水分的消耗(三种途径：叶面蒸腾、棵间蒸发和深层渗漏)叶面蒸腾：作物植株内水分通过叶面气孔散发到大气中的现象；棵间蒸发：植株间土壤或水面（水稻田）的水分蒸发；深层渗漏：土壤水分超过了田间持水率而向根系以下土层产生渗漏的现象。解释：棵间蒸发能增加地面附近空气的湿度，对作物生长环境有利，但大部分是无益的消耗，因此在缺水地区或干旱季节应尽量采取措施，减少棵间蒸发（如滴灌局部灌溉、水田不建立水层）和地面覆盖等措施。2深层渗漏对旱田是无益的，会浪费水源，流失养分，地下水含盐较多的地区，易形成次生盐碱化。但对水稻来说，适当的深层渗漏是有益的，可增加根部氧分，消除有毒物质，促进根系生长，常熟、沙河、涟水等灌溉试验站结果都表明：有渗漏的水稻产量比无渗漏的水稻产量高3.9%~26.5%。叶面蒸滕量＋棵间蒸发量＝腾发量＝作物田间需水量水田：田间需水量＋渗漏量＝田间耗水量由于水田不同土壤渗漏量大小差别很大，为了使不同土质田块水稻需水具有可比性，因此水稻的田间需水量不包括渗漏量，如计入渗漏量，则称为田间耗水量。二、作物需水规律（一）影响作物需水量的因素１、气象条件主要因素，气温高、日照时间长、空气湿度低、风速大、气压低等使需水量增加；２、土壤条件含水量大，砂性大，则需水量大（棵间蒸发大）３、作物条件水稻需水量较大，麦类、棉花需水量中等，高粱、薯类需水量较少；４、农业技术措施地面覆盖、采用滴灌、水稻控灌等能减少作物需水量。（二）作物需水特性需水临界期：在作物全生育期中，对缺水最敏感，影响产量最大的时期。几种作物的需水临界期：水稻孕穗至开花期棉花开花至幼铃形成期小麦拨节至灌浆期了解作物需水临界期的意义：１、合理安排作物布局，使用水不至过分集中；２、在干旱情况下，优先灌溉正处需水临界期的作物。作物需水有如下规律：（1）不同作物的需水量有很大的差异，如就小麦、玉米和水稻而言，水稻的需水量最大，其次是小麦，玉米的需水量最小。农田水分消耗量作物腾发量（作物需水量）田间损失量植株蒸腾量棵间蒸发量深层渗漏量田间渗漏量生理需水生态需水对旱地对水田作物田间（农田）耗水量的结构关系3（2）每种作物都有需水高峰期，一般处于作物生长旺盛阶段。如冬小麦有两个需水高峰期，第一个高峰期在分蘖期，第二个高峰期在开花至乳熟期；大豆的需水高峰期在开花结荚期；谷子的需水高峰期为开花-乳熟期；玉米为抽雄-乳熟期。（3）作物任何时期缺水，都会对其生长发育产生影响，作物在不同生育时期对缺水的敏感程度不同。通常把作物整个生育期中对缺水最敏感、缺水对产量影响最大的生育期称为作物需水临界期或需水关键期。各种作物需水临界期不完全相同，但大多数出现在从营养生长向生殖生长的过渡阶段，例如小麦在拔节抽穗期，棉花在开花结铃期，玉米在抽雄至乳熟期，水稻为孕穗至扬花期等。三、经验公式法确定作物田间需水量（一）全生育期作物田间需水量的确定１、α值法（蒸发皿法）前面已讲过，气温、日照、湿度、风速、气压等气象因素是影响作物需水量的最重要的因素，而水面蒸发正是上述各种气象因素综合作用结果，因此作物的田间需水量与水面蒸发量之间存在一定程度的相关关系。因此我们可以用水面蒸发量作为参数来估计作物田间需水量。Ｅ＝αＥ0式中：Ｅ——全生育期作物田间需水量（mm）α——需水系数，江苏中稻α＝1.15Ｅ0——与Ｅ同时段的水面蒸发量（mm）。α值法适用于水稻。(旱作物的E与E0相关不显著)２、Ｋ值法（产量法）实践表明作物的产量与田间需水量之间存在一定的相关关系，在一定范围内Ｅ随作物产量的提高而提高。因此可以用产量作为参数来估计作物的田间需水量。Ｅ＝ＫＹ式中Ｅ——需水量，m3/亩；Ｋ——需水系数（ｍ3/Kg)，由试验资料确定；Ｙ——作物产量（ｋｇ/亩）由于Ｅ与Ｙ实际上并不是成线性关系，因此有人对上式作了修正。E0为保证作物存活下来，但产量为零（棵粒无收）。E=KYn+C式中：n——经验指数；Ｃ——经验常数。K值法适用于旱作。（二）各生育阶段田间需水量的确定（1）利用需水模系数有了全生育期田间需水量，可以借助需水模系数，把总需水量按各生育阶段进行分配。需水模系数是作物某一生育阶段田需水量占生生育期需水量的百分比。Ei=KiE式中Ei——第i阶段作物田间需水量；Ki——第i阶段作物需水模系数。需水模系数通过试验取得，表2-7列出了几种主要作物的需水模系数。（2）利用阶段需水系数（水稻）式中αi——第i阶段需水系数；Ｅ0i——第i阶段的水面蒸发量（mm）。（三）需水强度的确定需水强度即为某一天的需水量。单位：mm/d或m3/(亩d)公式：ei=Ei/ti4式中ei——第i阶段的需水强度；Ei——第i阶段的需水量；Ti——第i阶段的天数。四、彭曼法计算作物需水量英国科学家彭曼于1949年首次提出，又于1963年简化了他的公式。联合国粮农组织推荐采用彭曼法计算作物需水量。彭曼法的特点是：理论基础可靠，计算精度较高；但计算较复杂，所需基础数数较多。计算时分两步。