《农田灌溉原理》PPT课件.ppt

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1、第一章 农田灌溉原理,水利与建筑工程学院农业水利工程系2006年5月,第一篇 灌溉工程,第二节 作物需水量与灌溉制度（1）,植株蒸腾：作物将根系从土壤中吸收的水分，通过叶片的气孔蒸腾到大气中的现象。棵间蒸发：植株间土壤或田面的水分蒸发。深层渗漏：旱地中由于降雨量或灌溉水量太多，使土壤水分超过了田间持水量，向根系吸水层以下土层渗漏的现象。,植株蒸腾棵间蒸发深层渗漏 或田间渗漏地表径流组成植株体的一部分,1作物需水量,农田水分消耗的途径,一、作物需水量与影响因素,第二节 作物需水量与灌溉制度,学习提纲,主要讲授：作物需水量、田间耗水量的概念，作物需水量的试验测定与估算方法、灌溉制度的制定。重点：作

2、物需水量的估算及灌溉制度的确定第一部分：作物需水量及影响因素 作物需水量的试验测定作物需水量的估算第二部分：灌溉制度的内涵及确定方法水量平衡法确定旱作物的灌溉制度 水量平衡法确定水稻的灌溉制度,第二节 作物需水量与灌溉制度,作物需水量：生长在大面积上的无病虫害作物，土壤水分和肥力适宜时，在给定的生长环境中能取得高产 潜力的条件下为满足植株蒸腾、棵间蒸发、组成植株体所需要的水量。在实际中由于组成植株体的水分只占总需水量中很微小的一部分(一般小于1%)，而且这一小部分的影响因素较复杂，难于准确计算，故人们均将此部分忽略不计，即认为作物需水量就等于植株蒸腾量和棵间蒸发量之和，即所谓的“蒸发蒸腾量”，

3、气象学、水文学和地理学中称为“蒸散量”或“农田总蒸发量”，国内也有人称之为“腾发量”。,1作物需水量,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,作物耗水量，简称耗水量：就某一地区而言，指具体条件下作物获得一定产量时实际所消耗的水量。作物需水量是一个理论值，又称为作物潜在蒸发蒸腾量，而作物耗水量是一个实际值，又称作物实际蒸发蒸腾量。作物需水量与作物耗水量的单位一样，常以m3 亩-1 或 mm 水层表示。,1作物需水量,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,1作物需水量,作物需水量包含生理和生态需水两个方面。作物生理需水：作物生命过程中各种生理活动（如蒸腾作用、光合

4、作用等）所需要的水分。植株蒸腾实际上是作物生理需水的一部分。作物生态需水：指生育过程中，为给作物正常生长发育创造良好的生长环境所需要的水分。棵间蒸发即属于作物的生态需水。,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,作物在不同生长阶段的需水规律为：随着作物的生长和叶面积的增加，需水量值也不断增大，在作物苗期，需水量值较小，当作物进入生长盛期，需水量增加很快，叶面积最大时，作物需水量出现高峰；到作物成熟期，需水量值又迅速下降。在整个作物的生育期内，植株蒸腾和棵间蒸发两者互为消长。每种作物都有需水高峰期，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，第一个高峰在分蘖期，

5、第二高峰在开花至乳熟期；大豆的需水高峰在开花结荚期；谷子的需水高峰为开花乳熟期；玉米为抽雄乳熟期。,1作物需水量,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,作物在不同生育时期对缺水的敏感程度不同，在作物整个生育期中通常把对缺水最敏感、缺水对产量影响最大的时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，例如小麦在拔节至抽穗期，棉花在开花至结铃期，玉米在抽雄至乳熟期，水稻为孕穗至扬花期等，在作物需水临界期缺水，会对产量产生很大影响。,1作物需水量,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,作物需水规律随作物

6、种类、品种、土壤、气候、生产力水平等诸多因素而变化，应结合各地情况来探索作物需水规律。（1）作物因素 不同种类的作物需水量有很大的差异，如就小麦、玉 米、水稻而言，水稻小麦玉米；不同品种的作物需水量有很大差异，如耐旱品种需水量小；不同生育阶段需水量不同；不同长势的作物需水量不同。,2影响作物需水量的主要因素,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,（2）气象因素气象因素是影响作物需水量的主要因素，它不仅影响蒸腾速率，也直接影响作物的生长发育。气象因素对作物需水量的影响，往往是几个因素同时作用，很难将各个因素的影响一一分开。当气温高、日照时数多、相对湿度小时，需水量会增加。,2影

