作物生产与水分管理原理

第三章作物与水第一节作物的水分环境一、植物的水分代谢（一）植物的含水量100鲜重所含水分的质量含水量％（二）水分存在的状态自由水：不受细胞原生质和渗透溶质的吸收或很少吸收，能在植物体内自由移动，并起到溶剂的作用。Freewater束缚水：被原生质胶体颗粒紧密吸附存在与大分子结构空间的水，他们在植物体内不能移动，不起溶剂作用。自由水参与植物体内的各种代谢反应，而且其数量多少直接影响着植物的代谢强度(如光合、呼吸、蒸腾和生长等)。而束缚水不参与代谢活动，但它与作物的抗性有关。细胞中自由水和束缚水比例的大小往往影响作物的代谢强度。自由水占总含水量的比率越高，则代谢越旺盛。当植物处于不良环境如干旱、寒冷等时，一般束缚水的比率较高，代谢强度变弱，作物抵抗不良环境的能力增强。Boundwater（三）水分的作用1、是原生质的重要组成部分。2、是作物代谢过程中重要的反应物质。3、是作物体内各种物质代谢的介质。4、能保持作物固有姿态。5、能有效降低作物的体温。二、水分循环（一）水分循环过程地球全部水体总储量达13.86×108km3，其中海洋水量为13.38×108km3，占总水量的96.5％；在剩余的3.5％淡水资源中，其中有69.6％分布于冰川、多年积雪、两极和多年冰土中，在现有的技术条件很难利用，便于人类利用的淡水只有0.1065×108km3，占淡水总量的30.4％，全球总水量的0.768％。三种分配方式：①水汽的垂直和水平输送②海洋流③河流（二）空气湿度的表示方法1、绝对湿度（AbsoluteHumidity）—水汽密度单位体积空气所含的水汽质量。2、水汽压（Watervapourpressure）—（Pa）空气中水汽所产生的压强。饱和水汽压和非饱和水汽压3、相对湿度（RelativeHumidity）空气中实际水汽压与当时温度下空气的饱和水汽压之比。100HeRE％4、露点温度（dew-pointtemperature）空气中水汽含量和汽压不变的条件下，降低气温使空气达到饱和时的温度。在气压不变的条件下，露点温度的高低只与空气中水汽含量有关。水汽含量越多，露点温度越高，故td又表示水汽含量多少的物理量。一般情况下，空气未饱和，td低于当时的气温，若达到饱和，则刚好等于当时的气温。三、农田的水分平衡在自然条件下，农田水分收入是降水（雨、雪、露），主要支出是土壤蒸发和作物蒸腾，在作物整个生长过程中，使二者处于动态平衡过程。第二节作物体的水分平衡一、自由能与水势1、自由能（FreeEnergy）在恒温恒压下，体系能做有用功的那部分能量。2、水势①水的化学势（）（ChemicalPotential）在恒温恒压及体系其他组分不变的条件下，当加入1mol水所引起的自由能的变化。w由于水化学势绝对值无法计算，常采用水的化学势与同条件下纯水的化学势之差来表示，即0②水势（ψm）(WaterPotential)每偏摩尔体积水的化学势差.mmmmmmVV0Vm—在温度、压力及其他组分不变的情况下，在无限大的体系中加入1mol水时，对体系体积的增量（有效体积）。纯水的自由能最大，水势也最高，其值定为0。水分从水势高处流向水势低处。1mol蔗糖液水势为-2.69MPa1molKCl溶液水势为-4.5MPa海水的水势约为-2.5MPa二、根系吸水（一）吸水区域一般认为根尖是吸水的主要区域。在根尖，位于伸长区后的根毛区表皮细胞凸起，形成大量根毛，增加了吸收表面积，从而增加了吸水的能力。（二）根系对水分的吸收1、被动吸水（passiveabsorptionofwater）枝叶蒸腾产生蒸腾拉力，引起根部吸水，所以受植物蒸腾强度的直接影响。2、主动吸水（activeabsorptionofwater）根系的代谢过程而引起吸水，从而表明根压的存在。被动吸水为主要的吸水方式。3、根压存在的现象（1）伤流（Bleeding）把植物从基部切断或植物受到创伤时，就会从断口或伤口处溢出液体。