[理学]农田水利学3-2作物需水规律.ppt

第二章 农田灌溉原理 （二）作物需水规律 第二节：作物需水规律 v1、作物需水量 v2、作物水分生产函数 农田水分调节的目的就是要为作物生长创造一个 良好的环境，那么对作物生长而言，究竟什么样 的环境是良好的呢？这就要研究作物的需水规律 ，研究作物的生长对水的需求问题。同时，农业 生产是一个经济活动，要考虑经济效益，这就提 出了作物水分生产函数问题。 （一）、作物需水量 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。因此，它是水资源开发利 用时的必需资料，同时也是灌排工程规划、设计、管理 的基本依据。目前全世界的用水量不断增长，水资源不 足日益突出，对作物需水量的研究和估算，已成为一个 重要研究课题。 根系 吸水 植物体 输水 植物体 蒸腾 （1）农田水分消耗途径 植株蒸腾 棵间蒸发 农田渗漏 1、农田水分消耗构成分析 作物需水量 a、植株蒸腾量 b、棵间蒸发量 c、田间渗漏量 d、组成植物体及光合作用等生理过 程的需水量 （2）农田水分消耗量的构成 渗漏量的大小与土壤性质、水文地质条件等因素有关，它和腾发量的性质完全 不同,并且主要是稻田渗漏。因此，一般都是将腾发量与渗漏量分别进行计算。 农田水分消耗的途径实际就是其构成。包括： 由于组成植物体及消耗于光合作用过程 的水量一般小于作物蒸发蒸腾量的 1% ，故在生产实践中常予以忽略。 作物需水规律需水量 2、作物需水量与潜在需 水量 作物需水量：把作物生育期内 的作物蒸发蒸腾量之和称之 为作物需水量。 作物潜在需水量：“生长在大面 积上的无病虫作物，在最佳 的水、肥等土壤条件和生长 环境中，能获得最高增产潜 力所需满足蒸发蒸腾的水量” 。是作物需水量的最大值。 田间耗水量:对于稻田,将 作物需水量与田间渗漏水 量相加而得。 农 田 水 分 消 耗 量 作物腾发量（作 物需水量） 田间损失量 植株蒸腾量 棵间蒸发量 深层渗漏量 田间渗漏量 生理需水 生态需水 对旱地 对水田 作物田间（农田）耗水量的结构关系 作物需水规律需水量 作物需水规律需水量 不同作物、不同地区、不同水文年作物需水量不同 作物需水规律需水量 3、作物需水量的确定 （1）影响因素分析 影响作物需水的因素很多，归纳 起来有自然和人为两大类。自 然因素包括气象、土壤、作物 3种，人为因素有灌排措施、 耕作措施等。 由于各种因素相互联系，错综复 杂，目前还难以从理论上进行 精确计算，但可以以一两种主 要因素建立模型计算。 根系 吸水 植物体 输水 植物体 蒸腾 实践中常采用实验法和 计算法来确定需水量 作物需水规律需水量 （2）作物需水量计算 的数学模型 对影响作物蒸发蒸腾的主 要因素气象(M)、作物 (C)、土壤(S)以及农业 耕作措施(P)用数学模 型表示： ET=f(M、C、S、P) SPAC系统中的水分运移 根系 吸水 植物体 输水 植物体 蒸腾 作物需水规律需水量 4、作物需水量的计算 （1）、直接计算法 a、以产量和需水的相关关系 计算 ET=K*Y b、以水面蒸发和作物需水的 相关关系计算 ET=a*E0 计算法分为直接计算和 间接计算两种 实践中常采用实验法和 计算法来确定需水量 作物需水规律需水量 作物需水规律需水量 （2）、间接计算法 通过参照作物需水量的计算间接计 算。 影响作物蒸发蒸腾的主要因素中，气象因 子规律性比较强，资料容易获得，在 水分充足时也是主要因素，作物、土 壤以及当地的条件和农业措施变化比 较复杂，因此，一般把气象因子单独 考虑，以此建立模型。具体为： 第一步：考虑气象因素对作物需水的影响 ，计算参考作物腾发量； 第二步：考虑土壤水分、作物因素的影响 ，对参考作物需水量进行调整或修正 ，从而计算出实际需水量。 作物需水量计算的 数学模型 ET=k*f(M) 在实际中，作物因子、土壤及 其它因子另作系数k处理。 