7、响作物需水量的主要因素,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,（3）土壤因素 影响作物需水量的土壤因素主要有质地、颜色、含水量有机质含量、养分状况等。砂土持水力弱，蒸发较快，因此，在砂土上的作物需水量就大。就土壤颜色而言，黑褐色土壤吸热较多，其蒸发较大，而颜色较浅的黄白色土壤反射较强，相对蒸发较少。土壤含水量较高时，蒸发强烈，作物需水量较大；相反，土壤含水量较低时，作物需水量较少。,2影响作物需水量的主要因素,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,（4）农业技术 农业栽培技术水平的高低直接影响水量消耗的速度。粗放的农业栽培技术，可导致土壤水分的无效消耗。灌水

8、后适时耕耙保墒、中耕松土，将使土壤表面形成一个疏松层，这样可减少水量的消耗。,2影响作物需水量的主要因素,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,由于上述各种因素的影响，因此，在生产实际中，必须因时、因地、因作物、因气候等各种自然与人为条件确定作物的需水量，以利于指导生产。作物需水量是农业用水的主要组成部分，也是整个国民经济中消耗水分的最主要部分。它是水资源合理开发、利用所必需的重要资料，同时也是灌排工程规划、设计、管理的基本依据。,2影响作物需水量的主要因素,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、作物需水量与影响因素,蒸渗仪是根据水量平衡原理设计的一种用来计算农田水 文循环各主要

9、成分的专门仪器。国外利用Lysimeter研究作物蒸发蒸腾非常普遍。我国利用Lysimeter进行作物蒸发蒸腾的研究始于80年代中期。中国科学院禹城综合试验站于1985年秋安装了一台面积为3m2，深度为2m的大型原状土自动称重土壤蒸发渗漏仪。,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,1器测法,第二节 作物需水量与灌溉制度,1器测法,西北农林科技大学水建学院灌溉实验站1997年9月正式投入使用了一台蒸渗仪，其进口于美国，面积6.25m2(2.52.5)，装土深度3m。利用大型称重式蒸渗仪直接测定的作物蒸发蒸腾量比较准确，常被用来检验各种作物蒸发蒸腾计算公式，进行适当修正和确定作物系数，但由于其设

10、备价格昂贵而限制了其在我国的广泛应用。,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,蒸渗仪可分为：称重式与水力式。称重式：又可分为充填式与整块式两种。前者在器内充填均匀的土壤或沙土混合物，后者在器内装整块原状土。水力式：水力式蒸渗仪是以静水浮力称重原理为基础的一种测量土壤蒸发的仪器。蒸渗仪中土壤的原重以外界液体的静水压力来衡量，而由蒸发蒸腾等所引起的土块重量变化，则以观测土块垂直位移的方法来确定。,1器测法,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,蒸渗仪的基本工作原理：目前国内外已建成的蒸渗仪，尽管种类繁多，形式各异，规模不一，但它们的共

11、同特点是在盛土容器中观测其土壤水分动态变化，量测不同时段水分总量，研究土体中水分收支量及变化过程。土壤水量平衡方程式为：P+I+R+CET+D+W式中：P为大气降水量；I为灌水量；R为地表径流量；C为汽态凝结水量；ET为蒸散发量；D为深层土壤渗漏量；W为时段内土壤含水量的变化。,1器测法,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,称重式蒸渗仪,蒸渗仪（美国加利福尼亚大学戴维斯分校）作物：番茄直径：6.70米深：0.96米,水力式土壤蒸渗仪（中国科学院地理研究所禹城实验站）,普通称重式蒸渗仪测筒构造示意图,1器测法,第二节 作物需水量与灌溉制度,坑测法是在专门修建的测

12、坑中测定作物需水量，这是我国目前最主要的应用方法。有底测坑 土壤常为回填土，底部一般铺设20cm厚由砂和砾石组成的滤水层，基部设侧向排水管与排水收集系统相连。坑中土壤回填时应严格按照原有土层容重分层回填，这是保证测坑试验结果具有代表性的一个关键环节。无底测坑 可用原状土，也可以为扰动回填土。为了控制降雨，测坑上方通常还要安设防雨设施。,2坑测法,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,测坑内的水分变化通过先后两次测定的土壤含水量的差值计算。测定含水量最好选择可以定点、连续测定的方法，象中子散射法电阻法，TDR法等。,土钻,中子仪,TDR,2坑测法,第二节 作物需水

