灌溉排水工程學(xué)實用教案

1、第一節(jié) 農(nóng)田(nngtin)土壤水分狀況農(nóng)田(nngtin)水分地面水地下水土壤水土壤水是作物生長(shngzhng)環(huán)境的核心第1頁/共61頁第一頁，共62頁。一、農(nóng)田土壤水分存在的基本(jbn)形式土壤水分固態(tài)：在土壤凍結(jié)時存在(cnzi)汽態(tài)：存在(cnzi)于未被水分占據(jù)的土壤空隙液態(tài)：吸著水：不能被利用(lyng)，其上限（最大分子持水率）以下的水分為無效水。毛管水：田間持水率和無效水之間的水，容易為農(nóng)作物利用(lyng)，稱為有效水。重力水：如地下水位高，停留在根系層的重力水影響土壤的通氣，這部分水稱為過剩水。田間持水率：灌水兩天后土壤所能保持的含水率，它是重力水和毛管水、有效水分

2、和過剩水分的分界線。第2頁/共61頁第二頁，共62頁。二、作物生長對農(nóng)田(nngtin)水分狀況的要求水對作物的生長的影響：（1）水是作為進(jìn)行光合作用、制造(zhzo)有機物的原料；（2）水使作物保持正常、穩(wěn)定狀態(tài)；（3）水是作物營養(yǎng)元素、礦物質(zhì)的載體；（4）水分是作物細(xì)胞原生質(zhì)的重要成分；（5）水分可以調(diào)節(jié)作物體溫。第3頁/共61頁第三頁，共62頁。1、旱作物對農(nóng)田水分(shufn)狀況的要求 地面水 地下水 根系(gnx)吸水層的土壤水分農(nóng)作物 地表積水 地下水位到達(dá)(dod)根系吸水層 毛管水最容易被旱作物吸收引起水澇災(zāi)害影響土壤的通氣旱作物根系吸水層的允許平均最大含水率為根系吸水層的田

3、間持水率第4頁/共61頁第四頁，共62頁。干旱(gnhn)大氣干旱土壤(trng)干旱生理干旱土壤溶液濃度不超過作物(zuw)在各個生育期所容許的最高值是確定根系吸水層的土壤最低含水率的個重要指標(biāo)。以鹽漬土為例： min：為按鹽類溶液濃度要求所規(guī)定的最小含水率結(jié)論：旱作物根系吸水層含水率 最大：田間持水率 最?。鹤魑镞m宜的土壤含水率下限第5頁/共61頁第五頁，共62頁。2、水稻地區(qū)的農(nóng)田(nngtin)水分狀況要求 水稻喜濕好水田間經(jīng)常需要(xyo)水層生理上要求(yoqi)土壤水分達(dá)到飽和（除萌芽和成熟期）水稻的灌溉以保證田間有適宜的淺水層適宜的淺水層為水分、養(yǎng)分的供應(yīng)提供良好條件調(diào)節(jié)和改善

4、水稻生長環(huán)境條件水層的適宜深度：由作物品種、生育階段、自然環(huán)境、人為條件由經(jīng)驗來決定。第6頁/共61頁第六頁，共62頁。三、農(nóng)田(nngtin)土壤水分運動1、土壤水分運動基本(jbn)方程非飽和土壤水流動空間中點(x,y,z)上取單元體(dx, dy,dz),由達(dá)西定律知x,y,z軸向的水流通量為k() 土壤(trng)的非飽和導(dǎo)水率分別為x、 y、 z方向的水勢梯度第7頁/共61頁第七頁，共62頁。dt時間內(nèi)，流人(li rn)和流出單元體的土壤水分質(zhì)量差總計為dt時間內(nèi)單元體內(nèi)土壤水分質(zhì)量(zhling)的變化量為 由質(zhì)量(zhling)守恒定律知兩者在數(shù)值上相等，即：將（12）式代入（

5、14），得：即為非飽和土壤水運動的基本方程式。第8頁/共61頁第八頁，共62頁。D()稱為擴散(kusn)度，表示單位含水率梯度下通過單位面積的土壤水流量。則非飽和土壤水運動(yndng)方程又可寫為式中：C(h)=dd h表示壓力水頭減少一個單位時，單位體積土壤(trng)中所能釋放出來的水體積，其量綱為 L-1 ，稱為容水度或比水容量，它是土壤(trng)水分特征曲線上的斜率。第9頁/共61頁第九頁，共62頁。2、入滲條件(tiojin)下土壤水運動（1）入滲過程的一般規(guī)律入滲前0很小，地面初始入滲速度i 1很大，短時間內(nèi)就接近飽和含水率s,見圖1-3。隨時間的延長(ynchng)，入滲路

