灌溉理论研究与进展 PPT课件

1 灌溉理论研究与进展 2 提纲 一 作物与水分的关系二 我国灌溉农业发展的历程三 节水农业的基本概念与节水途径四 灌溉管理的节水潜力五 作物非充分灌溉理论六 调亏灌溉理论七 控制性交替灌溉理论 3 一 作物与水分的关系 生产实践证明 农作物从播种到收获 每时每刻都离不开水 因此 水对农作物生长发育至关重要 无论是旱作农业还是灌溉农业 都必须解决好 水 这个举足轻重的大问题 4 一 作物与水分的关系 水是农作物的命脉 作物生命活动的维持及其生长发育都离不开水 作物干物质形成与积累的过程就是水分大量消耗的过程 如玉米每形成一单位重量的干物质要利用或消耗1000单位重量的水 从构成植物干物质的化学成分上看 植物只利用通过植物体的水分的0 2 左右 其余99 8 的水分则是通过叶片被植物蒸腾而散失到大气中 作物缺水时 轻则减产 严重时可能造成绝产 5 一 水分与作物生长发育的关系 水是构成作物有机体的主要成分 作物的含水量 叶片含水量可达叶重的80 95 根部的含水量可占根部重量的70 90 干燥种子的含水量占种子重量的10 15 蔬菜作物其产品均是柔嫩多汁的器官 含水量都在90 以上 其中白菜 甘蓝 芹菜等的含水量达到93 96 6 一 水分与作物生长发育的关系 作物体内水分存在的状态 水分在作物细胞内通常呈束缚水和自由水两种状态 束缚水 自由水 靠近原生质胶体微粒而被胶体吸附不易自由流动的水分 不参与代谢作用 其数量多少与作物的抗性大小有密切的关系 距离胶体较远且可以自由流动的水分 自由水参与各种代谢作用 它的数量制约着作物的代谢强度 如光合速率 呼吸速率 生长速率等 7 一 水分与作物生长发育的关系 水分在作物生命活动中的作用 水分能保持作物的固有状态水分是原生质的主要成分水分是作物代谢过程的反应物质水分是作物对物质吸收和运输的溶剂 8 一 水分与作物生长发育的关系 2 水是制造养分的原料 叶绿素 6CO2 6H2OC6H12O6 2707千焦 6O2 9 一 水分与作物生长发育的关系 3 水是作物体内运输养料的载体 作物体内所需的各种矿质营养元素是通过根系从土壤中吸取的经过根系吸收进来的矿物质营养元素 除少量就地参与新陈代谢活动外 大部分元素离子由导管向地上各部分的组织运送 在向顶部运输的同时 还进行横向运转 养分输送的动力来自于蒸腾作用作物叶片进行光合作用所制造的有机物也要在水溶液状态下 借助于体内的输导组织 将养分运送到茎 花 根 种子等器官中积累供作物生长需要 10 一 水分与作物生长发育的关系 4 水是调节作物生长环境的媒介 农作物的生长发育及产品器官的形成 都需要在一定的环境条件下才能进行 其主要的环境条件包括 温度 空气温度和土壤温度 水分 土壤含水量和空气相对湿度 光照 光的组成 光的强度及光周期 土壤 土壤中的理化性状及土壤肥力等 空气 大气 土壤中的空气 生物条件 土壤微生物 杂草 病虫害等 11 二 水分亏缺对作物的三种重要影响 从使用管理水分的角度出发 作物体内的水分亏缺到什么程度 产量才会急剧降低 这是人们较为关心的问题 通过考察水分亏缺对作物的三种主要影响 即可得到较为深刻的认识 水分亏缺对细胞扩张 延伸 生长的影响 水分亏缺对植株叶片光合作用的影响 水分亏缺对受粉 受精和结实的影响 12 三 作物对水分亏缺的适应性 逃旱 以严重牺牲产量为代价 避旱 适水生长 御旱 充分发挥自身的渗透调节功能 