13、量与灌溉制度,启闭式防雨棚,移动式防雨棚,防雨设备,简易防雨棚,田测法是在大田条件下直接测定作物蒸发蒸腾量。优点：测定环境与作物生长发育所处的环境完全相同，有较强的真实性和代表性缺点：易受环境条件的干扰，如果控制不好，有些项目测定不准，则引起的误差会引起作物需水量测定结果精度。,3田测法,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,土壤棵间蒸发是作物需水量中不可分割的部分，是农田水量平衡计算中非常重要的因素，尤其在作物的生长前期，土壤处于裸露状态，棵间蒸发尤为严重。但是，在农田水量平衡的各种计算模型中如何将棵间蒸发和植物蒸腾区分开来，一直是困扰人们的难题。只有在明确了

14、作物各生育阶段棵间蒸发和植物蒸腾的比例关系后，才能准确地估算农田土壤水分动态，制定合理的灌溉制度，尽可能地减少无效的土壤水分散失，提高水分利用效率。因此，测定土壤的棵间蒸发是一项非常重要的工作。,4土壤棵间蒸发的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,土壤棵间蒸发一般用微型蒸渗仪测定，每套蒸渗仪（蒸发器）由内筒和外筒组成。目前一般用镀锌铁皮制成。,4土壤棵间蒸发的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,测定步骤1）选取有代表性的测定地点，在所测地点挖土埋设蒸渗仪的外筒，外筒的上口与土面齐平。2）用内筒取土。取土时，将内筒垂

15、直压入土中，尽量不破坏土体结构，取出满筒原状土，并用刮刀刮平底部后用塑料薄膜或纱窗包扎。3）然后用电子天平称重，最后将称重后的内筒及土壤放回预先固定的外筒中。4）第二天再将内筒取回称重，以确定蒸发的水分重。5）换土，为保证微型蒸渗仪内的土壤水分与田间土壤的实际含水量一致，称完重后更换微型蒸渗仪中的原状土，按第2）步进行换土操作。然后再重复第3）、4）步。每个处理选三个点来布置微型蒸渗仪，使测得结果更具代表性。,4土壤棵间蒸发的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,棵间蒸发量的计算E=（W1W2）（r2）10 式中：E棵间蒸发量（mm）；W1时段初的内筒及土

16、壤重（g）；W2时段末的内筒及土壤重（g）；r内筒的内半径（cm）。,4土壤棵间蒸发的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的试验测定,ETc的估算方法有两类，一类是直接计算法，另一类是通过参考作物蒸发蒸腾量ET0与作物系数Kc估算的方法。直接计算作物蒸发蒸腾量的方法均为经验公式法，即根据作物蒸发蒸腾量和主要气象要素以及作物产量等实测成果，用回归分析方法确定作物蒸发蒸腾量随这些因素变化的经验方程。在我国采用较多的有蒸发皿法、产量法和多因素法。,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,第二节 作物需水量与灌溉制度,（一）直接计算,1水面蒸发量法（蒸发皿法或 值法）：水面蒸发

17、量与作物需水量之间存在一定程度的相关关系，因此可用水面蒸发量这一参数来计算作物需水量：ETc=E0 或 ETc=aE0 b式中：ETc-作物需水量（mm）；E0-与ETc同时段的水面蒸发量（mm），采用蒸发皿或蒸发器的测定值。,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,需水系数或蒸发系数，为需水量与水面蒸发量的比值，由实测资料确定，一般水稻田的=0.91.3，旱作的=0.30.7。作物全生育期内各生长阶段的值是各不相同的，其最大值出现在作物生长旺期，而发芽出苗期则最小，所以在分阶段计算作物需水量时，各阶段应分别选取不同的值。一般水稻用 值法比旱作物用此法好。,1水面蒸发

18、量法（蒸发皿法或 值法）：,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,2产量法：作物产量反映了水、土、肥、热、气、光等因素的协调及农业措施的综合作用。在一定条件下，作物需水量将随产量的提高而增加。但是需水量的增加并不与产量成比例，,（一）直接计算,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它条件。,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,2产量法（K值法）：用作物产量计算作物需水量的表达式为：式中：ET全生育期的需水量（mm）；Y作物单位面积的产量（