6、徑的加大，入滲速度i t不斷減小，最后趨于i f，即接近該土壤的滲透系數(shù)K。通常用入滲速度i t和累積滲水量I與時間t的關(guān)系曲線描述入滲規(guī)律。第10頁/共61頁第十頁，共62頁。（2）入滲量的計算：采用(ciyng)公式計算入滲速度i t和入滲量I1）考斯加可夫公式式中：i t是任一時間的入滲速度，以單位時間滲入土壤的水層厚度(mmmin或cm/h)計；i 1是第一單位時間末的人滲速度；t為人滲別間(min或h)；為經(jīng)驗指數(shù)(zhsh),決定于土壤性質(zhì)和初始合水牟, =0.3-0.8,般土壤取0.5。將實驗資料(zlio)I、t按時序求出i=It，取lg i及1g t，點繪于雙對數(shù)紙上，可擬合

7、成一條直線，如圖15所示。第11頁/共61頁第十一頁，共62頁。由于(yuy)（lg i1-lg i2）/ （lg t1-lg t2）=-t g=-即為擬合直線與橫軸的夾角的正切值擬和直線與縱軸的截距即為l g i1則累積入滲量I與入滲時間t的關(guān)系式中i 0為第一單位時間(shjin)內(nèi)土壤滲吸的平均速度用式（110） I t2) 菲利普入滲公式(gngsh)式中：S為滲吸系數(shù)， i f 為穩(wěn)定入滲速度 i f =i ()第12頁/共61頁第十二頁，共62頁。3、蒸發(fā)(zhngf)條件下土壤水分運動（1）無地下水位補給條件下的土壤水分蒸發(fā)(zhngf)當(dāng)?shù)叵滤惠^深時，上層土壤的含水率可以看作

8、不受地下水補給的影響。蒸發(fā)(zhngf)過程可以分為三個階段：第一階段：穩(wěn)定蒸發(fā)(zhngf)階段：指灌水、降雨入滲剛結(jié)束，土壤含水量高，向上輸送水分的能力強，此時土壤水分的蒸發(fā)(zhngf)強度 主要取決于大氣的蒸發(fā)(zhngf)力，其接近于水面蒸發(fā)(zhngf)強度，與土壤含水率無關(guān)，當(dāng)土壤含水率降至某一臨界值k，時，穩(wěn)定蒸發(fā)(zhngf)階段結(jié)束，該階段又稱為大氣蒸發(fā)(zhngf)力控制階段。第13頁/共61頁第十三頁，共62頁。第二階段：開始于土壤含水率減少到=k 時，由于(yuy)土壤含水率降低，土壤向上輸送水分的能力減弱，土壤水分的蒸發(fā)強度取決于大氣蒸發(fā)力與土壤向上輸送水分能力二者

9、的制約關(guān)系。該階段的土壤水蒸發(fā)強度隨含水率減小而逐漸減小，所以稱為蒸發(fā)強度遞減階段。該階段土壤蒸發(fā)強度由下式計算； =（a+b）E0 (1 17 )式中：a、b：與土壤性質(zhì)有關(guān)的兩個系數(shù) E0 ：水面蒸發(fā)強度。第14頁/共61頁第十四頁，共62頁。第三階段：當(dāng)?shù)乇硗寥篮屎艿蜁r，表土輸水能力較弱，地表形成一干土層。干土層下的水分向上運移至于土層底部時，以水汽擴散的形式穿過干土層進(jìn)人大氣，此時蒸發(fā)強度不僅取決于干土層厚度，而且取決于干土層內(nèi)水汽擴散的能力。三個階段的劃分只具有相對(xingdu)意義，事實上整個蒸發(fā)過程的蒸發(fā)強度都是隨外界蒸發(fā)力和土壤輸水能力而變化。第15頁/共61頁第十五頁，

10、共62頁。第16頁/共61頁第十六頁，共62頁。四、土壤植物大氣連續(xù)(linx)體水分運移（SPAC） 土壤(trng) （S） 水分連續(xù)體 大氣（A） 植物（P）應(yīng)用統(tǒng)一的能量指標(biāo)“水勢(shu sh)”來定量研究整個系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)能量水平的變化：Rsr、Rrl、Rla:分別為土壤水分通過土壤到達(dá)根表皮，由根表皮到達(dá)葉面，由葉面到達(dá)空氣中各段路徑的水流阻力。第17頁/共61頁第十七頁，共62頁。五、農(nóng)田(nngtin)土壤水調(diào)控1、農(nóng)田水分不足的原因及調(diào)節(jié)措施農(nóng)田水分不足的原因：（1）降雨量不足；（2）降雨入滲量少，徑流損失較多；（3）土壤保水能力差，滲漏及蒸發(fā)損失水量過大。調(diào)節(jié)措施：（1）