维持作物水分状况收支平衡 13 四 作物所需水分的来源 天然降水 人工浇灌的水 地下水 土壤水 14 五 作物需水临界期 几种主要作物的需水临界期 15 二 我国灌溉农业的发展历程 灌溉农业是指种植业在土壤水分不足的情况下 通过人工对土壤进行有节制的灌水 以补充水分的不足 保持作物容根层水分有一个最优状态 从而满足作物生长发育对水分的需要 以获得农作物高产高效栽培目的的农业 反之 只靠自然界降水补给 不进行人工灌溉的农业 称为旱作农业 也称 雨养农业 16 二 我国灌溉农业的发展历程 灌溉农业 水源 输水工程 灌溉管理 灌水方式 17 二 我国灌溉农业的发展历程 早在夏商时期 我国劳动人民在作农田规划的时候 就已注意到了灌溉的水源问题 到了商代 沟 洫工程开始有了文字记载 洫指的是田间的水道 沟和洫都是灌溉农田的逐级渠系 春秋战国时期 为了适应农田灌溉的需要 兴建了较大规模的农田灌溉工程 如漳水十二渠 四川都江堰以及陕西的郑国渠等工程 18 西汉农学家汜胜之在 瓠区种法 中就提出了 遥润 这一十分科学的灌溉技术 后魏贾思勰著 齐民要术 一书 在 种瓜 种芋 等提出了 旱则浇之 的灌溉原则 到了元代 王祯进一步明确了 旱则浇灌 涝则泄去 的灌溉与排水的关系 以后的历代对灌溉又有了新的发展 二 我国灌溉农业的发展历程 19 新中国成立以后 随着农业生产的发展 我国农田水利事业得到了迅速的发展 兴建了大量的农田水利工程 这些水利工程在抗御水旱灾害中发挥出了重要的作用 为发展我国农业生产和多种经营奠定了物质基础 使全国的农田灌溉面积从解放初期的2 4亿亩 发展到2000年初的8 9亿亩 粮食产量达52005 108千克 其中相当大的部分是在我国北方地区 农田灌溉事业的发展 对保证我国农作物的高产高效起着重要的作用 二 我国灌溉农业的发展历程 20 我国北方地区农田灌溉事业的发展大体上可划分为三个阶段 1 兴修水利工程2 开展机井建设3 发展节水灌溉 二 我国灌溉农业的发展历程 21 三 节水农业的基本概念与节水途径 基本概念 节水灌溉 Water savingIrrigation在充分利用降水和土壤水的前提下高效利用灌溉水 最大限度地满足作物需水 以获取农业生产的最佳经济效益 社会效益 生态环境效益 22 三 节水农业的基本概念与节水途径 基本概念 节水农业 water savingAgriculture充分合理利用各种可用水源 采取水利 农业 管理等技术措施 使区域内有限的水资源总体利用率最高及其效益最佳的农业 即节水高效的农业 23 三 节水农业的基本概念与节水途径 农业节水 与节水灌溉的涵义类似 但其节水的范围更广 更深 包括生物节水 农艺节水和旱作农业节水等 它是以水为核心 研究如何高效利用农业水资源 保障农业可持续发展 农业节水的最终目标是建设节水高效农业 节水农业 类似 节水型农业 是指农业的一种类型 重点研究如何按照节水的要求规划 建设和管理农业 两种提法的研究内容和重点不同 适用的场合不同 不能混淆或相互代替 易混淆的两个概念 农业节水 节水农业 24 三 节水农业的基本概念与节水途径 节水途径 要将自然界的水转化为农作物产量 一般要经过以下四个环节 1 对水资源进行合理开发 使其成为农业可用水源 2 将水从水源输送至田间 3 把引入田间的水 均匀地分配到指定的面积上贮存到土壤中 4 作物经根系吸收土壤水 通过作物体内生理 