第二章 节水灌溉基础理论.ppt
第2章 节水灌溉基础理论,第2章 节水灌溉基础理论,2.1 作物的水分生理2.2 作物需水量*2.3 作物水分生产函数2.4 节水型灌溉制度*,2.1 作物的水分生理,2.1.1 水分与作物生长发育的关系 2.1.2 水分亏缺对作物的影响2.1.3 作物对水分亏缺的适应性,2.1.1 水分与作物生长发育的关系,2.1.1 水分与作物生长发育的关系,2.1.1 水分与作物生长发育的关系,2.1.1 水分与作物生长发育的关系,2.1.1 水分与作物生长发育的关系,2.1.1 水分与作物生长发育的关系,2.1.2 水分亏缺对作物的影响,2.1.3 作物对水分亏缺的适应性,2.2 作物需水量,2.2.1 作物田间水分的消耗2.2.2 作物需水规律2.2.3 作物需水量的计算,2.2.1 作物田间水分的消耗,+,田间耗水量=腾发量+深层渗漏量,2.2.2 作物需水规律,1、作物需水量的影响因素,1、作物需水量的影响因素,1、作物需水量的影响因素,1、作物需水量的影响因素,2、作物需水临界期,农作物在整个生长发育过程中，不同的生长发育时期对水分的要求不同，对水分的敏感程度也不一样。当作物对缺水最敏感的时期，即由于水分缺乏，对作物产量有明显的影响，这个时期叫做作物需水临界期（也称关键期）。需水临界界期不一定是作物需水量最多的时期。不同作物的水分临界期不同，如豆类是在花芽分化至开花前，块根类蔬菜多在营养生长前期。各种作物的水分临界期长短不等，一般情况，临界期时间短的作物和品种对不良水分条件的适应能力强，反之较弱。,2.2.3 作物需水量的计算*,1、直接计算需水量的方法,2、通过计算参照作物的需水量来计算实际需水量,通过计算参照作物的需水量来计算实际需水量,1、计算参照作物的需水量2、计算作物实际需水量,Penman Monteith公式（FAO 1990）,式中：ET0-参照作物腾发量，mm/d;Rn-为作物表面的净辐射,MJ/(m2d)；G-土壤热通量密度，MJ/(m2d)；T-地面以上2m处的平均气温，；u2-地面以上2m处的风速,m/s；es-饱和水汽压，kpa；ea-实际水汽压，kpa；es-ea-饱和气压亏缺量，kpa；-水汽压力曲线斜率，kpa/；-湿度计常数，kpa/.,（1）确定es、ea,饱和水汽压es：,其中：eo(T)为气温为T时的饱和水汽压，kpa；Tmax、Tmin为地面以上2m处最高、最低气温，。,实际水汽压ea：,其中：RHmax、RHmin为最大、最小相对湿度，%。,缺乏资料RHmax、RHmin，而只有平均相对湿度的资料。,（2）湿度计确定,式中：P为大气压强，kpa；Z为海拔高度，m。,（3）确定作物表面净辐射Rn,式中：as、bs为短波辐射比例系数，我国一些地方的as、bs值，可以从表2-4中查的，如无实际的太阳辐射数据，可取as=0.25，bs=0.50。,n、N为实际日照时数与最大可能日照时数，,Rs-太阳短波辐射,（3）确定作物表面净辐射Rn,其中：,为24h内最高、最低绝对温度，K=+273.16,式中：Ra为晴空时太阳辐射，MJ/(m2d)（又称太空辐射），与纬度及年内所处的时间有关,Rnl-净长波辐射,（3）确定作物表面净辐射Rn,太阳辐射常数，0.0820MJ/(m2min),日地相对距离，,为纬度，北半球为正，南半球为负值。,为太阳磁角，。,s为日落时相位角,（4）土壤热通量G,以月为时段：,式中：,为第i月（计算月）土壤热通量密度；,为计算月下一个月和前一个月的平均气温，。