11、灌溉：播前和生育期灌溉、儲水灌溉及其它灌溉；（2）改善(gishn)土壤結(jié)構(gòu)：提高透水性、蓄水性。第18頁/共61頁第十八頁，共62頁。2、農(nóng)田水分過多的原因、災(zāi)害及其調(diào)節(jié)措施農(nóng)田水分過多的原因（1）大氣降水過多 （2）低洼地區(qū)積水（3）地下水位過高 （4）排水不暢災(zāi)害類型：洪災(zāi)：河水泛濫 澇災(zāi)：積水難排 漬害：土壤(trng)過濕 次生鹽堿化：地下水位高、蒸發(fā)強調(diào)節(jié)措施：（1）截流 （2）排出地表水（3）降低地下水位 （4）排除根系層過多水分（5）改善土壤(trng)性能可將農(nóng)田水分過多部分積蓄以用于灌溉。第19頁/共61頁第十九頁，共62頁。第二節(jié) 作物需水量與灌溉(gungi)制度一、作

12、物需水量及影響因素農(nóng)田(nngtin)水分消耗作物(zuw)根系吸水，也稱植株蒸騰植株間水分蒸發(fā)，也稱棵間蒸發(fā)滲漏深層滲漏：旱作物田間滲漏：水稻作物需水量：是指生長在大面積上的無病蟲害作物，在最佳水、肥等土壤條件和生長環(huán)境中，取得高產(chǎn)潛力所需滿足的植株蒸騰和棵間蒸發(fā)之和，又稱為作物蒸發(fā)蒸騰量。蒸發(fā)蒸騰量與滲漏量之和( + +)統(tǒng)稱為農(nóng)田耗水量。第20頁/共61頁第二十頁，共62頁。影響作物(zuw)需水量的因素因素自然因素：氣象條件、土壤特征、作物性狀等人為因素：農(nóng)田灌排措施、農(nóng)業(yè)(nngy)耕作措施等作物需水量的特點：（1）作物種類不同對水分要求不同（2）同一作物不同生育階段對水分要求不同（

13、3）地區(qū)自然條件不同作物需水量不同（4）農(nóng)業(yè)技術(shù)措施不同，作物需水情況不同階段需水模數(shù)：作物各生育階段的需水量占全生育期總需水量的百分?jǐn)?shù)。日需水量：作物每日所需水量。作物的日需水量和階段需水模數(shù)，是制定(zhdng)灌溉制度和合理用水的重要依據(jù)。第21頁/共61頁第二十一頁，共62頁。二、作物需水量計算兩類計算方法： 1、直接計算出作物需水量的方法； 2、基于(jy)參照作物蒸發(fā)蒸騰量的半經(jīng)驗方法。1、直接計算需水量的方法（1）值法：以水面蒸發(fā)為參數(shù)的需水量計算法式中：ET 為某時段內(nèi)的作物需水量，以水層深度mm計；E0為與ET 同時段的水面蒸發(fā)量，以水層深度mm計。第22頁/共61頁第二十二

14、頁，共62頁。（2）K 值法：以產(chǎn)量(chnling)為參數(shù)的需水量計算法式中：ET 為作物全生育期(qun shn y q)內(nèi)總需水量(mm或m3hm2)； Y 為作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm2 )；K 代表單位產(chǎn)量的需水量（m3/kg）。K 、 n、c由實驗確定。K 值法主要用于計算旱作物的需水量。（3）以多因素為參數(shù)： 以模比系數(shù)法為例：估算作物各生育階段的需水量，先確定全生育期作物需水量，然后按照各生育階段需水規(guī)律(gul)，以一定比例進(jìn)行分配，即式中：ETi 某一生育階段作物需水量；K i 為某階段需水模系數(shù)，可以從試驗資料中取得。第23頁/共61頁第二十三頁，共62頁。2、基于參照

