作物需水量和灌溉制度

主讲教师：谭军利博士宁夏大学土木与水利工程学院2012年9月农业水资源利用与管理作物需水量和灌溉制度内容提要作物需水量（概念及计算方法）作物灌溉制度（充分灌溉）灌溉用水量灌水率第一节作物需水量灌排工程规划、设计、管理的依据为什么要学习作物需水量？？？水资源规划和开发利用的必需资料植株蒸腾株间土壤蒸发深层渗漏农田水分消耗的途径田间渗漏：水稻田的渗漏植株蒸腾和株间土壤蒸发合称为腾发，两者消耗的水量合称为腾发量，通常把腾发量称为作物需水量。灌溉需水量：除降雨之外而获得期望的作物产量和品质并使作物根区保持适宜的盐分平衡所需的灌溉水量或水深。《美国国家灌溉工程手册》P59气象条件影响作物需水量的影响因素作物特性土壤性质气温高、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；地面覆盖、采用滴灌、水稻控灌等能减少作物需水量。含水量大，砂性大，则需水量大（棵间蒸发大）农作物技术措施作物需水规律中间多，两头少；开花结实期需水量最大存在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。了解作物需水临界期的意义：合理安排作物布局，使用水不至过分集中；在干旱情况下，优先灌溉正处需水临界期的作物。请你选择你熟悉的一种作物，通过图书馆及中国知网查阅相关文献，就这种作物的需水规律写一篇1000字的论文，并列出你引用的文献。课后作业一、直接计算需水量的方法1、以水面蒸发为参数的需水系数法(简称“α值法”或称蒸发皿法)ET=αE0(2-1)ET=aE0+b(2-2)ET—某时段内的作物需水量，以水层深度mm计；E0—与ET同时段的水面蒸发量，以水层深度mm计。一般采用80cm口径蒸发皿的蒸发值；a，b—经验常数；α—需水系数，或称蒸发系数，为需水量与水面蒸发量之比值。“α值法”只要水面蒸发量资料，易于获得且比较稳定，适宜水稻等作物，不适宜于旱作物。水面蒸发皿的规格、安设方式及观测场地规范化注意非气象条件(如土壤、水文地质、农业技术措施、水利措施等)对а值的影响注意事项2．以产量为参数的需水系数法(简称“K值法”)ET—作物全生育期内总需水量，m3／亩；Y—作物单位面积产量，kg／亩；K—以产量为指标的需水系数。ET=KY公式，则K代表单位产量的需水量，m3／kg；n、c—分别为经验指数和常数，可以通过试验确定。ET=KY（2-3）ET=KYn+c(2-4)对于旱作物，在土壤水分不足而影响高产的情况下，需水量随产量的提高而增大，用此法推算较可靠。对于土壤水分充足的旱田以及水稻田，需水量主要受气象条件控制，产量与需水量关系不明确，用此法推算的误差较大。模系数法ETi=KiET/100（3-5）K=ETi/ET如何估算各生育阶段需水量先确定全生育期作物需水量，然后按照各生育阶段需水规律，以一定比例进行分配。ETi—某一生育阶段作物需水量；Ki—需水量模比系数，即生育阶段作物需水量占全生育期作物需水量的百分数参照作物需水量ET0指土壤水分充足、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔(地块的长度和宽度都大于200m)矮草地(草高8～15cm)上的蒸发量，一般是指在这种条件下的苜蓿草的需水量而言。二、通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量的方法参照作物需水量主要受气象条件的影响，所以都是根据当地的气象条件分阶段(月和旬)计算。计算ET0；计算思路根据作物系数Kc对ET0进行修正即可求出作物的实际需水量ET；ET=KcET0作物实际需水量则可根据作物生育阶段分段计算。其基本思想是：将作物腾发看作能量消耗的过程，通过平衡计算求出腾发所消耗的能量，然后再将能量折算为水量，即作物需水量。如果能在农田中测算出腾发消耗的总热量，便能由此推算出相应的作物需水量的数值。