,如果,未知，可按下式计算：,以日或更短的时间，则白天：,夜晚：,（5）确定u2,当实测风速距地面不是2m高时，可用下式调整：,式中：uz为实测地面以上Zm初的风速，m/s；Z为风速实测实际高度。,（6）水汽压力曲线斜率,【例2-1】,计算地点位于东经119.0o北纬34.0o，海拔高度11m。1980年8月气象资料为：月平均气温为24.2，最高日平均气温28.1，最低日平均气温为22.6，平均相对湿度为88%，10m高日平均风速为2.3m/s，日平均日照时数为6.49h。1980年7月和9月的月平均气温为26.3和23.2。试用Penman-Monteith法计算参照作物需水量。,Gsc-太阳辐射常数，0.0820MJ/m2min,计算Rn,2、计算作物实际需水量,作物系数，反映不同作物的差别。取决于冠层的生长发育。,土壤水分充足,Kc作物系数的随生育阶段的变化,Kc取决于作物冠层的生长发育。冠层的发育情况常用叶面积指数（LAI）描述。LAI为叶面积值与其覆盖下的土地面积的比率。,Kc作物系数的修正,修正后作物实际需水量公式：,Kc作物系数的修正,式中：Kcb基本作物系数，指土壤表面干燥、长势良好且供水充分时作物需水量与ET0的比值；Ks水分胁迫系数；Kw反映降雨或灌水后湿土蒸发增加对作物系数影响的系数,（1）基本作物系数,介绍FAO推荐伦鲍斯和普鲁伊提出，并经豪威尔等人修正的估算方法。,生育期,初始生长阶段,冠层发育阶段,生育中期,成熟阶段,(1)基本作物系数,A点-Kcb是已知的（约定取0.25），因此只需初始生育期占全生育期的比例Fs1.B点作物系数已达到峰值，确定该点需同时知道该点的基本作物系数Kcp和Fs2的值。C点基本作物系数与B点相同，因此只需要确定Fs3.D点一般位于成熟期末，由于作物生育期结束的时间是已知的，因此，确定D点只需知道改点的基本作物系数Kcm。,举例说明：,已知该时期为棉花的现蕾期其作物基本系数由0.25增加到1.05，现蕾期一共有42天，前一阶段幼苗期作物基本系数取0.25.计算kcb。,(2)水分胁迫系数,水分胁迫系数计算表公式,水分胁迫对需水量的影响可以通过以土壤水分胁迫系数来反映。可根据作物根区内贮存的总有效土壤水的百分比确定水分胁迫系数。,指土壤在田间持水量与永久凋萎点含水量之间能够保持的水量。,式中：Ks水分胁迫系数；c根区土壤有效水百分比的临界值（根据作物耐旱性的不同而变化）。在干旱条件下仍能维持ET0称为耐旱作物；对于耐旱作物c取25%，对于干旱敏感的作物c取50%。a根区土壤有效水百分比。,式中：a根区土壤有效水百分比 v当前土壤实际体积含水率，%；f田间持水率，（体积%）；p永久凋萎系数，（体积%）；,【例2-2】,设田间持水率和凋萎系数分别为25%和10%（均为体积含水率），甲、乙两田块实际含水率分别为16%和20%（均为体积含水率），已知甲、乙两田块上的作物均为对干旱敏感作物，参照作物腾发量为1.3mm/d，基本作物系数为1.1，求两种作物的实际腾发量。,（3）湿土蒸发对作物系数的影响,式中：Fw为湿润土壤表面的比例，见表2-7；f（t）湿土表面蒸发衰减函数，；t湿润后经过的时间，d；td为土壤表面变干所需的时间。,上述公式只能反映降雨或灌水后湿土蒸发增加对某一天的作物系数的影响，实际上往往需要计算某一时段的平均kw值。,式中：Af-平均湿土蒸发因子，可计算也可查表2-9。,2.3 作物水分生产函数,2.3.1 作物产量与全生育期总腾发量的关系2.3.2 作物产量与各阶段蒸发蒸腾量的关系,作物水分生产函数概念,作物水分生产函数概念,作物水分生产函数概念,作物水分生产函数概念,作物水分生产函数概念,作物水分生产函数概念,作物水分生产函数概念,作物水分生产函数概念,作物水分生产函数概念,我们主要讲的,有关作物水分生产函数定义：1.