第一章农田灌溉原理2012.

第一章农田灌溉原理主要内容1.农田土壤水分状况2.作物需水量与灌溉制度3.非充分灌溉原理与作物水分生产函数4.灌溉用水量与灌水率第一节农田土壤水分状况主要内容1.农田土壤水分存在的基本形式2.土壤含水量的测定与表示方法3.土壤水分对作物生长的有效性4.农田土壤水分运动5.土壤—植物—大气连续体水分运移6.农田土壤水调控第一节：农田土壤水分状况基本要求：掌握农田土壤水分存在的基本形式（形态法与能量法）；掌握土壤含水量的表示方法与一定土层内土壤储水量的计算方法；了解农田土壤水分对作物生长的有效性。1.农田土壤水分存在的基本形式农田水分状况是指农田地面水、土壤水和地下水数量的多少、存在的形式及其在时空上的分布规律与变化情况。土壤水分存在的基本形式可分为固态、液态和汽态三种形态。固态水只有在土壤冻结时才存在；汽态水是存在于土壤孔隙中的水汽，含量很少；液态水是土壤水分的主要形态，与作物生长发育最为密切。液态水按其运动特性可分为吸着水、毛管水和重力水三类。农田土壤水分存在的基本形式可用形态法与能量法来表示。农田土壤水分存在的基本形式---形态法液态水按其运动特性可分为吸着水、毛管水和重力水三类。农田土壤水分存在的基本形式---形态法土壤水固态：土壤冻结时才存在液态：土壤水分存在的主要形态汽态：未被水分占据的土壤孔隙中，含量少吸着水毛管水重力水吸湿水薄膜水上升毛管水悬着毛管水按物理形态划分按运动特征划分吸着水紧附于土壤表面，一般不能被作物所利用，因此吸着水的上限(最大分子持水率)以下的水分常称为无效水。重力水为过剩水。在无地下水顶托的情况下，作物根系还来不及吸收就很快排出根系层；在地下水位高的地区，停留在根系层内的重力水，会影响土壤正常的通气状况。重力水：进入土壤的水分超过土壤所能保持的田间持水量时，那些超出的水分因受重力作用沿较大的孔隙向下渗透。这种受重力作用而下渗的水分即称为重力水。重力水虽然能为作物利用，但很快就会渗到根系范围以外，所以对作物持续供应水分的用处不大。在地下水位较高的地方，重力水最后将转入地下水。在地下水位很低的地区，重力水在不断下渗的过程中将逐渐转化为毛管悬着水或膜状水而被保留在土层的深处。当土壤为重力水所饱和时，即土壤全部孔隙都充满水分时，其土壤含水量称饱和含水量。在田间持水量和无效水之间的毛管水，容易为作物吸收利用，属于有效水。一般常将田间持水量作为重力水和毛管水以及有效水分和过剩水的分界线。吸湿水：土壤颗粒具有很强的吸附力，被风干土壤所吸附在土粒表面的水汽分子称为吸湿水。在水汽饱和的空气中，土壤吸湿水达最大数量时称为吸湿系数。土壤质地越细，土粒的表面能越大，吸湿系数也越大。吸湿水所受到的分子引力很大，厚度极小，无溶解能力。只有在105℃以上的高温下转化为气态水时才会移动，所以对作物生长一般没有多大意义。薄膜水：当吸湿水达最大数量后，土粒已无足够力量吸附空气中活动力较强的水汽分子，只能吸持周围环境中处于液态的水分子，由于这种吸着力吸持的水分使吸湿水外面的水膜逐渐加厚，形成连续的水膜，故称为薄膜水。薄膜水在土粒吸湿水层的外面仍可再吸附液态的水分子而形成水膜，这种土壤水分称为膜状水。薄膜水达到最大值时的土壤含水率称为土壤的最大分子持水量。膜状水受表面张力的作用能缓慢地从水膜厚的地方向水膜薄的地方移动，一般移动速度为0．2～0．4毫米/小时。土粒对膜状水的吸力在6．33×105～31．4×105帕之间。一般作物根毛的吸水力仅相当于15．20×105帕，所以膜状水中吸力大于15．20×105帕的那部分水分，作物是不能吸收利用的，为无效水。可利用的仅是吸力小于15．20×105帕的那一部分，但由于移动非常缓慢，常在可利用的膜状水消耗完以前，作物就因缺水而发生凋萎。当作物发生永久性凋萎时的土壤水分含量，即称为凋萎点或凋萎系数。上升毛管水：指在毛管力的作用下沿土壤毛细管上升而保持在毛管孔隙中的水分。在接近地下水面的土壤中，地下水借毛管作用可以上升而进入土壤，这种沿毛管上升的水分称为毛管上升水。