15、作物蒸發(fā)蒸騰量的作物需水量計算方法理論、實驗證明：土壤水分充足，氣象條件是影響需水量的主要因素；土壤水分不足，各因素對需水量都有較大影響。參照作物需水量ET0：指的是土壤水分充足，地面完全覆蓋、生長正常、高矮整齊的開闊(長、寬均在200m以上)綠草地(高315cm)的蒸發(fā)蒸騰量。參照作物需水量只受氣象條件的影響。目前采用的計算作物需水量方法，大致分為以下兩步：第一步：考慮氣象因素對作物需水量的影響，計算參照作物蒸發(fā)蒸騰量ET0 ；第二步：考慮土壤水分及作物條件的影響，對參照作物需水量進(jìn)行調(diào)整或修正，從而(cng r)計算出實際需水量ET 。第24頁/共61頁第二十四頁，共62頁。第一步：參照(

16、cnzho)作物需水量ET0 的計算1）布萊尼一克萊多法：式中：ET0：考慮月份(yufn)的參照作物蒸發(fā)蒸騰量(mmd)；T ：月平均氣溫()； C ：修正系數(shù)；P ：各月晝長時間占全年晝長時間百分?jǐn)?shù)。 2）以輻射(fsh)為參數(shù)的計算方法式中：: 計算時段內(nèi)參照作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)；RS : 計算時段內(nèi)太陽輻射，以等效水面蒸發(fā)量計(mm/d);W : 取決于日平均溫度與高程的權(quán)重系數(shù)；c ：取決于平均相對濕度與白天風(fēng)速的修正系數(shù)。第25頁/共61頁第二十五頁，共62頁。第二步：實際作物需水量ET 的計算ET0 的計算只考慮了氣象因素對需水量的影響，實際作物需水量ET 還應(yīng)考慮作物與土

17、壤(trng)因素進(jìn)行修正。1）土壤(trng)水分充足：Kc ： 作物系數(shù)，與作物種類、品種、生育期、作物群體葉面積有關(guān)。實測結(jié)果表明，作物系數(shù)Kc 在作物全生育期內(nèi)的變化規(guī)律是：前期和后期相對較小，生長盛期較大。實際作物的需水量與參考作物需水量兩者受氣象因素的影響具有同步性的。因此，此時作物需水量可由參照(cnzho)作物蒸發(fā)蒸騰量乘以作物系數(shù)得到。第26頁/共61頁第二十六頁，共62頁。2）土壤(trng)水分不足土壤(trng)含水率對作物蒸發(fā)蒸騰的影響可分為兩個階段：第一階段：土壤(trng)含水率高時，導(dǎo)水率大，土壤(trng)水分向根系及地表移動的速度足以滿足作物蒸發(fā)蒸騰所耗水分

18、。第二階段：當(dāng)土壤(trng)含水率低于一定的臨界含水率，向根系供水的速度不能滿足作物蒸騰的要求。土壤(trng)水分不足時的作物需水量可由土壤(trng)水分充足時的作物需水量乘以土壤(trng)水分修正系數(shù)而得到，即：KW ：土壤水分修正系數(shù)；AW ：相對(xingdu)有效含水率，p、f分別為凋萎系數(shù)(xsh)和田間持水率。第27頁/共61頁第二十七頁，共62頁。三、農(nóng)作物(zuw)的灌溉制度農(nóng)作物(zuw)的灌溉制度：是指旱作物(zuw)播種前(或水田栽秧前)及全生育期內(nèi)的灌水次數(shù)，每次灌水的灌水日期、灌水定額以及灌溉定額。灌水定額：是指一次灌水單位面積上的灌水量。灌溉定額：農(nóng)作物(z

19、uw)在全生育期各次灌水定額之和。以m3hm2或mm表示，它是灌區(qū)規(guī)劃及管理的依據(jù)。灌溉制度的3種確定方法：（1）根據(jù)群眾豐產(chǎn)灌水經(jīng)驗來確定；（2）根據(jù)灌溉實驗資料來確定；（3）按水量平衡原理分析、確定。生產(chǎn)實踐中，第3種方法結(jié)合第1、2種方法的實際資料，得出的制度比較完善，以水稻和旱作物(zuw)為例進(jìn)行介紹：第28頁/共61頁第二十八頁，共62頁。1、水稻的灌溉(gungi)制度（1）泡水定額：泡田期的灌溉(gungi)用水量M1 (m3/hm2或mm) ：式中：a1:插秧時田面所需的水層深度(cm)；S1:泡田期的滲漏量，開始泡田到插秧期間的總滲漏量mm;t1:泡田期的天數(shù)； e1:t1

