第4章水分含量对农业生产的影响XXXX1110

第四章水分条件与农业生产主要内容§1水的农业意义§2土壤—植物—大气水分循环系统§3土壤—植物—大气系统水分传输§4水分与作物生长发育及产量形成§5土壤水分调控技术本章重点与难点本章重点：土壤水分常数、土壤水势、作物需水量、蒸散、作物水分临界期与关键期、土壤水分滞后现象等基本概念，“土壤―植物―大气”系统水分传输、农作物需水规律、土壤水分特征曲线、土壤水分有效性分析，土壤水分调控技术。本章难点：土壤水分常数、土壤水势、蒸散、作物水分临界期与关键期。主要内容§1水的农业意义§2土壤—植物—大气水分循环系统§3土壤—植物—大气系统水分传输§4水分与作物生长发育及产量形成§5土壤水分调控技术(A)水分对农业的重要性(i)全球只有1%的淡水资源，其中98%的淡水是地下水，只有2%存在于江河、湖泊。人口与降水的分布不均，导致了水资源短缺。(ii)降水对全球粮食生产的贡献约为65%，剩下的35%粮食来源于灌溉水的贡献。在全球大部分地区，降水不能满足作物生产的需要，至少在某些年是这样，所以雨养农业收到降水年际变动的严重制约。“有收无收在于水”一、水的重要性与特性(A)水分对农业的重要性(i)全球只有1%的淡水资源，其中98%的淡水是地下水，只有2%存在于江河、湖泊。人口与降水的分布不均，导致了水资源短缺。(ii)降水对全球粮食生产的贡献约为65%，剩下的35%粮食来源于灌溉水的贡献。在全球大部分地区，降水不能满足作物生产的需要，至少在某些年是这样，所以雨养农业收到降水年际变动的严重制约。“有收无收在于水”一、水的重要性与特性图1玉米的产量与可用水之间的关系图2生态系统生产力与年降水量的关系(iv)灌溉是确保作物增产和稳产的一种明显的选择。在过去30年来，全球的灌溉面积在不断增加，地下水被过度地开采了。(v)随着水资源的短缺，劣质水的使用不断增加。农业水资源的科学管理和应用成为国家和全球的优先考虑的方面。(iii)在多数国家，60-80%的总开发水量用于农业，在干旱和半干旱地区的国家高达80%。(B)植物体内水分含量和状态①植物类型：水生90%陆生40-90%旱生~6%②生长环境：阴生植物阳生植物③不同的器官：幼嫩的茎尖和根尖90%,功能叶70-90%,树干40-50%,休眠芽40%,风干的种子8-14%。(i)植物体内的含水量植物生长活力越高的部分，含水量越高。(ii)植株体内水分的状态自由水:植物细胞内可以自由流动的水束缚水：紧紧地束缚在细胞内，在植物体内不能自由移动，不能参与代谢，不能作为溶质，也不容易冻结。在植株的代谢活动、生长状况和运输阻力与自由水和束缚水的比例有关。•自由水和束缚水的比例越高，代谢越高，生长越快，阻力越低。(C)水在植物生命中的作用①原生质的组成成分水约占原生质的70-90%。②植物代谢活动的底物光合作用、呼吸作用、有机质的生物合成和降解都有水参加。③植物吸收和运转物质的溶剂④保持植株形状，维持膨压⑤调节和平衡植物与周围环境的温度•极性•极好的溶剂•热容量高•高的汽化潜热•凝聚性•粘附性•毛管现象•表面张力•抗张强度(D)水的独有特性二、水分从各方面对农作物生命活动产生影响1、水分是作物光合作用合成有机物质原料2、水分的多少影响着作物光合作用的强度3、水分作为介质还影响着作物光合作用过程中所需的矿物质营养元素的传输及光合产物向根、茎、花、果实等器官和组织的输送。4、水分供应作物蒸腾的需要，而蒸腾则调节着作物体温，还是植物根系从土壤中吸收水分和养分的动力之一，也在作物的整个生理过程中起着平衡作用。5、水分是植物组成的主要因素之一。充足的水分可保持作物细胞组织的紧张度，使植株茎叶挺直，并可保证植株有相当的表面来进行光合作用。6、水分是植株的最大组成部分。据测定，一般植株的含水量为鲜重的75～90%，水生植物甚至高达98%。7、水分的多少也影响着某些作物的授粉和病虫害的发生发展等。三、水分通过不同方式和形态对农作物的生命活动产生影响1、从方式上看，有大气水分和土壤水分。