作物需水规律需水量 目前国内外多采用参考作物 (紫花苜蓿)的蒸发蒸腾量 (ET。)来表示气象因子对作 物需水量的影响（苜蓿需水 量主要受气象条件的影响） 通过参考腾发量的计算，间 接计算实际腾发量： ETC=KC* K*ET0 式中：KC、 K分别为作物和土 壤系数。 当土壤水分充足时，K=1。 作物需水规律需水量 “从高度一致，生长旺盛，完 全 遮盖住地面且不缺水，8- 15cm高的开阔（地块长宽 都大于200米）草地上（苜 蓿草）所蒸发蒸腾的速率” 即： ET0 =f(M) 上式表达的是作物蒸腾量与气象 的关系. a、参考作物蒸发蒸腾量（ET0） 作物需水规律需水量 国际粮农组织推荐的参考作物需水量计算的数学模型彭曼 公式是按能量平衡原理来计算的。 将作物腾发看作能量消耗过程，通过能量平衡计算求出腾发 过程所消耗的能量，然后再将能量折算为水量，即作物 需水量。而能量的来源就是太阳的辐射能量，这个能量 是可以计算的，约为太阳辐射能量40%。能量与水气化 的能量关系是：每蒸发1克水，消耗 600 卡的热能，即 农田水分消耗将等于(0.4R卡/平方厘米)/(600卡/立 方厘米)=R/1500厘米。因此,只要测出能量的消耗量 ，即转化量，就可推算出水分的气化量。 如，某地区4-9月份R=423.6卡/平方厘米/日，则平均 潜在腾发量=423.6/1500=0.282cm/日 受风力、海拔、地理位置、作物叶面积等影响，实际情况要复杂得多! 作物需水规律需水量 1948年由彭曼提出，经多次修正，1979年联 合国粮农组织向各国推荐的具体计算式为： 昼夜因子 海拔 因子 太阳短波 辐射 空气动力项 饱和水气压实际水气压风函数 辐射项 此式以能量转换为主,同时考虑到空气动力学等气象因素。 作物需水规律需水量 式中： ETo为参考作物蒸发蒸腾量 (mmd)； C为补偿昼夜天气变化的修正 系数； W为与温度和海拔高度有关的 权重因子； f(u)为风函数， U2为距地面2m高处的日平均 风速(kmd)； 大气圈 作物需水规律需水量 Rn为太阳净辐射量； Rns为太阳净短波辐射量； a为地面反射率，对大部分作物取 15-25； Rs为到达地面的阳光辐射能量； Ra为大气圈外接受的阳光辐射能 量(可查表) 作物需水规律需水量 N为最大日照时数， n为实测日照时数。 为斯瑞藩鲍茨曼常数 2.01*10-9（mm/日度4） Tk为绝对温度: 273+T Rnl为净长波辐射量，计算式: ea、ed为平均气温下 空气的饱和水汽压与实 际平均水汽压(102Pa ) 。 以上各数据可从气象站获得 （一般为表格），或换算得 到。 国内也绘制了参考作物 需水量等值线图，对计算作 物需水量很有实用价值。 各种气象资料表 返回算例 返回算例 返回算例 返回算例 返回算例 返回算例 返回算例 返回算例 返回算例 11 f（ed ） 返回算例 返回算例 某地，北纬39o20，地面高程100m， 计算月份为5月，最高温度28oC，最低温度 12oC，平均温度20oC，最大相对湿度70% ，最小相对湿度30%，平均相对湿度50%， 夜晚风速u夜=2.9m/s，日间风速u昼 =2.87m/s，平均风速u=2.88m/s，n/N=65% 。种植作物为小麦。 计算：作物需水量 算例 资料 ： 计 算 过 程 资料项目月份与数值 平均温度20oC 平均相对湿度50% 地面2m高出风速177km/d 海拔高度100m 月份 5 纬度39o20”，n/N=65% a取0.25 ed=11.7 u昼/u夜=1 Rhmax=70% Rs=9.43 U夜=2.87m/s ea （mbar）（查表4）23.4 ed=ea*RH (mbar）11.7 ea-ed (mbar)11.7 f(u) =0.27（1+u/100） (查表7 或计算）0.75 (1-w) (查表8)0.32 (1-w)f(u)(ea-ed) (mm/天)2.81 Ra (mm/天)(查表1)16.4 Rs=(0.25+0.5n/N)Ra (mm/天)9.43 Rns=(1-a)Rs (mm/天)7.07 f(T) (查表10)14.6 f(ed) (查表11)0.19 f(n/N) (查表12)0.69 Rnl=f(T).f(ed).f(n/N) (mm/天)1.91 Rn=Rns - Rnl (mm/天)5.16 W (查表3)0.68 w.Rn (mm/天)3.51 C (查表13)0.96 ET0 (mm/天) ET0 =0.96(0.68*5.16+0.32*0.75*11.7)6.07 Kc查表14ET作=Kc*ET0=1.05*6.076.37 作物需水规律需水量 b、作物系数Kc计算 当土壤供水充分时，作物 系数Kc是作物需水量与 参考作物蒸发蒸腾量的 比值，即： Kc=ETc/ETo ETC=KC* K*ET0 ETo是参考作物的需水量，它反映的是气象因素的 影响，但是不同作物的需水量是不一样的，还必须 研究作物系数，把ETo换算成实际作物的需水量。 作物需水规律需水量 一般可将作物全生育期划分为4个阶 段： 初期：发芽与早期生长阶段， 地面覆盖率10%。 发育期：从初期阶段后期到地 面完全有效覆盖，覆盖率= 70 - 80。 中期：从地面完全覆盖到开始 成熟。 后期：从中期阶段后期到完全 成熟或收获期。 Kc随作物种类、生育阶段及各主要季节的气候条件而 变化。但参考作物和实际作物受气象因素影响是同步 的，所以Kc值在各水文年相对稳定。 Kc可查有关作物表 ，也可试验获得。 从表中数 据可以看 出：在作 物生育前 期和后期 ，作物系 数均小于 1，即需 水强度比 参考作物 要小；生 育中期则 等于或大 于1，需 水强度比 参考作物 要强。 ETC=KC* K*ET0 返回算例 20% 上例中 ： 作物需水规律需水量 c、缺水条件下土壤因子K的计算 ETC=KC* K*ET0 充分供水条件下土壤因子影响不大,可取K=1。而 作物在缺水条件下土壤水分对实际蒸发蒸腾量影响 较大。这就是一些资料介绍的水分亏缺问题。 缺水条件下的计算公式很多，这里仅介绍两个。 作物需水规律需水量 缺水条件下土壤因子的康绍忠计算式 K 为土壤水分修正函数； c、d 是由实测资料确定的经验系数； C 是田间持水量。 wp 为凋萎系数含水量。 为实际含水量 作物需水规律需水量 缺水条件下土壤因子的Jensen公式 式中符号如前介绍。 作物需水规律需水量 5、作物需水规律 （1）、需水规律 作物需水量在作物的不同生 育阶段的变化和分配规律 称为作物的需水规律或需 水模系数（ki），通常以 作物各生育阶段的需水量 占全生育期作物需水总量 的百分比表示。 式中： Ki为需水模数； ei为i时期的耗水量; ET0为全生育期耗水量 作物需水规律一般由田间 试验实测得出，使用时可 采用类似地区资料 作物需水规律需水量 （2）、需水临界期 作物任何生育阶段缺水都会 对作物的生长发育及产量 产生影响，但不同生育阶 段作物对缺水的敏感程度 不同。通常把作物在整个 生育期中对缺水最敏感， 需水量最迫切以至对产量 影响最大的生育期，称为 需水临界期或需水关键期 。 Ki 生育期 需水临界期 作物需水规律需水量 各种作物的需水临界 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。这一 时期也是产量形成 对水分需求最为敏 感时期。 Ki 生育期 营养生长向生 殖生长过渡期 （二）、作物水分生产函数 作物生长发育要求一定的光、热、水和营养，缺一 不可。 某一因子如果是最低限度，即成为产量的限制因子 若仅以变动资源中的水为研究对象，其它因子均视 为固定投入，则作物产量y与水分投入量w之间存 在一定的函数关系： y=f(w) 作物水分生产函数的研究目的，就是要使有限的水资源投入 能够获得最大化的经济利益。 一是要考虑水资源在灌溉面积上的分配； 二是要考虑水资源在作物生育期上的分配。 