生化过程转化形成经济产量 25 三 节水农业的基本概念与节水途径 节水途径 源头节水 开源与节流 水资源合理开发利用 输水节水 减少渗漏 蒸发和径流损失 田间节水 减少棵间无效蒸发 降低奢侈蒸腾 管理节水 适时适量灌水 26 三 节水农业的基本概念与节水途径 主要技术措施 农业水资源合理开发利用技术措施 水资源优化分配技术 多水源联合运用技术 雨水汇集利用技术 地下水利用技术 劣质水安全利用技术 27 三 节水农业的基本概念与节水途径 主要技术措施 节水灌溉工程措施 管道输水灌溉技术 渠道防渗技术 喷灌技术 微灌技术 膜上灌技术 地下灌溉技术 坐水种枝术 沟畦改造技术 28 三 节水农业的基本概念与节水途径 主要技术措施 农艺节水技术措施 耕作保墒技术 覆盖保墒技术 水肥耦合技术 节水品种筛选技术 化控保水节水技术 29 三 节水农业的基本概念与节水途径 主要技术措施 节水管理技术措施 节水灌溉制度 土灌壤溉墒预情报监技测术与 灌区配水技术 灌区量水技术 现代化灌溉管理技术 30 四 灌溉管理的节水潜力 31 专家指出 仅在浇水方式和方法两方面 即可望节省水量1 3 1 2 显见 灌溉管理的节水大有潜力可挖 四 灌溉管理的节水潜力 32 四 非充分灌溉理论 当作物在各个生育阶段所需的水分都得到充分满足 即作物生长发育处于最佳水分环境 配合相应的农业管理技术 使作物产量达到最高 Ymax 此时大田作物的实际蒸发蒸腾量称ETmax 这种灌溉则称为充分灌溉 由此即可定义如下 非充分灌溉的基本概念 33 四 非充分灌溉理论 非充分灌溉的基本概念 1 当灌溉时的腾发量符合以下等式约束条件 则成为充分灌溉 ETa ETm式中 ETa 实际腾发量 即蒸发蒸腾量简称 ETm 使作物产量达到Ymax的相应腾发量 即最佳水分环境的作物腾发量ETmax的简称 或简写为ETc 2 当灌溉时的腾发量符合以下不等式约束条件 则称非充分灌溉 ETa ETm 34 四 非充分灌溉理论 非充分灌溉研究进展 非充分灌溉 UnsufficientIrrigation 国外也称限水灌溉 LimetedIrrigation 或腾发量亏缺灌溉 EDI 60年代中期 Jensen和Sletten研究发现 水分亏缺对高粱的影响仅当每次灌前土壤的相对有效含水率 Aw 下降至25 以下时 产量才会较大减少 35 四 非充分灌溉理论 非充分灌溉研究进展 70年代 美国加里福尼亚州和俄勒冈州的干旱地区开始非充分灌溉试验 80年代 在美国俄勒冈州东部的一些农场 由俄州大学 1980 1982 在Hermeston地区对冬小麦进行非充分灌溉 使总控制水量 包括降水和灌水量 保持在ETm的80 水平 获得良好效果 36 四 非充分灌溉理论 非充分灌溉研究进展 我国非充分灌溉研究开始较晚 但发展较快 主要体现在以下几个方面 l 在国家行业标准灌溉试验规范 SL13 90 中增加了作物受旱试验及灌溉效益试验内容 近10年来 一批试验站在高等院校和科研单位帮助下 开展了非充分灌溉的专门试验研究 37 四 非充分灌溉理论 非充分灌溉研究进展 2 在吸收 消化国外非充分灌溉理论与技术的同时 结合国情开展了作物 水模型的考核和筛选 参数的推求 并探索新的模型建模 对缺水条件下的作物反应及对产量的影响 从土壤物理 植物生理 农田微气候 节水高产和灌溉原理等多学科的结合方面 开展了综合学科的有益探索 有助于非充分灌溉原理的深化研究 