作物产量与需水量之间的函数关系被称为作物水分生产函数。（Water production function）2.指在农业生产水平基本一致的条件下，作物所消耗的水资源量与作物产量的关系。,需水量三种指标代表：灌水量、田间总供水量（=灌水量+有效降雨量+土壤储水量）、实际蒸发蒸腾量。,式中：Y-作物产量，kg/hm2；ET-蒸发蒸腾量，mm；a0、b0、a1、b1、c1为经验系数。,2.3.1 作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系,（1）作物产量与蒸发蒸腾量的关系用相对产量与相对蒸发蒸腾量的关系,2.3.1 作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系,式中：Ym、Y分别为充分供水时的最高产量和缺水条件下的实际产量，kg/hm2；ETm、ET分别为充分供水和缺水条件下全生育期总的蒸发蒸腾量，mm；Ky为作物产量对水分亏缺反映的敏感系数，亦称减产系数。,（2）考虑到高产时产量和缺水量的关系并非线性这一事实，相对产量与相对蒸发蒸腾量的关系用下式描述其适用性更强。,2.3.1 作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系,式中：Ky为作物产量对水分亏缺反映的敏感系数；n为根据受旱实验资料分析求的得得经验指数。,时间水分生产函数（dated water production function）包含供水时间和数量效应的作物产量与耗水量之间的函数关系。产量与各阶段蒸发蒸腾量的关系中，最简单的形式如下：,2.3.2 作物产量与各阶段蒸发蒸腾量的关系,式中：ETi、ETmi分别为第i阶段缺水和充分供水条件下的蒸发蒸腾量，mm/d；Kyi为作物产量对第i阶段缺水的敏感系数。说明：这种模型对于多数作物在缺水范围为1-ETi/ETmi0.5时是有效的，但它仅考虑了某一阶段缺水对产量的影响。,Kyi,【例2-3】已知：玉米全生育期从5月1日到8月31日（123d）。各生育阶段的天数及最大需水量见表2-13.试分析下列几种情况的产量损失：全生育期缺水85mm，并均匀地分布在整个生长期；拔节-抽雄期缺水85mm，其他阶段不缺水；抽雄-灌浆期缺水85mm，其他阶段不缺水。,2.3.2 作物产量与各阶段蒸发蒸腾量的关系,2.4 节水型灌溉制度,2.4.1 作物生育期灌溉制度概述2.4.2 旱作物灌溉制度2.4.3 水稻灌溉制度,2.4.1 作物生育期灌溉制度概述,作物的灌溉制度：为了达到满足作物生长需要而制定的适时适量进行灌溉的方案。,2.4.1 作物生育期灌溉制度概述,确定灌溉制度的方法：,2.4.2 旱作物灌溉制度,作物的灌溉制度：为了达到满足作物生长需要而制定的适时适量进行灌溉的方案。,旱作物播前灌溉定额旱作物生育期灌溉制度,式中：M1播前灌水定额，m3/hm2；为H深度内的土壤平均密度，t/m3；H为土壤计划湿润层深度，根据作物主要根系活动层深度确 定，m；maxH深度内土壤田间持水率（以占干土重的百分比计）；0H深度内播前土壤平均含水率（以占干土重的百分比计）。,旱作物播前灌水定额,旱作物生育期灌溉制度,旱作物灌溉制度的基本资料,旱作物灌溉制度的基本资料,旱作物灌溉制度的基本资料,旱作物灌溉制度的基本资料,H2-H1土层中平均含水率，取土壤时段初和时段末计划湿润层内含水率的平均值。