若在切口上套一根橡皮管，再与压力计相连接，就可测定出伤流液从伤口流出的根压大小。（2）吐水（Guttation）在土壤水分充足，空气比较潮湿的环境中生长的植物，其叶片可直接向外溢流水分。（三）影响条件1、土壤水分（有效水和无效水）田间持水量：在自然条件下，土壤中毛管水达到最大量时的土壤含水量。它作为有效水量的上限。萎蔫系数：作物产生永久凋萎时的土壤含水量。它作为有效水量的下限。有效水（％）=田间持水量（％）—萎蔫系（％）2、土壤温度不适宜的低温与高温对根系吸水均产生极为不利的影响。例如，夏季雷雨转晴后，番茄等植物很容易萎蔫，具原因在于降雨使土温剧降，转晴又使叶温骤升，结果使根系吸水速度显著低于叶片蒸腾速率。中国素有“午不浇园”的经验，正是考虑到高温影响根系吸水。3、通气状况若水分过多，则通气不良，CO2浓度累积造成无氧呼吸，产生酒精，使根系中毒，吸水能力下降，从而造成涝害。若水分过少，则通气良好，但水势过低，根系难于正常吸收水分，导致植物缺水，影响生长。4、土壤溶液浓度一般情况下，土壤溶液浓度较低，水势较高，根系能够正常吸水。根部细胞水势必须低于土壤溶液水势，根系才能从土壤中吸水。所以，生产中施用化肥时要适量，以免土壤溶液浓度过高，根系吸水困难，发生烧苗现象。三、蒸腾作用（Transpiration）（一）含义水分以气体状态通过植物体的表面从体内扩散到大气中的过程。（二）生理意义1、植物水分吸收和运输的主要动力；2、矿质营养吸收和运输的主要动力；3、能够维持植物的适当体温；4、有利于光合作用。（三）指标1、蒸腾速率（强度）g/（m2.h）单位叶面积在单位时间内蒸腾散失水分的数量。白天较高，一般为15—250g/（m2.h）夜间较低，为1—20g/（m2.h）2、蒸腾效率（比率）g/kg植物每蒸腾1kg水所形成的干物质的克数。3、蒸腾系数（需水量）g/g植物每制造1g干物所消耗水的克数。saaisrrCCE（三）影响因素1、内部因子气孔阻力：气孔的开张和关闭影响气孔阻力2、外部因子①光照（最主要的外界条件）②温度③CO2浓度④风速（四）降低蒸腾作用的途径(1)减少蒸腾面积苗木移栽时，适当去除部分枝叶，减少蒸腾面积降低蒸腾失水量，可提高移栽的成活率。(2)降低蒸腾速率苗木移栽时，选择合适的时间，避开强光照、温度高的中午，在午后或阴天进行移栽。也可采用遮荫、喷水增加空气湿度等办法降低蒸腾(3)使用抗蒸腾剂某些能降低植物蒸腾速率而对光合作用和生长影响不大的物质称为抗蒸腾剂（antitranspirant）在特别干旱时，可使用一些抗蒸腾剂喷洒于作物叶面，使气孔开度变小，减少蒸腾。也可使用一些能够反射阳光的药剂(如高岭土)，喷于叶面后，可增加叶面对光的反射，降低叶温，减少蒸腾。四、SPAC（一）SPAC系统中水分的运输途径从土壤经作物到大气的水流，可以当成一个物理的、统一的动态过程，称为SPAC。土壤水向根表皮的流动。水由根表皮至根木质部的流动。水由根、茎木质部至叶的流动。水在叶细胞间隙的汽化。水蒸气通过气孔扩散到近叶面的空气层。水蒸气运动到外部大气。（二）土水势、根水势、叶水势相互关系（三）水流的基本规律由水势高流向水势低处，与水势成正比，阻力成反比。假如水分供应充足，在短时间内复合系统中的水流可以看作是一个恒定的水流，即植物的蒸腾、输水、吸水速率相等，在一定的时间间隔内，通过每一环节的水量是相等的。nntrrrrdtdJ2211假想通过作物的水分运输途径中的策动力与相对阻力rn土壤水到根-1.5×1051.0根到叶-18×10512.0叶到空气（20℃，RH=50％）-915×105602.0n系统中任何一部分的阻力增大，其水势梯度也必然增大五、作物体水分平衡的调节水分进入与水分丧失之间的平衡称为水分平衡。该平衡是处于正负值之间的动态平衡中。调节机构：气孔根系第三节水的生物学效应一、作物的需水规律（一）作物的需水特性1、蒸腾系数蒸腾系数越大，作物利用水分的效率越低。