(一)参照作物需水量的计算英国的彭曼(Penman)公式是1948年提出来的，后来经过多次的修正。1979年，联合国世界粮农组织对彭曼公式又作了进一步修正，并正式认可向各国推荐作为计算参照作物需水量的通用公式。1000ppEaRnppET参照作物需水量海拔高度影响温度函数的改正系数，p0为海平面的平均气压，p为计算点的平均气压标准大气压下的温度函数，其中△为平均气温时饱和水汽压随温度之变率dea/dt，ea为饱和水汽压，t为平均气温，γ为湿度计常数γ=0.66hPa/℃太阳净辐射干燥力，Ea=0.26(1+0.54u)(ea-ed)。ea为饱和水汽压，ed为当地的实际水汽压，u为离地面2m高处的风速Penman-Monteith公式估算参考作物蒸发蒸腾量，并根据公式的要求，对参考作物蒸发蒸腾量做了新的定义参考作物蒸发蒸腾量：假设作物高度为0.12m，固定的叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面且不缺水的绿色草地的蒸发蒸腾速率。FAO-56推荐使用的公式形式为)34.01()(273900)(408.0220aseeTGRnET饱和水汽压ea与温度曲线的斜率，kPa/℃干湿表常数，kPa/℃2m高处平均风速，m/s作物表面的净辐射，MJ/（m2.d)土壤热通量，MJ/（m2.d)平均日或月气温，℃饱和水汽压，kPa实际水汽压，kPaET=Kc(ET0)Kc—作物系数。(二)实际需水量的计算作物需水系数Kc不仅随作物而变化，更主要的是随作物的生育阶段而异。生育初期和末期的Kc较小，而中期的Kc较大。生育阶段播种～越冬越冬～返青返青～拔节拔节～抽穗抽穗～灌浆灌浆～收获全生育期Kc0.860.480.821.001.160.870.87山西省冬小麦作物需水系数Kc值农作物的灌溉制度是指作物播种前(或水稻栽秧前)及全生育期内的灌水次数、每次的灌水日期和灌水定额以及灌溉定额。第二节作物灌溉制度灌水定额(m):一次灌水单位灌溉面积上的灌水量;灌溉定额(M):各次灌水定额之和;单位：(1)m3／667m2=m3/亩；(2)mm定义：灌溉供水能够充分满足作物各生育阶段的需水量要求而设计制定的灌溉制度。一、充分灌溉条件下的灌溉制度确定方法：总结群众丰产灌水经验根据灌溉试验资料制定灌溉制度按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度（一）水稻灌溉制度水稻本田的灌溉制度，可分别针对泡田期和插秧以后的生育时期进行设计。泡田定额的目的（M1）使一定土层达到饱和时所需水量建立插秧时田面水层深度泡田期的田间渗漏量和田面蒸发量1、泡田期的灌溉用水量的计算M1=0.667（h0+S1+e1t1-P1）泡田定额取决于土壤、地势、地下水埋深和犁耕深度等因素。一般h0=30~50mm。土壤质地地下水埋深大于2m地下水埋深小于2m粘土和粘壤土50~80中壤土和沙壤土80~12070~100轻沙壤土100~16080~130泡田定额：m3/亩生育期灌溉制度的制定1）按照各地试验资料，合理写出水稻不同生长阶段的适宜淹灌水层的上限（hmax）和下限（hmin）2）根据生育期任何一个时段t的农田来水与耗水，用水量平衡方法确定各时段的灌溉制度。水量平衡方程式如下h1+P+m–WC–d=h2m=hmax-hminhminhmaxHphminhmaxhp例题，见教材P55.泡田定额为80m3/亩水稻生育期灌溉水量为227m3/亩总灌溉定额为307m3/亩（二）旱作物灌溉制度通常以作物主要根系吸水层作为灌水时的土壤计划湿润层（H），并要求该土层内的储水量能保持在作物所要求的范围内。ETETETmP0K1、水量平衡方程Wt-W0=Wr+P0+K+M-ET式中：Wt,W0—时段初和任一时间t时的土壤计划湿润层内的储水量；Wr—由于计划湿润层增加而增加的水量；P0—保存在土壤计划湿润层内的有效雨量K—时段t内的地下水补给量，即K=kt；M—时段t内的灌溉水量；ET—时段t内的作物田间需水量，即ET=et，e为t时段内平均每昼夜的作物田间需水量。