19、kg亩-1）；K需水系数（m3kg-1），为单位产量的需水量。此法简便，只要确定计划产量后便可算出需水量；同时，此法使需水量与产量相联系，便于进行灌溉经济分析。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。但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。,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,（一）直接计算,3以多种因素为参数的作物需水量计算法选取几个影响因素，探求它们与作物需水量之间存在的数量关系。以多种因素为参数推求作物需水量的经验公式在国内外很多，有的选取水

20、面蒸发量和产量作参数，有的以水面蒸发量和土壤含水率作参数，也有选取更多因素作参数的，在此不一一列举。,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,上述各公式都可估算全生育期作物需水量，也可估算各生育阶段的作物需水量。在生产实践中，习惯采用所谓模系数法估算作物各生育阶段的需水量，即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，即：ETi=Ki ET式中 ETi某一生育阶段作物需水量；Ki需水量模比系数，即作物各生育阶段需水量占全生育期作物需水量的百分数，可以从试验资料中取得。,（一）直接计算,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾

21、量）的估算,参考作物蒸发蒸腾量：是一种假想的参考作物冠层的蒸发蒸腾速率，参考作物被假设为高度为12cm，表面阻力为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、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地。间接计算分为以下两步：第一步是：考虑气象因素对作物需水量的影响，计算参考作物蒸发蒸腾量。第二步是：考虑土壤水分及作物条件的影响，对参考作物需水量进行调整或修正，而计算出实际需水量。,（二）间接计算（通过参考作物蒸发蒸腾量进行计算）,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,估算参考作物蒸发蒸腾量的方法包括经验公式法和理论公式法。经验公式法中常采用辐射、温度、

22、水汽压、相对湿度、风速及日照等气象数据作为参数，按照某种与参考作物蒸发蒸腾量的经验函数关系进行估值。理论公式法有能量平衡法、水汽扩散法和综合法等。理论公式法中综合法最常应用的是Penman法和PenmanMonteith法。,（二）间接计算（通过参考作物蒸发蒸腾量进行计算）,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,1）布莱尼克莱多法 式中：ET0为考虑月份的参照作物蒸发蒸腾量(mmd)；T为月平均气温()；P为各月昼长时间占全年昼长时间百分数；C为取决于最低相对湿度、日照率和白天风速的修正系数。,（1）参考作物蒸发蒸腾量的估算,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需

23、水量（蒸发蒸腾量）的估算,2）以辐射为参数的计算方法 式中：ET0为计算时段内参照作物蒸发蒸腾量(mmd)；Rs为计算时段内太阳辐射，以等效水面蒸发量计(mmd)；W为取决于日平均温度与高程的权重系数；C为取决于平均相对湿度与白天风速的修正系数。,（1）参考作物蒸发蒸腾量的估算,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,3）Penman公式 Penman公式是国内外应用最普遍的综合法公式。Penman公式是在能量平衡原理的基础上，引用干燥力(Drying Power)的概念，经过简捷地推导，得到了一个用普通气象资料就可计算参考作物蒸发蒸腾量的公式。经多次修正，目前国内外

24、最通用的形式为FAO于1979年推荐的公式，该公式具有较好的理论基础，包括有辐射项与空气动力学项，并考虑了气压与风速修正，其形式为:,（1）参考作物蒸发蒸腾量的估算,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,三、作物需水量的计算,根据能量平衡，大气顶部的太阳辐射量为Ra,当它穿透云层时，能量受到损失，到达地面时为Rs,由于地面植被反射率为a，部分能量反射损失，真正到达地面的太阳短波辐射量为Rns,由于地面受热后会以长波形式散射掉部分能量Rnl,最后真正能被植株利用的太阳净辐射为Rn。,式中：P0和P分别为海平面标准大气压和计算地点的实际气压hPa；为饱和水汽压温度曲线上

25、的斜率hPa 1；为湿度计常数hPa 1；ea为空气实际水汽压hPa；es为饱和水汽压hPa；u2为2m高处风速m/s；C为风速修正系数。,3）Penman公式,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,彭曼公式在实际使用中，常分为权重因子项 p0/p/、辐射项Rn和空气动力项Ea三个部分的计算。各部分涉及的参数采用下述方法计算：A权重因子项（）气压订正项,3）Penman公式,式中H计算地点的海拔高程（m）；Ta平均气温（）,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,3）Penman公式,（2）饱和水汽压温度曲线上的斜率,（3）湿度计常数,第二