作物需水规律水分生产函数 按照经济学的 观点，灌溉 水量是农业 生产中生产 资源的投入 量，而作物 产量是农业 生产产品的 产出量。因 此，作物产 量与水分的 数学关系称 为作物水分 生产函数。 效 益 费 用 投入水量 水量效 益关系 曲线 水量费用 关系曲线 损失 效益 Ed Em Ey Wd WmWyWo 从前面的分析可以看出，要考虑经济效益就存在作物灌 水不充分的问题。在传统的灌排工程中，农田灌溉是 以一定作物获得单位面积最高产量为目的，在此理论 的指导下，田间耗水、灌溉制度、灌溉用水等均建立 在充分灌溉的理论基础上，以此提出了分充分灌溉的 理论，这与经济效益最大化往往是矛盾的。 作物需水规律水分生产函数 非分充分灌溉是以经济效益最大化为目的的，其研究办法 和理论就是作物水分生产函数。 非充分灌溉可以理解为：灌水量不能完全满足作物的生长 发育全过程需水量，需要将有限的水科学合理(非足额) 安排在对产量影响比较大，并能产生较高经济价值的需 水临界期供水，而在非水分临界期少供水或不供水。 非充分灌溉作为一种新的灌溉制度，不追求单位面积上最 高产量，允许一定限度的减产。在水资源有限地区，建 立合理的水量与产量关系模式，通过增加灌溉面积而获 得大面积总量的均衡增产，力求在水分利用效率产量 经济效益三方面达到有效统。 作物需水规律水分生产函数 作物需水规律水分生产函数 1、模型类型 作物水分生产函数的构建，根据研究的出发 点和使用指标不同有多种模型。 通常有以 下两类： （1）、作物产量与全生育期腾发量模型 （2）、作物产量与生育期各阶段腾发量模型 作物需水规律水分生产函数 2、作物产量与全生育期蒸发蒸腾量模型： （1）、总量模型 线性关系： 二次抛物线型： 其中：是作物产量； ET0是蒸发蒸腾量； a0、b0、a1、b1、c1是经验系数。 作物需水规律水分生产函数 （2）、相对量模型 线性模型： 指数模型： 作物需水规律水分生产函数 其中： y、EI0分别为缺水条件下的作物实际产量与全 生期总的蒸发蒸腾量； ym、EIm分别为充分供水时的最高产量和全生育 期总的蒸发蒸腾量； Kr为作物产量对水分亏缺反应的敏感系数，亦 称减产系数。 m为根据受旱试验资料分析求得的经验指数。 作物需水规律水分生产函数 3、作物产量与生育期各阶段腾发量模型 （1）、相加模型 或 式中：ETi，ETmi，分别为第i阶段实际蒸发量， 最大蒸发量 n为全生育期的阶段数 kyi 、kyi缺水敏感系数，亦称减产系数 作物需水规律水分生产函数 （2）、相乘模型 Jensen模型： 式中： i为某作物第i阶段缺水对产量影响敏感指数 作物需水规律水分生产函数 在相乘模型中，作物缺水敏感指数(i )的变化规律： 作物缺水敏感指数随生育期变化： 作物缺水敏感指数随作物生育期变化，在作物需水关 键期，缺水敏感指数最大即此阶段缺水对产量的影响 最强烈。 环境因素对缺水敏感指数的影响： 通过多年实测的非充分灌溉(作物受旱)试验，可发现 历年 i值并不稳定，表现出干旱年的 i 大于湿润年 的，即在干旱年份作物产量对缺水的敏感性大于湿润 年份。 需水关键时期，缺水敏感指数(i )最大。 作物需水规律水分生产函数 作物 种类 站 名 各生育期的敏感指数入i 入1 入2 入3 入4 入5 夏玉米 春小麦 冬小麦 棉 花 棉 花 籽 瓜 白兰瓜 郑 州 凉 城 宿 县 夹马口 民 勤 民 勤 民 勤 01849 00120 02675 03126 0245 0108 0169 02468 02309 00613 04197 0172 0062 0265 05879 04186 037865 06495 0469 0256 0375 02871 06460 05951 03819 0063 0200 0033 0.3284 0.2918 -0.038 作物需水规律水分生产函数 上述几种作物的生育期划分为： 夏玉米：定苗拔节，拔节抽雄，抽雄灌浆， 灌浆收获； 棉花：播种现蕾，现蕾开花，开花