38 四 非充分灌溉理论 非充分灌溉研究进展 3 在SPAC的物质和能量利用 动态模拟的非充分灌溉学科前沿 取得了一些初步进展 如根系吸水量的宏观模型 叶水势的电模拟 缺水条件下作物腾发的数值模拟 土壤水分有效性的系统评价及水分生态环境等 均有所进展 为非充分灌溉理论的深入 机制揭示和探讨各个环节的节水作用与节水潜力提供科学依据 39 四 非充分灌溉理论 非充分灌溉研究进展 4 在大系统 非充分灌溉目标规划的管理中 提供了经济灌溉定额 优化灌溉制度 最优灌溉面积和动态用水计划 以及各种水源联合利用的多类灌区的优化管理模型和模拟技术 指导了我国在非充分灌溉的各个环节和系统管理策略优化 从而促进了节水灌溉的科学管理的进程 40 四 非充分灌溉理论 水分亏缺的基本概念 水分亏缺一般包括土壤水分亏缺和作物水分亏缺两种 1 土壤水分亏缺从土壤水平衡的观点出发 在某一阶段或作物全生育期内 供给土壤的水量小于土壤水分消耗量时 产生土壤水分亏缺 SoilWaterDeficit 简为SWD 在一般情况下有 41 四 非充分灌溉理论 水分亏缺的基本概念 土壤水分亏缺量 SWD 仅从土壤水分供需平衡状况反映了土壤水分状况 只有当SWD大于某一数值时 才会对作物生长发育产生不利影响 因此 从作物生长的角度出发 引入土壤水分胁迫 SoilWaterStress简为SWS 的概念更合适 即 42 四 非充分灌溉理论 水分亏缺的基本概念 式中 SWS 土壤水分胁迫指标 mm wo 某时段土壤的初始贮水量 mm wj 植物正常生长发育所允许的最小土壤贮水量界限值 mm woj 时段初土壤贮水量与植物正常生长发育所允许的最小贮水量界限值之差 mm 43 四 非充分灌溉理论 水分亏缺的基本概念 严格从物理学意义上考虑 土壤水分亏缺与土壤水分胁迫是两个不同的概念 但它们之间有密切的联系 土壤水分亏缺 SWD 没有考虑土壤原有贮水量的水平和作物允许的土壤最小贮水量要求 而土壤水分胁迫 SWS 反映了土壤水分与作物的关系 44 四 非充分灌溉理论 水分亏缺的基本概念 2 作物水分亏缺从SPAC水分传输动力学观点出发 当蒸腾失水超过根系吸水时 即发生作物水分亏缺 使植物体内贮水量 或含水量 减少或叶片水势降低 因此 作物水分亏缺 CroPWaterdeficit简为CWD 常表示为 45 四 非充分灌溉理论 水分亏缺的基本概念 式中T 保证作物正常生长发育条件下的蒸腾量 mm Sr 根系实际吸水量 mm 只有当植物水的吸收 运输 丧失三者调节适当时才能维持良好的水分平衡 当水分供应不再能满足蒸腾的需求时 水分平衡会失调 作物出现水分亏缺 作物水分亏缺可通过定量测定吸水和蒸腾而直接估算出来 在大田条件下 由于测定水分吸收在方法上困难太大 所以 通常是用植物的含水量或水势的变化对水分亏缺作出间接的估计 46 四 非充分灌溉理论 形成水分亏缺的原因 1 土壤水分亏缺的原因某阶段缺少灌溉 原有的贮水量不足 降雨稀少 腾发量大 47 四 非充分灌溉理论 形成水分亏缺的原因 2 作物水分亏缺的原因作物水分亏缺与作物水分胁迫一般是因为土壤水分胁迫 土壤干旱 或大气干旱所引起的 土壤水分胁迫会减少水分的吸收 大气干旱则是由于太阳辐射强烈造成的干燥 高温 低湿和干热风的气候条件 使作物蒸腾加剧 即使田间土壤所含水分绝对数量并不低 不致影响根系吸水 但仍造成作物体内水分的入不敷出 破坏其水量平衡 