26、节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,3）Penman公式,B辐射项（1）理论太阳辐射Ra（大气顶层接受的太阳辐射）,式中：R0太阳常数，其值为1.367103J/m2s；T1日的秒数，其值为86400s；圆周率；以天文单位表示的日地距离；其值见表2-5；0日出时角（弧度），其值为7.5N/180，其中N为最大可能日照时数（h）；,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,3）Penman公式,地理纬度（）；赤纬（），其值变化在23.523.5之间。采用下式计算：,式中：m日序，从1月1日开始排序，其值为30.4I15.2，其中I为月序，从1月开

27、始排序。,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,3）Penman公式,（2）短波辐射（3）净短波辐射,水的汽化潜热为：2498.92.33Ta则：Ra水层=Ra/1000,通过上式计算出的Ra单位为J/cm2天，需将其转化为水层当量（mm/d）。,反射率，0.23,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,3）Penman公式,（4）净长波辐射,玻尔兹曼常数，2.0110-9Tk 绝对气温，Tk 273.16+Ta（）,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,3）Penman公式,（6）最大可能日照时数N,（5）地面

28、吸收的净太阳辐射,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,3）Penman公式,C动力项（1）u2 2米高处风速，若用气象站常规观测高度（11.5米）的风速则需乘以0.75的修正系数。C 与最高气温和最低气温有关的风速修正系数，在日平均气温的阶段平均值大于5，且日最高气温平均值与日最低气温平均值之差大于12时，C0.07T0.256，其余条件下C 0.54。,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,（2）饱和水汽压,（3）实际水汽压,3）Penman公式,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,4）Penman-Mo

29、nteith公式以能量平衡和水汽扩散理论为基础，既考虑了作物的生理特征，又考虑了空气动力学参数的变化，具有较充分的理论依据和较高的计算精度。经过多年研究改进，1990年FAO56推荐使用的公式形式为：,（1）参考作物蒸发蒸腾量的估算,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,ET0参考作物蒸发蒸腾量mmday1;Rn输入冠层净辐射量MJm2day1;G土壤热通量MJ m2 day1;T2m高处日平均温度；u22m高处风速ms1；es饱和水汽压kPa;ea实际水汽压kPa;饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率kPa1;干湿表常数kPa1。,4）Penman-Monteit

30、h公式,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,参考作物蒸发蒸腾量(ET0)用来表示假定的参考作物的蒸发蒸腾量，其他作物的蒸发蒸腾量是用参考作物蒸发蒸腾量来计算的。用于关联实际作物耗水量与参考作物蒸发蒸腾量的因子称为作物系数(kc)。最早提出并已被FAO作物需水量专家咨询组(Allen等，1997)所采纳和修正的作物系数概念如下：ETc=Kc ET0 或 ET c=(Kcb+Ke)ET0计算作物蒸发蒸腾量的上述两种方法，FAO为其分别命名为单作物系数法和双作物系数法。,（2）作物系数的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,Kc为综合作

31、物系数，与作物种类、品种、生育期、作物的群体叶面积指数等因素有关，是作物自身生物学特性的反映。根据各地的试验，作物系数Kc不仅随作物而变化，更主要的是随作物的生育阶段而异。生育初期和末期的值较小，而中期的Kc较大。,（2）作物系数的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,Kcb为基础作物系数，是表层土壤干燥而根区平均含水量不构成土壤水分胁迫条件下ETc与ET0的比值，侧重反映了作物潜在蒸腾的影响作用；Ke为表层土壤蒸发系数，它代表了作物地表覆盖稀疏的苗期和前期生长阶段中，除Kcb中包含的残余土壤蒸发效果外，在灌溉或降雨发生后由大气蒸发力引起的表层湿润土壤的蒸发损

32、失与ET0之比。,（2）作物系数的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,在单作物系数方法中，作物表面和参考表面蒸发、蒸腾速率的差异用作物系数Kc综合考虑，这种方法就是FAO早在70年代推荐，并在国内有关作物需水量研究工作中普遍采用的方法。可通过田间实测的作物蒸发蒸腾量与相同阶段内得到的参考作物蒸发蒸腾量之比获得。这种方法适宜在灌溉系统的规划设计和管理工作中采用。,（2）作物系数的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,由于表层土壤水分状况对作物实际蒸发蒸腾量的影响非常显著，尤其在作物苗期和前期生长阶段地面覆盖较小的情况下，因此，