20、時期(shq)內(nèi)田面平均蒸發(fā)強度(mm/d); P1 : t1時期(shq)內(nèi)的降雨量(mm)；h1: 時段初田面水層深度；h2：時段末田面水層深度；P ：時段內(nèi)降雨量；m：時段內(nèi)的灌水量； E ：時段內(nèi)田間耗水量；c：時段內(nèi)排水量，式中各式均以mm計。第29頁/共61頁第二十九頁，共62頁。如果時段初的農(nóng)田水分處于適宜(shy)水層上限(hmax)，經(jīng)過一個時段的消耗,田面水層降到適宜(shy)水層的下限(hmin)，這時如果沒有降雨，則需進(jìn)行灌溉，灌水定額即為：第30頁/共61頁第三十頁，共62頁。任意時段農(nóng)田水分變化圖解：1、在時段初A點，水田應(yīng)按 線耗水，至B點田面水層降至適宜水層下限

21、，即需要(xyo)灌水，灌水定額為m ;2、如果時段內(nèi)有降雨P(guān)，則在降雨后，田面水層回升降雨深P，再按線耗水至C點時進(jìn)行灌溉；3、如降雨P(guān) 很大，田間水面超過最大蓄水深度Hp,多余水需要(xyo)排除,排水量為 c，然后按線耗水至D點時進(jìn)行灌溉。 根據(jù)上述原理可知，當(dāng)確定了各生育階段的適宜水層 h max、h min、H p 以及階段需水強度e i, ，可用圖解法推求水稻灌溉制度。第31頁/共61頁第三十一頁，共62頁。2、旱作物的灌溉(gungi)制度采用水量平衡制定旱作物的灌溉(gungi)制度，以作物主要根系吸水層作為灌水的土壤計劃濕潤層(H)，并要求該土層內(nèi)的儲水量能保持在作物所要求的

22、范圍內(nèi)。(1)土壤計劃濕潤層的水量平衡方程式中；w0、wt ：時段初和任意時間t土壤計劃濕潤層內(nèi)的儲水量；wT ：由于計劃濕潤層增加(zngji)而增加(zngji)的水量；P0 ：土壤計劃濕潤層內(nèi)保存的有效雨量；K ：時段t內(nèi)的地下水補給量，即K=kt，k為t時段內(nèi)平均每晝夜地下水補給量；M：時段t內(nèi)的灌溉水量；ET :時段t內(nèi)的作物田間需水量，即ET =et , e為t時段內(nèi)平均每晝夜的作物田間需水量。第32頁/共61頁第三十二頁，共62頁。根據(jù)作物正常生長對農(nóng)田水分狀況的要求，任一時段內(nèi)土壤計劃濕潤層內(nèi)的儲水量Wt 應(yīng)滿足(mnz)： w min wt w max W min ：作物允許

23、的最小儲水量 W max ：作物允許的最大儲水量式（135）中有關(guān)參數(shù)的確定：1）土壤計劃濕潤層深度（H ）:系指計劃調(diào)節(jié)控制土壤水分狀況的土層深度，與作物品種、種類、發(fā)育階段、土壤性質(zhì)以及地下水埋深等因素有關(guān)。2)土壤適宜含水率適及允許最大 max、最小含水率 min:適通過試驗或由生產(chǎn)實踐經(jīng)驗確定。 土壤含水率應(yīng)滿足(mnz) min max max：以灌水不造成深層滲漏為原則，取田間持水率 f min：土壤允許最小含水率,應(yīng)大于凋萎系數(shù),取0.6f第33頁/共61頁第三十三頁，共62頁。3)有效(yuxio)降雨量(P0 )：式中：降雨有效利用系數(shù)(l yn x sh)，其值采用0.70

24、.9； P：實際降雨量。4)地下水補給量( K )：指地下水借土壤(trng)毛細(xì)管作用上升至作物根系吸水層內(nèi)而被作物所利用的水量，與作物種類、作物需水強度、計劃濕潤層含水量等有關(guān)。5)由于計劃濕潤層增加而增加的水量(wt):式中:H1、 H2 ：計算時段初、末計劃濕潤層深度(mm) ; A: 土壤空隙率 , 以占土體積的計 ; :(H2H1)深度內(nèi)土層中的平均含水率,以占孔隙率的。第34頁/共61頁第三十四頁，共62頁。若某時段內(nèi)沒有(mi yu)水的補給，其水量平衡方程為：W min :土壤計劃濕潤層內(nèi)允許(ynx)最小儲水量(m3/hm2或mm)則由上式可推出距離下次灌水時間間隔t :