土壤的种类不同，毛管上升水所能上升的高度亦有所差别，在黄土地区一般最高可达200厘米以上。毛管水是由毛管孔隙中水分弯月面的毛管力所保持的水分。悬着毛管水：当地下水埋深较大不受地下水补给时，由于毛管作用而在上层土壤细小孔隙中所保持的水分。在降雨或灌溉之后借毛管力保持在土壤中的水分，称为毛管悬着水。其特点是下面不与地下水相联系，在一段时间内，同下面的干土层有明显的界限。毛管悬着水达到最大数量时称为田间持水量或田间最大持水量。田间持水量也与土壤质地有关，质地越细，田间持水量越大。土壤水分常数：吸湿系数：土壤吸湿水达最大数量时称为吸湿系数。凋萎系数：当作物发生永久性凋萎时的土壤水分含量，即称为凋萎点或凋萎系数。最大分子持水量：薄膜水达到最大值时的土壤含水率称为土壤的最大分子持水量。田间持水量：毛管悬着水达最大值时的土壤含水率常被称为田间持水量，表示重力水与毛管水的分界线。毛管断裂含水量：土壤中的毛管悬着水减少到其连续状态受到破坏而断裂时的含水量。毛管持水量：土壤中所有毛管都充满水时含水量。全持水量：即饱和含水量。各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力风干最大吸湿量凋萎含水量最大分子持水量毛管断裂含水量田间持水量饱和含水量吸湿水水分存在形式薄膜水毛管水重力水结合水自由水作用力15分子力毛管力重力10000316.25个大气压0.30.001农田土壤水分存在的基本形式---能量法土水势Ψ可表示为：Ψ=Ψg+Ψm+Ψp+Ψs+ΨT式中：Ψg，Ψm，Ψp，Ψs，ΨT分别表示重力势、基质势、压力势、溶质势和温度势。但一般情况下，由于非饱和土壤中，Ψp=0，而Ψs与ΨT对土壤水分运动的影响都可忽略，故上式常被简化为：Ψ=Ψg+Ψm土水势（soilwaterpotential）：土壤水分所具有的势能，表示在土壤和水的平衡系统中，恒温条件下将单位质量的水移动到标准参照状态的纯自由水体所做的功。重基质势（matricpotential）：又称基膜势，系土壤基质对水分的吸持作用引起，水和土壤骨架之间的毛管力和吸附力将土壤水束缚在土壤中，为了克服这种吸持作用，将土壤水移动到标准参照状态（自由水，无束缚），必须对土壤水所做的功称为土壤水的基质势。温度势（temperaturepotential）：由于温度场的温差引起，土壤中任一点土壤水分的温度势由该点的温度与标准参照状态的温度之差所决定。压力势（pressurepotential）：由压力场中的压力差引起，常将标准参照状态下的压力定义为标准大气压或当地大气压，相对于大气压力所存在的势能差为压力势。重力势（gravitationalpotential）：将单位数量的土壤水从某一点移动到标准参照状态（或参考状态）水平处，而其他各项维持不变时，土壤水所做的功即为该点土壤水的重力势。溶质势（osmoticpotential）：系由于可溶性物质（如盐类）溶解于土壤溶液中，降低了土壤溶液的势能所导致，由于溶质对水分子具有吸引力，将水分移动到标准参照状态（纯自由水）时，必须对土壤水做功，这种溶液与纯自由水之间存在的势能差即称为溶质势。2．土壤含水量的测定和表示方法土壤含水量又称土壤含水率，是衡量一定量的土壤中所含水分的多少。体积含水率（又称容积含水率）：单位体积土壤中土壤水所占的比例；质量含水率（又称重量含水率）：单位质量土壤中土壤水所占的比例；饱和度：土壤水的体积与土壤孔隙体积的比值，表示孔隙被水充满的程度。土壤水分测定的直接法直接法通过测量从土中移去的水分确定含水量。直接法又可又为烘干法与各种去水法，其共同特点是需要采取土样并移去其中的水量。这对于要长期进行频繁监测土壤水分的场所来说，不仅劳动繁重，而且对试验环境条件有很大的破坏。但直接法，特别是其中的标准烘干法，设备简单，方法易行，并有较高的精度，常作为评价其它方法的标准。因此，在非长期定点测定的地方，它仍然是不可代替的。