33、要准确估算作物蒸发蒸腾量就需要全面考虑土壤蒸发和作物蒸腾。在双作物系数法中，基础作物系数(Kcb)和土壤蒸发系数(Ke)分别描述了作物蒸腾作用和土壤表面蒸发作用。对大多数作物来说，在播种和苗期基础作物系数较小，为0.150.2；快速生长期迅速增大，为0.30.8；当植被完全覆盖地面后达到最大值，接近于1.0；成熟期迅速减小，为0.80.15。双作物系数法对于实时灌溉计划，土壤水分平衡计算以及研究土壤表层湿润变化对ET的影响是非常重要的。,（2）作物系数的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,作物蒸发蒸腾不仅受外界蒸发条件的支配，同时还受作物本身的生理特性以及土

34、壤水分状况的限制。在干旱缺水时，土壤含水量降低，土壤中毛管传导率减小，根系吸水率降低，供水不足，作物遭受水分胁迫，引起叶片含水量减小，气孔阻力增大，从而导致水分胁迫条件下的作物蒸发蒸腾速率低于无水分胁迫时的作物蒸发蒸腾速率。水分胁迫条件下的作物蒸发蒸腾量ETa是充分供水条件下的作物蒸发蒸腾量ETc和土壤水分胁迫因子K的乘积，即 ETa=KKcET0or ETa=(KcbK+Ke)ET0估算ETa时，需要确定土壤水分胁迫因子K。,（3）水分胁迫条件下作物蒸发蒸腾量估算方法,第二节 作物需水量与灌溉制度,三、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算,思考题1影响作物需水量大小的因素有哪些？2.如何估算作物需

35、水量?,第二节 作物需水量与灌溉制度,第一章 农田灌溉原理,农业水利工程系2006年5月,第一篇 灌溉工程,第二节 作物需水量与灌溉制度（2）,学习提纲,第一部分：作物需水量及影响因素 作物需水量的试验测定作物需水量的估算第二部分：灌溉制度的内涵及确定方法水量平衡法确定旱作物的灌溉制度 水量平衡法确定水稻的灌溉制度,第二节 作物需水量与灌溉制度,（一）灌溉制度的内涵,灌溉制度：指特定作物在一定的气候、土壤、供水等自然条件和一定的农业技术措施下，为了获得高产或高效，所制订的向农田灌水的方案。包括作物播种前(或水稻栽秧前)及全生育期内的灌水次数，每次灌水的灌水日期、灌水定额以及灌溉定额。灌水定额：

36、指一次灌水单位面积上的灌水量。灌溉定额：指作物全生育期各次灌水定额之和。灌水定额及灌溉定额常以m3/hm2或mm表示。灌水次数：农作物在整个生育期中实施灌溉的次数。灌水时间以作物生育期或年、月、日表示。,一、灌溉制度的内涵及确定方法,第二节 作物需水量与灌溉制度,灌溉制度随作物种类、品种和自然条件及农业技术措施的不同而变化。由于拟建灌区规划设计或已建灌区管理工作的需要，灌溉制度一般都需在灌水季节前加以确定，带有部分估算（预报）性质。因此，必须以作物需水规律和气象条件（特别是降水）等作为主要依据，从当地具体条件出发，针对不同水文年份，拟定湿润年（频率为25%）、一般年（频率为50%）和中等干旱年

37、（频率为75%）及特旱年（频率为95%）四种类型的灌溉制度。也就是说同一种作物在不同水文年有不同的灌溉制度。一般在灌溉工程规划、设计中多采用中等干旱年的灌溉制度作为标准。,（一）灌溉制度的内涵,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、灌溉制度的内涵及确定方法,灌溉制度是灌溉工程规划设计的基础，是已建成灌区编制和执行用水计划，合理用水的重要依据。灌溉制度关系到灌区内作物产量（效益）和品质的提高，及灌区水土资源的充分利用和灌溉工程设施效益的发挥。,（一）灌溉制度的内涵,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、灌溉制度的内涵及确定方法,在灌区规划、设计或管理中，常采用以下几种方法来确定灌溉制度。1）根据群众丰产