大气降水是土壤水分的主要来源，而土壤水分是水分供应的基础。大气中水汽含量不仅对某些作物有直接影响，同时还影响土壤水分消耗的状况，进而对作物产生影响。2、从形态上看，主要有液态水和固态水。液态水前面已作介绍。固态水除雪外，其它多给作物带来危害。但雪量过多也会对草地家畜带来十分不利的影响，有时甚至是致命的。四、水分通过水量的时间分配对农作物的生命活动产生影响不同作物在不同生育期对水分条件的要求不同，我国降水的季节分配不均，如果水分的季节性分配正好满足作物需要，就促进其生长发育，获得高产；如果分配不均，发生旱涝，便会抑制作物的生长发育，导致减产。主要内容§1水的农业意义§2土壤—植物—大气水分循环系统§3土壤—植物—大气系统水分传输§4水分与作物生长发育及产量形成§5土壤水分调控技术§2土壤-植物-大气水分循环系统主要内容：●定义●水分平衡●土壤水分的再分布●土壤水分类型●土壤水分常数一、定义大气水分以降水形式到达地面，经分配后进入土壤，大量的水分通过植物根系吸水经植物体运输到叶片，再由叶片中的液态水变为汽态水而输送到空气中。这种贯通土壤—植物—大气连续的水流可以直观的理解，称为土壤—植物—大气水分循环系统。土壤—植物—大气水分循环系统水分循环的动力，是植物的蒸腾作用。1、自然植被地水分平衡在土壤—植物—大气系统中，自然植被地的土壤水分平衡方程中主要包括输入项、输出项和贮存项。输入项：降水R毛管上升水Sg植物截留Ir输出项：植物蒸腾Ep土壤蒸发Es径流与排水q贮存项：植物体蓄水△Sp、土壤蓄水△Ss二、水分平衡因此，自然植被地水分平衡方程可写为：（R+Sg+Ir）-（Ep+Es+q）=△Sp+△Ss式中，从宏观的空间和时间来考虑，降水项非常重要。但在较短的时间和有限的范围内，非降水的作用就较为显著。而对农业生产而言，重点应考虑降水R、植被截留Ir、植物蒸腾Ep、土壤蒸发Es以及土壤蓄水量△Ss。2、农田土壤水分平衡计算和分析田间作物系统水分收支的目的是要弄清作物全生育期内或某一生育期水分供应条件，以确定作物灌溉量和生育期间土壤水分变化特点。土壤—植物—大气系统的水分循环状况见图4.1，该图确定了整个系统的水分输入量、输出量及状态变量，而田间作物系统的输入量还应考虑灌溉量。蒸发降水截留表面贮存径流入渗蒸腾土壤水分贮存潜流河道深层下渗地下水贮存地下水流动图4.1土壤—植物—大气系统水分循环示意图灌溉农田土壤水分平衡方程：（R+Sg+K）-（Es+Ep+q1+q2）+Wh-Wk=0式中，R为某时期内的降水量，Sg为毛管水上升量，K为该时期内的灌溉量，Es为土壤蒸发量，Ep为植物蒸腾量，q1为地表径流量，q2为地下径流量，Wh、Wk分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。Es+Ep称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可根据当地当时的具体情况略去。蒸发降水截留表面贮存径流入渗蒸腾土壤水分贮存潜流河道深层下渗地下水贮存地下水流动图4.1土壤—植物—大气系统水分循环示意图灌溉3、降水后的分配（1）截留●定义降水落到地面之前，首先被植物冠层截去的那部分降水。●影响因子植被类型和植被覆盖度；降水的强度和时间（教材P157图）。不同植物及同一种植物不同密度，截留量不同。计算时目前多大致估计，如农作物约5％，森林则相当于20一30%，降水量5mm时，一般全部被截留。图6截留量与降水量及降水持续时间的关系（2）下渗（渗透和渗漏）●定义降水经植物截留后剩余的水透过地表渗入到土壤中的过程称为渗透。●渗透系数下渗量（ƒ）渗透系数（μ）=———————降水量（R）●入渗速率式中，i为入渗速率；s为吸水率；t为时间；A为常数。●影响入渗速率的因子降水开始后的时间土壤初始含水量土壤性质土壤表面状况Asti2121影响入渗速率的因子:图8土壤初始含水量对入渗速率的影响包括降水开始后的时间、土壤初始含水量、土壤性质、土壤表面状况等。