土壤水分测定的间接法间接法是通过对土壤的某些物理与化学性质的测定来确定土壤含水量的方法。它的特点是不需要采取土样，因而不扰动土壤，且可以定点连续测含水量的变化，便于进行与土壤水分动态有关的各种研究。间接法又可分为非放射性方法和放射性方法两类。间接法中的非放射性方法主要是根据土壤含水量大小对土壤的电学特性(电容、电阻、介电常数等)、导热性、土壤内部吸力、土壤表面的微波反射等物理与化学特性的影响来间接测定土壤含水量。此外，为了将土壤所含实际水量与降雨量、蒸发量进行比较，常需要将一定深度土层中的含水量换算成水层深度（mm），换算公式如下：水层厚度（mm）=土层厚度（mm）×土壤含水量（体积比）=土层厚度（mm）×土壤含水量（重量比）×土壤干容重由于灌水量常用m3/667m2或m3/ha来表示，为了便于比较和计算，常用水的体积来表示土层内的储水量：m3/667m2=1.5mm水层厚度（mm）=1.5×储水量（m3/667m2）水层厚度（mm）=10×储水量（m3/ha）3.土壤水分对作物生长的有效性土壤水分对作物生长的有效性是指土壤水分是否可被作物利用及其被利用的难易程度。土壤水分对作物生长有效性主要取决于其存在的形态、性质和数量、土水之间的吸力，以及作物根系吸水力与土粒吸水力之差。当土壤中的水分不能满足作物需水时，作物蒸腾大于根系吸水，作物便会呈现缺水状态，缺水严重时会呈现凋萎。土壤水分特征曲线受多种因素的影响，不同质地土壤，其土壤水分特征曲线差异明显。如图所示，同一吸力时，各种土壤含水率不同，同一含水率时，各种土壤吸力不同；说明植物从这些土壤中要吸收水分的难易程度就不同。3.土壤水分对作物生长的有效性由于作物所需的水分是通过根系吸收土壤中的水分而得到的，对于不同的作物、同一作物不同生育期对农田水分状况的要求是不一样的。旱作物要求农田具有适宜的含水率，对水稻而言则要求农田具有适宜的淹灌水层。(1)．旱作物对农田水分状况的要求农田的地面水和地下水必须适时适量地转化为作物根系吸水层的土壤水分，才能被作物吸收利用。为使作物生长不受涝渍的危害，通常地面不允许积水，地下水位不允许上升至根系吸水层内。因此，地下水位必须维持在根系吸水层以下一定深度处，此时地下水可通过毛细管作用上升至根系吸收层，供作物利用。在作物根系吸水层中，作为有效水分的毛管水最容易被旱作物吸收，也是对旱作物生长最有价值的水分形式。所以，旱作物根系吸水层中允许的平均最大含水率，一般为根系吸水层中的田间持水率。根系吸水层的土壤含水率过低，对作物生长将造成直接影响。当根系吸水层的土壤含水率下降到使作物发生永久性凋萎时的含水率称为凋萎系数。凋萎系数不仅决定于土壤性质，它还与土壤溶液浓度、作物种类和生育期有关。根据以上所述，旱作物田间(根系吸水层)允许平均最大含水率不应超过田间持水率，最小含水率不应低于作物适宜的土壤含水率下限指标(常采用毛管断裂点)。通常情况下，应在研究水分状况与其它生长要素之间的最适关系的基础上，总结实践经验，并与先进的农业增产措施相结合来确定旱作物生长所必须的田间适宜含水率范围。土壤溶液的渗透势随土壤溶液浓度(盐分浓度、养分浓度)的变化而变化。使土壤溶液浓度不超过作物在各个生育期所容许的最高值是确定根系吸水层土壤最低含水率的一个重要指标。以盐渍土为例，根系吸水层内土壤含水率应不小于：式中：S为根系吸水土层中易溶于水的盐类数量(占干土重的百分数)；C为允许的盐类溶液浓度(占水重的百分数)；为按盐类溶液浓度要求所规定的最小含水率(占干土重的百分数)。3.土壤水分对作物生长的有效性2）．水稻地区的农田水分状况水稻是喜湿好水作物，采用淹灌方法。因此，稻田水分存在的形式与旱作农田水分存在的形式也不相同。除烤田外田面经常有水层存在，并不断地向根系吸水层中入渗，供给水稻根部充足的水分。从水稻生理要求来看，除萌芽与蜡熟期最适宜的水分状况为田间持水率的70％-80％外，其余各时期都要求土壤水分达到饱和才能满