38、灌水经验确定作物灌溉制度 经过多年的实践、摸索，各地群众都积累了不少确定灌溉制度的经验与方法。这些经验是制定灌溉制度的重要依据，应成为制定灌溉制度最宝贵的资料。灌溉制度调查应根据设计要求的水文年份，仔细调查这些年份不同生育期的作物田间耗水强度mm/d及灌水次数、灌水时间、灌水定额及灌溉定额，并由此确定这些年份的灌溉制度。,（二）制定灌溉制度的方法,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、灌溉制度的内涵及确定方法,我国北方地区几种主要旱作物的灌溉制度调查,（二）制定灌溉制度的方法,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、灌溉制度的内涵及确定方法,2）根据灌溉试验资料制定灌溉制度 长期以来，我国各地的灌溉试验

39、站已进行了多年灌溉试验工作，积累了一大批相关的试验观测资料，这些资料为制定灌溉制度提供了重要的依据。,（二）制定灌溉制度的方法,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、灌溉制度的内涵及确定方法,3）根据作物的生理、生态指标制定灌溉制度 作物对水分的生理反应可从多方面反映出来，利用作物各种水分生理特征和变化规律作为灌溉的指标，能更合理地保证作物的正常生长发育和它对水分的需要。目前可用于确定实时灌水时间的指标除土壤水分外，主要生理指标包括：叶水势、气孔开度、细胞液浓度、冠层空气温度差（温度胁迫指标）、气孔阻力等。当然，有关作物对土壤水分响应的生理特征与变化规律仍处于积极的探索之中，相信在不久的将来，这部

40、分研究成果将会对灌溉制度的合理制定提供更为可靠的科学依据。,（二）制定灌溉制度的方法,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、灌溉制度的内涵及确定方法,4）按水量平衡原理分析制定灌溉制度 水量平衡法以作物各生育期内水层变化（水田）或土壤水分变化（旱田）为依据，从对作物充分供水的观点出发，要求在作物各生育期内水层变化（水田）或计划湿润层内的土壤含水量维持在作物适宜水层深度或土壤含水量的上限和下限之间，降至下限时则应进行灌水，以保证作物充分供水。应用时要参考、结合前几种方法的结果，这样才能使得所制定的灌溉制度更为合理与完善。,（二）制定灌溉制度的方法,第二节 作物需水量与灌溉制度,一、灌溉制度的内涵及确

41、定方法,（一）农田水量平衡方程,旱作物的生育期任一时段内，土壤计划湿润层（根系层）H内的水量平衡可表示为：,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,ETM P0,H,K=kt，k为t时段内平均每昼夜地下水补给量(mm或m3/hm2)；ET=et,e为t时段内平均每昼夜的作物田间需水量（mm或m3/hm2）,第二节 作物需水量与灌溉制度,为了满足作物正常生长的要求，土壤计划湿润层内的土壤含水量（或储水量）必须经常保持在一定的范围之内，即通常要求不小于最小允许含水量min（或最小允许储水量Wmin）和不大于最大允许含水量max（或最大允许储水量Wmax）。当计划湿润层内的平均土壤含水量（或储水量）降低

42、到或接近于最小允许值（min或Wmin）时，即需进行灌溉，以补充土壤水分，维持作物的正常生长。,（二）原理,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,例如某时段内没有灌溉也没有降雨，土壤计划湿润层也无变化，随着时间的推移，土壤储水量将降至下限，其水量平衡方程可写为：,（二）原理,土壤计划湿润层(H)内储水量变化,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,判断是否需要灌,时段末的灌水定额（m3hm2或mm）则为（注意单位换算）:,（二）原理,什么时候灌,灌多少,比较0（W0）与 min（Wmin）,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱

43、作物的灌溉制度,1、有效降水量P0（1）设计降水量对当地多年降水资料进行频率分析，按25%、50%、75%的降水保证率（指多年期间降水量能够得到充分满足的机率，与灌溉设计保证率类似）选定三个降水典型年，根据典型年中的降水量、降水分布情况，设计不同保证率条件下的降水量及其出现的时间。,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,1、有效降水量P0（1）设计降水量选择降水典型年的方法有三种：a）按年降水的频率选择典型年。因降水量在年内分布不均，尤其是在灌溉季节内降水变差大的地区，雨情往往会不 符合设计要求。b)按作物生长时期降水量的频率选择典型年。