mm或m3/亩任一时段内土壤计划湿润层的储水量必须经常保持在一定的适宜范围内，处于Wmin~Wmax之间。当无有效降雨时，计划湿润层中的储水量由于作物的消耗接近于Wmin，此时需要进行灌溉，补充水量。Wmin=W0–ET+K则，推算出开始进行灌水时的时间间距t=(W0-Wmin)/(e-k)而这一时段末灌水定额mm=Wmax-Wmin=667nH（θmax–θmin)m=Wmax-Wmin=667H（θ′max–θ′min)式中m—灌水定额，m3/亩；H—该时段内土壤计划湿润层深度，m；n—计划湿润层内土壤的空隙率（以占土壤体积的%计）2、基本资料的收集(1)土壤计划湿润层深度(H)是指在旱田进行灌溉时，计划调节控制土壤水分状况的土层深度。(2)土壤最适宜含水率及允许的最大、最小含水率适宜含水率因作物种类、生育阶段的需水特点、施肥情况和土壤性质(包括含盐状况)等因素而异；采用θmax=θ田，θmin为凋萎系数(3)降雨入渗量(P0)指降雨量(P)减去地面径流损失(P地)后的水量，P0=P-P地(2-15)降雨入渗量也可用降雨入渗系数来表示：P0=αP(2-16)α—降雨入渗系数，其值与一次降雨量、降雨强度、降雨延续时间以及土壤性质、地面覆盖及地形等因素有关。一般认为一次降雨量小于5mm时，α为0；当一次降雨量在5～50mm时，α约为0.1.～0.8；当次降雨量大于50mm时，α=0.7～0.8。(4)地下水补给量(K)地下水补给量系指地下水借土壤毛细管作用上升至作物根系吸水层而被作物利用的水量，其大小与地下水埋藏深度、土壤性质、作物种类、作物需水强度、计划湿润土层含水量等有关。(5)由于计划湿润层增加而增加的水量(WT)在作物生育期内计划湿润层是变化的，由于计划湿润层增加，可利用一部分深层土壤的原有储水量，WT可按下式计算：WT=667γs(H2－H1)θ′/γw或WT=667(H2－H1)nθ式中：H1—计划时段初计划湿润层深度，m；H2—计划时段末计划湿润层深度，m；θ—(H2-H1)深度的土层中的平均含水率，以占孔隙率的百分数计，一般θθ田；n—土壤孔隙率，以占土体积的百分数计；θ´—同θ，但以占干土重的百分数计；γs、γ水—分别为土壤干容重和水的容重，t／m3。3、旱作物播前的灌水定额(M1)的确定M1=667γsH（θmax－θ0)/γwH—土壤计划湿润层深度(m)，应根据播前灌水要求决定；n—相应于H土层内的土壤孔隙率，以占土壤体积百分数计；θmax—一般为田间持水率，以占孔隙的百分数计；θ0—播前H土层内的平均含水率，以占孔隙率的百分数计；θ′max、θ′0—同θmax、θ0，但以占干土重的百分数计。灌水率：灌区单位面积(例如以万亩计)上所需灌溉的净流量q净又称灌水模数。作用：计算灌区渠首的引水流量和灌溉渠道的设计流量。单位：m3/(s/104×667m2)第三节灌水率设计方法：灌水率q净应分别根据灌区各种作物的每次灌水定额，逐一进行计算。设灌区面积为A（亩），种有甲、乙、丙…种作物，面积各为α1A、α2A、α3A、…；α1、α2、α3…分别为各种作物的种植面积占灌区面积的百分数。作物甲的各次灌水定额分别为m1、m2、…、mn(m3/亩），要求各次灌水在T1、T2、…、Tn昼夜内完成，则对于甲作物，各次灌水所要求的灌水率为第i次灌水时qi，净=α1mi/8.64Ti（3-65）则对于乙作物，各次灌水所要求的灌水率为第i次灌水时qi，净=α2mi/8.64Ti（3-66）其中T1、T2、…、Tn均为灌水延续时间，以d计。对于自流灌区，每天灌水延续时间一般以24h计；对于抽水灌区，则每天抽灌时间以20~22h计，则式中系数8.64均相应地改为7.2~7.92.我国各地主要作物灌水延续时间大致如下：水稻：泡田期灌水7-15昼夜，生育期灌水3-5昼夜。小麦：播前灌10-20昼夜；拔节后灌水10-15昼夜。棉花：苗期、花铃期8-12昼夜，吐絮期8-15昼夜。