25、相應(yīng)(xingyng)的灌水定額m：上述（1 40）（1 42）式可用土壤計劃濕潤層（H）內(nèi)儲水量的變化示意圖來表示。得出上述數(shù)據(jù)后，可以確定旱作物播前灌水定額和生育期的灌溉制度。第35頁/共61頁第三十五頁，共62頁。第36頁/共61頁第三十六頁，共62頁。（2）旱作物播前灌水定額(dng )（M 1 ）的確定式中：0：播前H土層(t cn)內(nèi)的平均含水率，以占孔隙率的計。（3）根據(jù)水量平衡，采用圖解法擬定早作物生育期的灌溉制度的步驟：1）根據(jù)各旬計劃濕潤層深度H 和作物所要求的計劃濕潤層內(nèi)土壤(trng)含水率的上限 max和下限 min，求出H土層內(nèi)允許儲水量上限W max（7）曲線及下

26、限W min（6）曲線(W max=A H max, W min=A H min) ,繪于圖1 12上； 2)繪制作物田間需水量(ET )（1）累積曲線、由于計劃濕潤層加大而獲得的水量(WT )（3）累積曲線、地下水補給量(K )（4）累積曲線以及凈耗水量(ET- WT- K）（1-3- 4）累積曲線；第37頁/共61頁第三十七頁，共62頁。3)由設(shè)計年各時段降雨量求出滲人土壤的有效降雨量P0 （2）逐時段繪于上；4)自作物生長初期土壤計劃濕潤層儲水量w0，逐旬減去(ET- WT- K)值，即自A點引直線平行于(ET- WT- K)曲線(qxin)，當(dāng)遇有降雨時再加上有效降雨量P0 ，即得計劃

27、濕潤土層實際儲水量(W )(5)曲線(qxin)；5)當(dāng)w 曲線(qxin)接近干w min時，即進(jìn)行灌水，灌水定額值也同有效降雨量P0一樣加在w 曲線(qxin)上；6)如此繼續(xù)進(jìn)行，即可得到全生育期的各次灌水定額、灌水時間和灌水次數(shù)。 7)全生育期灌溉定額， ，m i為各次灌水定額。 8)播前灌水定額M 1加上全生育期灌溉定額M 2,即得旱作物的總灌溉定額M，即第38頁/共61頁第三十八頁，共62頁。第39頁/共61頁第三十九頁，共62頁。第三節(jié) 非充分灌溉原理與作物(zuw)水分生產(chǎn)函數(shù)一、非充分灌溉原理的理論基礎(chǔ)按照傳統(tǒng)的灌溉理論，農(nóng)田灌溉以某一定作物獲得單位面積產(chǎn)量最高為工程設(shè)計的基

28、本役則，即滿足(mnz)農(nóng)田充分灌溉。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，全社會對水資源的需要不斷增長，不得不從根本上探討水資源的最合理利用方式，著重提高水的有效利用率，即產(chǎn)生了非充分灌溉理論。第40頁/共61頁第四十頁，共62頁。第41頁/共61頁第四十一頁，共62頁。二、水分虧缺對作物的影響及其判別指標(biāo)作物生長與土壤、大氣環(huán)境中的諸多因素有關(guān)，某因素的量值小于作物生長允許的下限值，則稱該因素處于虧缺狀態(tài)。在所有環(huán)境因素虧缺中，水分的虧缺對作物的影響最明顯。水分虧缺分為土壤水分虧缺和作物水分虧缺兩種。1、土壤水分虧缺及其原因 直接原因：是由于供給土壤的水分和作物的蒸發(fā)蒸騰不平衡所引起的。土壤供水不足緣于以下兒

29、方面：第一、作物生長某階段缺少灌溉；第二(d r)、土壤供水能力差，原有的儲水不足；第三、干旱并且降水少，而土壤耗水大。第42頁/共61頁第四十二頁，共62頁。土壤水分虧缺是從土壤水分供需平衡狀況來反映(fnyng)的，土壤水分虧缺常用下式表示：式中：SWD : 指某時段的土壤水分虧缺量(mm)； S : 作物根系吸水量(mm) ； E : 棵間蒸發(fā)量(mm) ； P : 有效降水量(mm)； G : 地下水補給量(mm)； I : 有效灌水量(mm)；SWG ：土壤有效儲水量(mm)。只有當(dāng)土壤水分虧缺SWD 超過一定(ydng)數(shù)值時，才會對作物生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響，此種現(xiàn)象就稱為土壤水分