对作物产生不利影响 48 四 非充分灌溉理论 作物水分亏缺状况的评价指标 要研究和了解缺水对作物产量的影响 分析产量对缺水的敏感性 建立作物产量与作物受旱或缺水状况的定量关系 制定合理的灌溉用水方案 必须要有一些表征作物受旱程度的简单而可靠的指标和测定方法 作物水分亏缺评价方法可分为间接估算 直接测定和综合法三法 间接估算是根据对引起作物水分亏缺的环境因素 如土壤湿度或水势和空气湿度等 测定 估算水分亏缺状况 直接测定是指对作物自身水分亏缺的直接测定 综合法则是根据环境因素和作物本身的水分生理指标的测定来综合计算作物的水分亏缺状况 49 四 非充分灌溉理论 作物水模型 作物 水模型是描述作物产量与水分间的数学关系 从投入与产出的经济观点 称 水分生产函数 从水分供给时间和数量水平与对作物产量的反应 敏感 关系 称 作物 水模型 或 时间水分生产函数 常见的作物 水模型如下 1 经验模型 以观测变量间的定量关系为基础 而不涉及系统的成因关系 多由田间灌溉试验的回归分析获得 虽得到广泛利用 但往往由于抽象的因素不够全面或地区性应用条件局限而缺乏普遍意义 作物 水模型 ModelofCropResponsetoWater 即MCRW 是作物生长过程的水分变化对产量产生影响的数学描述 表征水分变化的自变量是相对腾发量 ETa ETm 或土壤含水量 a m 表征因变量的产量变化是相对产量 Ya Ym 所描述的作物生长过程可以是全生育期或由分阶段组成的全生育期 是非充分灌溉限水条件下 预测缺水对作物产量影响的数学模型 50 四 非充分灌溉理论 作物水模型 作物 水模型 从投入与产出的经济观点 称 水分生产函数 从水分供给时间和数量水平与对作物产量的反应 敏感 关系 称 作物 水模型 或 时间水分生产函数 常见的作物 水模型如下 1 经验模型 以观测变量间的定量关系为基础 而不涉及系统的成因关系 多由田间灌溉试验的回归分析获得 虽得到广泛利用 但往往由于抽象的因素不够全面或地区性应用条件局限而缺乏普遍意义 51 四 非充分灌溉理论 作物水模型 2 数学模型 包括确定性模型 即假定具有严格的相关性并能以肯定的形式由输入而预测输出 随机性模型 即取决于偶然性参数的一个或多个函数关系并与它的概率分布有关 在一般条件下 须假定作物 水的季节性 阶段性 预测或控制灌水时间 与降雨的概率函数相关 3 模拟模型 数值模拟模型的简称 对于复杂的数学模型不易获得其解析解 可用计算机进行模拟 Modelling 即用数值计算方法求得控制方程的近似解 这些模型不是相互排斥的 在一个复杂的模型中可以由若干个不同模型组成综合模型 52 四 非充分灌溉理论 作物水模型 1线性模型线性模型又称Doorenbos和Kasam模型 以下简称D K模型 分为全生育期和生育阶段的D K模型 式中Ky称产量反应 影响 系数或敏感系数 其物理意义为相对亏水量为单位数值时的相对减产比值 53 四 非充分灌溉理论 关于Ky 线性模型的Ky可用于全生育期和任一生育阶段 i Ky值越大 表示水分亏缺对该作物或该作物的 i 生育阶段产量的影响越大 或敏感性越大 即在相同的相对亏水量条件下造成的减产损失越大 为了提高每立方米灌溉水的生产效率 应对Ky大的作物或Ky i 大的时段优先供水 反之则可以延迟或减少供水 为此 Ky值成为指导非充分灌溉 进行水最优管理的一个关键性参数 Ky值的确定应根据作物种类 品种 抗逆性 