,旱作物生育期灌溉制度,旱作物生育期灌溉制度,若W2Wmin，则本时段需进行灌水，灌水定额为m=Wmax-W2，实际应用时m取整数。灌水后该时段计划湿润层中的储水量为W2=W2+m若W2Wf（田间持水量），则会发生深层渗漏，渗漏量为f=W2-Wf，一般假定渗漏过程在本时段完成，则该时段末的计划湿润层中的储水量为W2=Wf。若WminW2Wf，则不需灌水，也不发生渗漏，直接进入下一阶段。,【例2-4】,计算某地区棉花现蕾期和开花结铃期灌溉制度。已知该地区土壤为砂壤土，田间持水率为38%（体积含水率），凋萎系数18.8%（体积含水率）。地下水埋藏较深，可不考虑地下水补给量。棉花全生育期分为4个生育阶段，即分为幼苗期、现蕾期、开花结铃期和吐絮期。现蕾期和开花结铃期计划湿润层见表2-16，适宜含水率上限和下限分别为田间持水率的90%和65%。现蕾期初计划湿润层储水量为76.08m3/亩。,2.4.3 水稻灌溉制度,1、水量平衡方程,淹灌条件下水稻灌溉制度,若h2hmin，则需进行灌水，灌水定额m=hmax-h2,实际取整。灌水后该时段末的水层深度h2=h2+m；若h2hp，则需进行排水，排水量为d=h2-hp，一般假定排水在本时段末完成，则该时段末水田水层深为h2=hp。若hminh2hp，则不需灌水也不需排水，直接进入下一阶段。,淹灌条件下水稻灌溉制度,传统淹灌：自水稻插秧到黄熟落干前始终维持一定水层（除晒田外）；节水灌溉：主要特征是淹灌与湿润灌溉相结合。一般在返青期和孕穗抽穗时期需维持一定深的水层，其他阶段不必维持水层，只需保持一定的含水率即可。,淹灌与湿润灌相结合条件下水稻灌溉制度,*浅湿灌溉过程可分解为若干个灌水周期，每个灌水周期都包括一个浅水层阶段和一个无水层的湿润阶段，灌溉时间取决于土壤所允许的最小含水率指标，即土壤水分控制指标。,淹灌与湿润灌相结合条件下水稻灌溉制度,1、灌水定额 从浅水层耗尽到土壤水分继续减少到预订指标则需灌水，灌水定额为：,淹灌与湿润灌相结合条件下水稻灌溉制度,式中：m灌水定额，m3/亩；H为计划湿润层深度，一般主要为水稻主要根系分布层厚度，mm；土壤干密度，t/m3；土壤饱和含水率（以占土重的百分比计）；n为土壤含水率下限指标，以饱和含水率的百分比表示。,表示饱和土壤所需的水量,建立规定的水层所需的水量,2、灌水周期 理论上一个灌水周期为两次灌水间隔时间，即：,淹灌与湿润灌相结合条件下水稻灌溉制度,1、2分别为有水层期间和无水层期间的降雨有效利用系数；P1、P2分别为有水层期间和无期间的降雨量，mm；e1、e2分别为有水层阶段和无水层阶段平均耗水强度，mm/d。,需要说明:理论上说：耗水强度影响因素较多：1、前期土壤含水率大于田间持水率，耗水强度中包括田间渗漏量，即田间耗水强度=腾发强度+渗漏强度；2、后期土壤含水率小于田间持水率时，不再虑田间渗漏量，且需扣除地下水补给量，即田间耗水强度=腾发强度-地下水补给量。3、实际应用时，宜根据当时试验观测资料确定，即在观测无水层阶段初期、中期和后期分别观测耗水强度，并取平均值。,淹灌与湿润灌相结合条件下水稻灌溉制度,【例2-5】设某灌水周期内无雨，计划灌水层0-30mm，自然落干至土壤水分为饱和含水量的80%时再行灌水。已知20cm土层平均土壤密度为1.5t/m3，土壤饱和含水率为40%，有水层阶段耗水强度e1为9mm/d，无水层阶段的平均耗水强度e2为6mm/d。（1）试计算灌水定额和灌水周期。（2）设灌水周期开始时降雨5mm，在湿润期间又降雨10mm，降雨有效利用系数均为1，试计算灌水定额和灌水周期。,淹灌与湿润灌相结合条件下水稻灌溉制度,