（一）计算出潜在需水量（参考作物需水量）潜在需水量指：参考作物（如苜蓿、牧草)在供水充足条件下的需水量。式中P0——标准大气压；P——计算地点平均大气压；Δ——平均气温时饱和水气压Ea随温度变化的变率；γ--湿度计常数；Rn--太阳净幅射。（二）计算实际作物的需水量E=Kc×Ep式中Kc--作物系数。5、作物需水规律（1）、需水规律作物需水量在作物的不同生育阶段的变化和分配规律称为作物的需水规律或需水模系数（ki），通常以作物各生育阶段的需水量占全生育期作物需水总量的百分比表示。式中：Ki为需水模数；ei为i时期的耗水量;ET0为全生育期耗水量作物需水规律一般由田间试验实测得出，使用时可采用类似地区资料按照经济学的观点，灌溉水量是农业生产中生产资源的投入量，而作物产量是农业生产产品的产出量。因此，作物产量与水分的数学关系称为作物水分生产函数。效益费用投入水量水量效益关系曲线水量费用关系曲线损失效益EdEmEyWdWmWyWoniiiiieeETek1056实验内容6.1冬小麦全生育期田间耗水规律6.1.1需水量采用简便易行的水量平衡法计算作物的需水量。对于土壤系统，其水量平衡方程式为：式中：ET为阶段的耗水量，mm；P为时段内的降雨量，mm；I为时段内的灌水量，mm；为时段内地下水补给量，mm；DP为时段内深层渗漏量，mm是时段内土壤储水量的变化量，mm。由于在作物的全生育期都有防雨棚，所以全生育期的降雨量P为0。由于试验区均为有底测坑试验，所以地下水补给量ScT和深层渗漏量DP也均为。。其中：Y为土壤容重，g/cm3；H为土层深度，m；为阶段初始重量含水量，(%)；时段末的重量含水量，(%)；作物需水量模比系数是指作物各生育阶段的需水量与全生育期作物需水量的比值(以百分数表示)。作物需水强度是指某一天的需水量，单位mm/d。作物各生育阶段的需水强度不仅可以正确地反映作物的需水规律，而且是指导农田科学灌溉不可缺少的基础性资料。以对照组冬小麦的耗水量近似作为冬小麦的需水量。冬小麦的需水情况见表3-3。从表3-3可以得出冬小麦的需水规律：由于冬小麦各生育期的持续时间和气候条件不同，因而作物的阶段需水量和需水强度也有很大差异。返青前期的平均阶段需水量为68.80mm，平均需水强度仅为0.43mm/d，返青期以后需水量逐渐增加，到拔节期，平均阶段需水量为103.98mm，平均需水强度可达5.20mm/d，到抽穗期达到最大，平均阶段需水量为138.89mm，平均需水强度可达8.68mm/d，成熟期需水量随有所降低但仍然较大，平均需水量62.37mm，平均需水强度为5.67。6.1.2灌水量冬小麦2012年10月6日播种，2013年3月15日进入返青期，4月14日进入拔节期，5月4日进入抽穗期，5月20日进入灌浆期，6月5日进入成熟期，全生育期累计253天。由于是对不同阶段进行水分胁迫，所以不同时间段不同处理的灌水量不同。由于试验小区与周围土壤完全隔绝，没有水分的补给和运移，为保证试验区切实受到水分胁迫，进行不定时不定量的灌溉。现将各个生育阶段的灌溉量和最终的灌水定额列于表3-4。6.1.3耗水量作物的耗水量是指作物在任何土壤水分情况下的作物蒸发蒸腾量及构成植物体的水量之和，而作物的需水量是在特定适宜条件下的水量之和。可以用计算需水量的方法来计算作物的耗水量。因构成植物体的水量为很小的一部分(不足总耗水量的1%），所以通常可以忽略，综合本试验研究，选择用水量平衡方程推求作物的时段耗水量。6.1.4水分胁迫对水分利用效率的影响根据WUE=产量/耗水量，我们可以得到不同处理在全生育期内水分利用效率的变化如表3-7。可以看出水分利用效率最高的并不是耗水量最小的，也不是产量最大的，但是由于本试验前5个处理均为单阶段的水分胁迫处理，胁迫时间短且胁迫后立刻复水到充分灌溉条件，还有时段划分的不同和不同时段内要求控制水分的范围较大，所以本研究中对水分利用6效率的差异不明显。但是值得注意的是在本试验中，总耗水量、总产量和水分利用效率之间并没有必然的联系，这主要是因为浇水的时间不同造成的，从这我们可以得出，总产量和水分利用效率不仅受灌溉水量的制约还受灌溉时间的影响。6.2Jensen模型的率定采用逐阶段求解法，推导公式为：。将不同处理的冬小麦阶段耗水量及总产量的数值(见表3-8）代入公式，即可求得各个阶段的水分敏感指数值。逐阶段求解法所得结果如下：λ1=0.0709，λ2=0.3103，λ3=0.6280，λ4=0.4220，λ5=0.1525。7实验成果（1）对冬小麦的不同生育期进行水分胁迫研究。试验区隔绝了土壤水的相互影响，使试验小区的耗水量更为精确。（2）对冬小麦的株高、叶面积和产量的构成因素进行了研究，用以分析水分对总产量的影响。（3）首次运用Jensen模型的结构形式，建立了水分胁迫对冬小麦农艺性状的预测模型。（4）通过率定的Jensen模型，优化了灌溉水量配置，制定了适合冬小麦的优化灌溉制度。