图9土壤初始含水量对入渗速率的影响图10土壤质地对入渗速率的影响图11土壤分层状况对入渗速率的影响●水分进入土壤的过程描述水分进入土壤包括两个相互穿插的过程。当干燥的土壤遇水以后，首先进行的是不饱和流动。当水分增加到一定量时，水分在重力的作用下，经粗孔隙向下渗透即进行饱和流动。而由于土壤中孔隙的分布不均匀，这两个过程不是完全相互孤立而是相互穿插的。（3）地表径流●定义降水落到地面，没有渗入土壤而从地表流走的那部分水量，称为地表径流。●影响因子降水强度坡度土壤表面状况●径流系数径流量（q）径流系数（σ）=———————降水量（R）（4）渗透、径流和降水的关系●渗透、径流和降水的关系从一次降水过程来看，渗透在降水之初就发生了，当入渗达到高峰之后，有径流产生，然后逐渐增大，在降水停止后，径流还将延续一段时间。具体见教材P159图。●农业意义径流量大不利，下渗量大有利。●减少径流量、增加下渗量的措施平整土地、翻耕、松土、种树种草等，都可减少径流量、增加下渗量，以防止水土流失，保护水土资源。三、土壤水分的再分布入渗作用结束后，水分在重力、吸力和温度梯度作用下，继续向较干的下层移动，这个过程称为土壤水分的再分布过程。土壤水分再分布的速率主要取决于再分布开始时土壤上层的湿润程度和下层土壤干燥程度。再分布速率与渗透速率一样，也是随着时间的后延而减小。(教材P162图)8/13/2019四、土壤水分类型1、土壤中水分的受力情况●重力。方向指向地心。●吸附力。方向指向土壤颗粒内部。●水分子之间的相互吸引力。可分为两种情况：1、位于水体内部的水分子，受到四周水分子平均的吸引力，平均合力为零；2、位于某一水体表层上的水分子要受到方向朝着水体内部单方面的吸引力，形成表面张力。●毛管力毛管壁与水分子之间的吸持力和毛管水面凹曲产生的表面张力。●渗透压力土壤中矿物质溶解于水形成溶液而产生的力。水分在土壤中主要受到这5种力的作用，使其能够保持在土壤中。2、土壤水分类型（1）吸湿水●定义指烘干的土壤从含有饱和水蒸气的空气中由吸附力吸附于土粒表面的水分。●影响因子空气相对湿度(最大吸湿量)土壤性质●性质具有固态水的性质，对植物来说是无效水。（2）毛管水毛管水是被表面张力以水膜形式吸附于土粒周围，由毛管水面凹曲产生的力所保持的水分。毛管水又分为薄膜水和毛管悬着水。毛管作用示意图（810p3141kPa）（0.001mmd0.1mm）a.薄膜水●定义当土壤的吸湿水达到最大量后，在吸湿水的外层所形成的一层膜状的液态水叫薄膜水。●影响因子土壤质地有机质含量土壤溶液浓度（盐碱地）●性质与液态水基本相似，但水分子受土粒吸持而排列较紧，难以被植物利用，称难有效水。b.毛管悬着水●定义为毛管力所保持又与地下水不相连通的水分称为毛管悬着水（1、毛管壁与水分子吸持力；2、水的表面张力）。●影响因子毛管力（因土壤孔隙直径大小而异）●性质毛管悬着水具有一般自由水的性质，是对植物最有效的土壤水分。（3）重力水●定义因重力大于土壤持水力而不能保持在土壤中的水分称之为重力水。●影响因子土壤性质●性质具有一般液态水的性质，但绝大多数没有机会被植物吸收利用。对旱作物来讲多则不利。图13三种土壤水分类型五、土壤水分常数1、定义土壤中的水分从受一种力的作用转到受另一种力的作用时的土壤水分含量叫做土壤水分常数。2、常用的土壤水分常数吸湿系数、凋萎系数、最大分子持水量、田间持水量、毛管断裂含水量、毛管蓄水量、全蓄水量。土壤水分含量的表示方法1．质量百分数：指土壤中水分质量占烘干质量的百分数湿土质量－烘干土质量土壤含水量﹙质量﹪﹚=—————————-----×100%烘干质量θg=mwater/msoil=(mwet−mdry)/mdry2.容积百分数：指土壤水分容积占土壤容积的百分数湿土重－烘干土重土壤含水量（容积﹪）＝——-------------×100%烘干土重/土壤容重＝土壤含水量﹙质量﹪﹚×容重θv=volumewater/volumesoil=(mwater/ρwater)/(msoil/ρsoi