2、不同作物具有不同的需水量3、生理过程随着蒸腾强弱而变化4、同一作物在不同的生育期需水量不同生育初期果实膨大期（二）水分临界期1、对水分最敏感的时期，即由于水分的缺乏或过多，对产量影响最大的时期，叫做某作物的水分临界期。水分临界期不一定是作物需水量最多的时期。2、品种不同，水分临界期不同持续的时间越短，适应不良水分条件能力越强。3、一般说来，植物的水分临界期是花粒母细胞四分体形成期，在这一时期植物体内各种代谢活动旺盛。细胞原生质黏性与弹性均下降，细胞液浓度很低，吸水力也小，抗旱能力最弱。如果这个时期供水不足，则导致生殖器官发育不良。水分临界期，作物不但对缺水量敏感，而且还由于生长较快，使水分利用率较高。由于水分临界期对作物产量形成影响非常大，所以特别注意保证水分临界期的水分供应。（三）最大需水量最大需水期是指植物生活周期中需水最多的时期。不同植物最大需水期出现的时期不向。例如大豆的最大需水量是开花—鼓粒期，约占其一生总需水量的45％—50％。这一时期是大豆营养生长与生殖生长同时并进的时期，光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、物质吸收转化与运输分配均达到高峰，干物质积累迅速增加。这一时期田间持水量应保持在80％左右。（四）作物对水分适应的生态类型1、对土壤湿度的要求分类(1)要求土壤湿度高，消耗水分多；(2)要求土壤湿度较高，但消耗水分很少，并能忍耐较低的空气湿度；(3)要求土壤湿润，但消耗水分较多；(4)适应于较低的土壤湿度，而且水分消耗也少；(5)生长在水中，消耗水分极多。2、根据作物对空气湿度的要求分类（1）适于85—95％空气相对湿度（2）适于75—85％空气相对湿度（3）适于55—75％空气相对湿度（4）适于45—55％空气相对湿度二、水的生物学效应（一）种子发芽期种子发芽期只发生物质的转变，而不发生物质的同化。（二）营养生长期幼苗期植株叶面积小，需水量较少，但随着植株的生长，叶面积的增大，干物质的积累以及各种生理活动的需求，需水量会逐渐增加。（三）开花结果期需求较为严格，水分缺乏时，叶片失水，从吸水能力小的部位（幼芽、幼根、根毛）吸水，从而引起落花，落果。如果水分过多，促使茎叶陡长，而花果得不到足够的水分也易落花、落果,故生产上要求“浇荚不浇花”。每处理10株总花数土壤湿度的影响果实膨大期水分不足，果实膨大受阻，品质下降。105104三、旱涝对作物生长发育的影响（一）旱灾1、类型土壤干旱、大气干旱和生理干旱土壤干旱：在长期无雨或少雨的情况下，土壤含水量少，土壤颗粒对水分的吸收力加大，植物根系难以从土壤中吸收到足够的水分来补偿蒸腾的消耗．造成植株体内水分收支失去平衡，从而影响生理活动的正常进行，植物生长受抑制，甚至枯死。大气干旱：空气干燥、大气蒸发力强促使植物蒸腾过快，根系从土壤吸收的水分难以补偿，水分收支失衡而造成的危害。生理干旱：是由于土壤环境条件不良，使根系的生理活动遇到障碍，导致植物体内水分失去平衡而发生的危害。例如作物被淹根系缺氧不能正常吸收水分而发生萎蔫；盐碱地常因幼苗根系渗透压低于土境溶液而不能吸收水分。2、危害(1)各部位间水分重新分配。(2)改变各种生理过程。(3)蛋白质含量减少。干旱对作物的伤害，一般不会导致植株死亡，但是在高温和迅速干旱时，可能对作物产生直接伤害导致作物死亡。（二）涝害1、类型①洪涝由于暴雨、长期持续阴雨或冰雪大量融化，引起山洪爆发、江河泛滥、淹没农田。②渍害(湿害)由于长期阴雨，或因地势低洼排水不畅，使土壤长期处于水分过饱和状态，土壤透气性不良，温度过低，作物根系缺氧受到伤害，造成作物生长发育受阻或死亡的现象。2、危害①水分过多，土壤缺氧，使植物根系的有氧代谢受阻，形成还原性有毒物质，最终引起植物受害；②CO2积累，抑制好氧性细菌的活性，促进嫌气性细菌的存活，造成有机质不能彻底分解，产生甲酸、乙酸、硫化氢等有毒物质，抑制根系呼吸代谢，最后导致死亡。③养分失效或流失。第四节