44、如果灌区主 要作物的生长期大致相同时，用此法可得到满意的结果。c)按年降水的变化特征分阶段选择典型年，例如可以按干、湿季分别统计计算降水量发生的频率。,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,P0=P-P径-P渗,1、有效降水量P0（2）有效降水量的计算有效降水：能被田间作物有效利用的当地降水。一般认为小于2mm（亦有认为小于5mm）的降水对作物无实际意义，为无效降水；降水过大将产生径流和深层渗漏，此两者也为无效降水。因此，有效降水量一般采用如下公式计算：,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的

45、灌溉制度,1、有效降水量P0（2）有效降水量的计算生产实践中通常采用下列简化方法求取P0：P0=P 式中：为降水有效利用系数，其值与降水量、降水强度、降水延续时间、土壤性质、作物生长状况、地面坡度及覆盖情况以及计划湿润层深度等因素有关，应根据具体条件通过实验确定。,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,2、土壤计划湿润层深度土壤计划湿润层深度：实施灌水时计划调节、控制土壤 水分状况的土层深度。一般可取为作物的主要根系活动层。计划湿润层深度与作物种类、品种、生育阶段、土壤性质以及地下水埋深等因素有关。对某一特定作物其深度随作物的生长而增加，

46、需根据当地实际情况确定。,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,冬小麦、棉花、玉米各生育期较典型的计划湿润层深度,2、土壤计划湿润层深度,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,3、土壤适宜含水量及上、下限的确定土壤适宜含水量：最适宜作物生长的含水量。土壤适宜含水量介于max与min之间，随作物品种及其生育阶段、土壤性质等因素而变化。,冬小麦、棉花和玉米各生育阶段要求的土壤适宜含水量,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,3、土壤

47、适宜含水量及上、下限的确定土壤适宜含水率是确定旱作物灌溉制度的重要依据，应通过试验或总结生产实践经验确定。由于田间作物需水的持续性及农田灌水或降雨的间歇性，计划湿润层内的土壤含水量不可能经常维持在最适宜含水量水平，为了保证作物生长，应将土壤含水量控制在适宜的上限max与下限min之间。,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,3、土壤适宜含水量及上、下限的确定土壤含水量的上限应满足以下两个条件：既不产生深层渗漏，又要满足作物对土壤空气含量的要求，故一般可取为田间持水量。土壤含水量的下限土壤允许最小含水率min应大于凋萎系数，以作物生长不受抑

48、制为准，一般以占田间持水量的百分数计。根据经验取60%左右的田间持水量（毛管断裂点）比较适宜。,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,4、地下水补给量地下水补给量：地下水借毛细管作用上升至作物根系活动层内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、气象条件、根系层土壤含水量等有关。地下水位越接近根系活动层，毛管作用越强，地下水补给量也越多。一般要通过田间试验来确定地下水对农田的补给强度。地下水（或下部土层）对根系层的补给可在实测两层间土壤含水量（或基质势）变化趋势的基础上，通过计算土壤水分通量获得。,（三

49、）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,4、地下水补给量陕西省洛惠渠灌区根据试验资料，整理出如下的地下水对农田补给强度的经验公式：K=（B0.15H）e式中：K地下水补给强度（mm/day）；H地下水埋深（m）；e 作物需水强度（mm/day）；B 土壤质地参数（粘土取0.6；壤土取0.5；砂壤土取0.4）。,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,5、由于计划土壤湿润层深度增加而增加的可利用水量作物生育期内计划湿润层的深度是不断变化的。若计算时段内计划湿润层深度无变化，则WT 项可设定为零

50、；若时段内计划湿润层变化较大，由于计划湿润层的增加，将增加部分有效水量，此时，WT可近似按下式计算：,（三）水量平衡法资料的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,播前灌水的目的在于保证作物种子发芽和出苗所必须的土壤含水量或储水于土壤中以供作物生育后期之用。播前灌水往往只进行一次。一般可按下式计算：,（四）旱作物播前的灌水定额(M1)的确定,第二节 作物需水量与灌溉制度,二、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度,以棉花灌溉制度为例：在采用水量平衡图解分析法拟定灌溉制度时，其步骤为：1)根据各旬的计划湿润层深度H 和作物所要求的计划湿润层内土壤含水量的上限和下限，求出H