30、的脅迫現(xiàn)象。第43頁/共61頁第四十三頁，共62頁。2、作物(zuw)水分虧缺及其原因一般情況下，當(dāng)作物(zuw)植株的蒸騰失水超過作物(zuw)根系吸水時，造成植物細(xì)胞體內(nèi)儲水量減少，葉水勢降低，此現(xiàn)象即為作物(zuw)水分虧缺。作物(zuw)水分虧缺指標(biāo)常用下式表示：式中： T：作物植株正常生長發(fā)育條件下的蒸騰量(mm)； S ：根系實際吸水量(mm) 。 只有當(dāng)作物水分(shufn)虧缺CWD 超過一定數(shù)值時，才會對作物生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響，此種現(xiàn)象就稱為作物水分(shufn)的脅迫現(xiàn)象。產(chǎn)生作物水分(shufn)脅迫的臨界水分(shufn)虧缺值決定于作物的種類、生長階段及氣象等因素。

31、第44頁/共61頁第四十四頁，共62頁。3、水分虧缺對作物生長的影響 （1）水分虧缺對作物生理過程的影響水分虧缺對作物生理過程的影響表現(xiàn)在5方面，較為明顯的是抑制作物器官和個體的生長發(fā)育。 （2）水分虧缺對作物干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的影響最終結(jié)果是導(dǎo)致作物干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的降低，其影響程度取決于水分虧缺的程度及發(fā)生水分虧缺的時間。通常把水分虧缺對作物產(chǎn)量影響最敏感、最嚴(yán)重的生育時期稱為作物需水關(guān)鍵期。大多數(shù)作物的需水關(guān)鍵期出現(xiàn)(chxin)在從營養(yǎng)生長到生殖生長的過渡階段。在灌溉水量有限條件下，首先應(yīng)保證作物需水關(guān)鍵期的水分供應(yīng)，把該時期的水分脅迫減少到最低程度即：有限的水量分配時，應(yīng)優(yōu)先保證需水關(guān)

32、鍵期的水分供應(yīng)。第45頁/共61頁第四十五頁，共62頁。第46頁/共61頁第四十六頁，共62頁。（3）水分虧缺對作物的有益作用適度的水分虧缺有益于提高作物產(chǎn)量和改善果實品質(zhì)，目前采用的調(diào)虧灌水技術(shù)，就是利用適度水分虧缺對作物有益作用的特點，在作物生長發(fā)育的某些時期人為造成一定(ydng)程度的水分虧缺，以影響光合產(chǎn)物向不向組織器官分配的傾斜，從而獲得提高產(chǎn)量而舍棄營養(yǎng)器官的生長量和有機合成物質(zhì)的總量。4、作物水分虧缺的判別指標(biāo)(1)判別作物水分虧缺狀況的土壤水分指標(biāo)土壤水分指標(biāo)常用以下幾種方法判別：1）土壤含水率指標(biāo)法當(dāng)土壤含水率接近凋萎系數(shù)時，作物嚴(yán)重受旱；當(dāng)土壤含水率界于調(diào)萎系數(shù)與作物生長

33、阻滯含水率之間，作物將處于中度受旱或輕度受旱狀態(tài)；當(dāng)土壤含水率界于作物生長阻滯含水率與田間持水率之間時，作物生長正常；第47頁/共61頁第四十七頁，共62頁。 2)土壤相對有效含水率指標(biāo)法即用相對有效含水率來反映作物(zuw)受旱情況：: 根系活動層的平均土壤含水率 f : 土壤田間(tin jin)持水率； w p: 凋萎系數(shù)。 3)旱澇指數(shù)法旱澇指數(shù)是反映土壤水分平衡狀況的指標(biāo), 計算公式為：E T m+ Wm /W p：需水量，P+R+W0/WP：實際供水量。一般來說：當(dāng)D 0.5時，作物(zuw)受旱；當(dāng)D0.50.8時，作物(zuw)受輕旱；當(dāng)0.8D 1.3時，作物(zuw)處于適

34、宜生長階段；當(dāng)D1.3時, 作物(zuw)受澇。第48頁/共61頁第四十八頁，共62頁。（2）作物水分虧缺狀況判別的水分生理指標(biāo)作物水分生理特征是反映作物水分虧缺狀況直接的指標(biāo)。1）葉水勢：葉水勢隨土壤含水量的不斷減少而下降。2）氣孔開度：在一定范圍內(nèi)，氣孔開度隨土壤可吸水量的增加而上升，當(dāng)土壤可吸水量達(dá)到某一臨界值以后，氣孔開度不再(b zi)升。根據(jù)作物品種、生長發(fā)育期、土壤特性等條件的不同，測定作物當(dāng)時的氣孔開張度的數(shù)值，就可以判定作物是否受旱。 3）細(xì)胞液濃度：在干旱缺水條件下，作物吸水困難，葉片組織的細(xì)胞液濃度相應(yīng)提高，因此可用細(xì)胞液濃度來判別作物是否受旱。第49頁/共61頁第四十九