缺水发生的时间 生育阶段 及发生的连续性由专门的试验 称劣态性灌溉试验 确定 作物水模型 54 四 非充分灌溉理论 作物水模型 2阶段缺水的乘法模型由各生育阶段 i 的相对腾发量或相对缺水量作自变量 用各阶段连乘的数字式构成阶段效应对产量 即相对产量 总影响的MCRW 简称乘法模型 代表性的模型结构有四种 用阶段相对腾发量作自变量与相应阶段 i 敏感性幂指数 i表征的M E Jensen 1968 模型 55 四 非充分灌溉理论 作物水模型 3阶段缺水的加法模型由各阶段 i 的相对腾发量或相对缺水量作自变量 用各阶段分别影响相加数学式构成对产量 即相对产量 的总影响的MCRW简称加法模型 代表性的模型结构有四种 用阶段相对腾发量为自变量及相应阶段 i 的敏感系数乘积表征的H Blank模型 56 四 非充分灌溉理论 非充分灌溉试验研究 在非充分灌溉条件下 作物有不同程度的缺水或受旱 作物非充分灌溉试验的目的 是探求作物在不同时期缺水以及不同程度的缺水对生长发育及产量的影响 为确定优化灌溉制度和进行作物灌溉经济效益分析提供基本依据 作物非充分灌溉试验的主要内容是探讨水分亏缺与作物生长发育及产量的关系 其中最主要的是作物水分生产函数或作物 水模型的试验研究 57 四 非充分灌溉理论 试验处理与设计方法 1 试验场地选择选定的试验场地应在气候 土壤和水分状况等方面具有代表性 其试验地必须安排在由灌溉作物围绕的农业区域内 其附近的地形条件不应有大的变化 如陡坡等 排水要通畅 不易受灌水或渍涝影响 水源条件要方便 试验场地的土壤肥力水平要均匀 要避免试验地四周有高大建筑物 在试验场地内排列不同处理的小区时 要把同一处理的不同重复小区分散开 进行插花排列 以削减土壤肥力等条件的空间差异对各种处理的影响 58 四 非充分灌溉理论 试验处理与设计方法 2 试验处理非充分灌溉试验 在灌溉试验中属于对比试验的范畴 故试验前要正确地设计试验处理 宜参照作物的生育阶段 将全生育期等分为若干个时段 然后按各阶段不同的缺水程度组合成试验处理 试验时 应针对当地作物对水分比较敏感的时段和当地易于受旱的时段 用不同的灌水次数 灌水定额控制成不同的土壤含水率上 下限或直接依据不同的灌水次数或灌水定额 以形成不同的缺水水平 将各个阶段的各种缺水水平组合成试验处理又称 干处理 同时 应安排任何阶段均不缺水和关键用水期 需水临界期 充分供水的处理又称 湿处理 作为对照 各处理安排3次以上重复 59 四 非充分灌溉理论 试验处理与设计方法 3 试验与观测方法采用田间对比试验法进行此试验 一般情况下 应针对不同的情况 采用小区 测坑或大型测筒进行试验 对干旱作物 若地下水理深小于3m时 必须在有底测坑中试验 当地下水埋深大于3m时 可直接在小区中试验 对于水稻 宜在测坑中试验 无论是旱作物还是水稻 若试验处理较多 10个处理以上 宜用大型测筒试验 但其观测成果必须要有3个以上测坑 或小区 观测成果作检验 校核与修正 无论采取什么方法 在干旱地区 若试验作物全生育期内历年降水均很少 一般少于一次灌水定额 则不必设防雨棚 其余条件 应在试验小区设活动防雨棚 降雨时采用 60 四 非充分灌溉理论 试验处理与设计方法 观测项目 1 各时段的灌水次数 日期 定额 灌水前后的土壤含水量 2 定期 5 10天一次 观测土壤含水量 3 作物生育期的日期 考种 测产 4 主要的气象要素5 作物各阶段的生长发育