35、頁，共62頁。（3）評價作物水分狀況(zhungkung)的葉溫指標(biāo)通常在灌溉用水中用冠層整體的溫度來作為植物水分狀況(zhungkung)的評價指標(biāo)，作為植物水分虧缺狀況(zhungkung)的指標(biāo)有如下幾種： 1)溫度脅迫指標(biāo)：指缺水與不缺水時的冠層溫度的差值。若其差值超過1.0，說明作物開始受旱，就需要灌水； 2)日缺水度S DD：指作物冠層溫度T C與氣溫T a的差值：式中： E Ta為作物的實際蒸發(fā)蒸騰速率(mm/d)；E Tm為充分(chngfn)供水時的潛在蒸發(fā)蒸騰速率(mm/d)。CWSI 0時，充分(chngfn)供水； CWSI 1時，作物蒸騰停止，嚴(yán)重缺水。第50頁/共6

36、1頁第五十頁，共62頁。三、作物水分生產(chǎn)函數(shù) 是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平基本一致的條件下，作物所消耗的水資源量與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系。1、以全生育期蒸發(fā)蒸騰(zhngtng)量為變量的水分生產(chǎn)函數(shù)模型式中： ET、ETm：作物全生育期內(nèi)的實際和最大蒸發(fā)蒸騰(zhngtng)量。2、以生育階段蒸發(fā)蒸騰(zhngtng)量為變量的水分生產(chǎn)函數(shù)模型 （1）相加模型 式中：k 為在生育階段(jidun)k作物對水分虧缺的敏感因子； n 為生育階段(jidun)數(shù)。第51頁/共61頁第五十一頁，共62頁。（2）相乘模型當(dāng)作物在某個生育階段受旱而死亡絕產(chǎn)(ju chn)的情況下仍能由相加算模型算出產(chǎn)量，相乘模型則在

37、一定程度上克服了此缺陷，代表的相乘模型有：通常情況下，作物在關(guān)鍵需水期，其敏感(mngn)指數(shù)大于其它非關(guān)鍵需水期的敏感(mngn)指數(shù)。第52頁/共61頁第五十二頁，共62頁。四、非充分灌溉條件下作物的灌溉制度非充分灌溉制度：就是在有限灌溉水量條件下，為獲取最佳的產(chǎn)量目標(biāo)，對作物灌水時間和灌水定額進(jìn)行最優(yōu)分配的灌溉制度。即解決好什么時候灌水、各次灌水如何分配有限水量的問題。在實踐上就是如何灌好“關(guān)鍵水” ，在理論上就是以水分生產(chǎn)函數(shù)為依據(jù)、制定出優(yōu)化灌溉制度。1、優(yōu)化灌溉制度的確定方法 (1)目標(biāo)：以單位面積產(chǎn)量最大目標(biāo)；(2)階段：以作物生育階段為階段變量；(3)狀態(tài)變量：旱作物：為各階段

38、初可供水量及計劃濕潤層內(nèi)可供作物利用(lyng)的土壤含水量；水稻：為各階段初可供水量及初始田面蓄水深度；第53頁/共61頁第五十三頁，共62頁。(4)決策變量：各生育階段的實際灌水量及實際蒸發(fā)蒸騰量(5)策略：各階段決策組成全過程的策略，即最優(yōu)灌溉制度2、優(yōu)化灌溉制度設(shè)計事例(1)目標(biāo)函數(shù)：以單位面積產(chǎn)量(chnling)最大為目標(biāo)，用Jensen模型(2)約束條件1)決策(juc)約束：式中：d i為i階段的灌水量(m3/hm2)；q i為i階段初始單位面積可供水量(m3)；M 為全生育期(qun shn y q)單位面積作物總可供水量(m3)；ET min, i和ET max, i分別為i階段的最小與最大蒸發(fā)蒸騰量(m3/hm2)。第54頁/共61頁第五十四頁，共62頁。2)土壤(trng)含水率約束：式中： i: i 階段含水率； wp、f：凋萎系數(shù)、田間持水率，以體積為百比計。(3)初始條件1)第一階段初土壤可利用(lyng)水量2)第一階段初可用的灌溉(gungi)水量式中：M 0為第一階段灌溉定額上限第55頁/共61頁第五十五頁，共62頁。(4)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程1)計劃濕潤層土壤(trng)水量平衡方程