《节水灌溉工程》课件-第二章 节水灌溉理论基础

第二章节水灌溉基础理论第一节作物的水分生理第二节作物需水量第三节作物水分生产函数第四节节水型灌溉制度第一节作物的水分生理有收无收在于水，多收少收在于肥一、水对作物生长的作用1、水对作物的生理作用水生植物含水量90%草本植物含水量70-85%苔藓含水量6%水生>中生>旱生不同植物含水量不同一、水对作物生长的作用1、水对作物的生理作用同一植株不同器官、组织含水量不同根60%－90%，休眠芽40％，树干40～50％，种子10%－14%一、水对作物生长的作用1、水对作物的生理作用同一器官不同生长期，含水量也不同前期＞后期新生旺盛＞衰老成熟同一种种植物，不同环境下有差异

荫蔽、潮湿

>向阳、干燥环境一、水对作物生长的作用1、水对作物的生理作用1）水是细胞原生质的重要组成部分在正常情况下，原生质含水量在80%以上如果含水量减少，原生质由溶胶变成凝胶，细胞生命活动大大减缓，如果原生质失水过多，就会引起生物胶体的破坏，导致细胞死亡。一、水对作物生长的作用1、水对作物的生理作用2）水是光合作用的重要原料光合作用是绿色植物利用叶绿素吸收太阳能，将二氧化碳和水转化为储存着能量的有机物，并释放出氧气的生化过程一、水对作物生长的作用1、水对作物的生理作用3）水是生化反应的介质植物体内的绝大多数生化过程都是在水介质中进行的。例如，CO2进入叶部后只有溶于细胞液转成液相，才能参与光合作用。各种有机质的合成与分解也必须以水为介质，在水的参与下才能进行。4）溶解和运输养分作物所需的矿物质和养分必须溶于水中才能被利用，各种有机质也只有溶于水才能被输送至植物的各个部位。5）保持作物体处于一定的形态作物水分充足时，细胞保持数个大气压的膨压以维持细胞及作物的形态，使正常的生长、生理活动得以进行。例如，叶片的展开，接受阳光和气体交换；根尖扎入土壤；花朵开放等。一、水对作物生长的作用2水对作物的生态作用1、水是植物体温调节器2、水对可见光的通透性3）水对作物生存环境的调节二、植物水势与土壤水势1、植物水势植物水势溶质势压力势基质势重力势溶质势即渗透势，是指因为溶质的存在而使水势下降的数值，恒为负值。一般作物叶组织的溶质势在-2~-1MPa。压力势：细胞壁压力存在而增加的水势。基质势也叫衬质势、基模势，是细胞衬质（细胞质胶体与细胞壁）对水分的吸附而引起的水势。重力势：因重力作用而具有的水势。一般只在高大的树木中有意义。通常，对于具有液泡的成熟细胞，其水势高低主要决定于渗透势与压力势之和，渗透势始终为负值，压力势一般为正值，植物水势通常为负值。二、植物水势与土壤水势2、土壤水势土水势溶质势压力势基质势重力势基质势：土壤基质的吸附力和毛管力所产生的土壤水分自由能变化。主要是由吸附力和弯月面力所引起，为负值。土壤水分含量越少，基质势越低。反之，土壤水分含量越多，基质势越高。当土壤水分完全饱和时，基质势等于零。重力势：由于重力作用而引起的土壤水势的变化。重力势与土壤性质毫无关系，一般规定某一特定海拔高度的重力势为零，越过这一高度取正值，低于这一高度取负值。压力势：土壤水受不同压力所产生的自由能变化称为压力势。压力势为正值。压力势只有在饱和情况下才会有的，主要是连续水体的表现。水层越厚，受到压力势就大。非饱和情况下，水体不连续，压力势最低，为零。溶质势：由于土壤溶液中的溶质离子对水的吸收，使土壤水分失去部分自由活动的能力，称为溶质势。恒为负值饱和土壤：重力势+压力势非饱和土壤：重力势+基质势二、植物水势与土壤水势1）类型：2）有效性：土壤水分有效性是指能被作物吸收利用的难易程度，能被作物吸收利用称为有效水，反则称为无效水。从能量角度划分：土壤吸力小于1.5Mp对应的土壤水分为有效水有效水：凋萎系数到田间水利用系数，或者土壤水在-1.5M~-0.05MP之间。土壤水汽态水吸着水吸湿水薄膜水毛管水上升毛管水悬着毛管水重力水3、土壤水分类型及有效性三、作物对水的吸收1、细胞对水的吸收细胞对水的吸收有三种方式：吸涨吸水、渗透吸水、代谢吸水1）细胞吸涨吸水细胞形成中央液泡之前主要依靠吸涨吸水。例如种子发芽，果实、种子形成过程中的吸收等2）细胞渗透吸水成熟的细胞具有一个大液泡，其细胞壁是有纤维分子组成，水和溶质都可以通过的全透膜，而质膜和液泡膜则为选择性透膜，水分子易通过，溶质分子选择行通过。当外液浓度低于细胞液浓度，水分渗入细胞，叫内渗。当外液浓度大于细胞液浓度，液泡水分渗出细胞，叫外渗。质壁分离：由于外渗原生质与细胞壁分离的现象。质壁复原：增加外液水分，原生质和细胞壁复合的现象。三、作物对水的吸收1、细胞对水的吸收3）植物细胞的代谢性吸水植物细胞利用呼吸作用产生的能量使水分经过质膜进入细胞的过程，叫做代谢性吸水。当通气良好的细胞呼吸加剧时，吸水便增强，反之减小。代谢性吸水只占吸水量的很少一部分。4）细胞之间的水分运移水分进出细胞由细胞与周围环境之间的水势差（Δψw）决定，水总是从高水势区域向低水势区域移动。水势差不仅决定水流的方向，而且影响水分移动的速度。而细胞间水势梯度越大，水分移动越快；反之则慢。三、作物对水的吸收2、根系吸水1）根系吸水区域主要在根的尖端，从根尖开始向上约10mm包括根冠区、根毛区、伸长区和分生区，其中根毛区的吸水能力最强。三、作物对水的吸收2）根系吸水的动力——根压和蒸腾拉力根压：植物根系的生理活动使液流从根部上升的压力，称为根压。根压把根部的水分压到地上部，土壤中的水分便不断补充到根部。大多数植物的根压为

0.05-0.5MPa。根压的典型证明是伤流和吐水三、作物对水的吸收2）根系吸水的动力——根压和蒸腾拉力伤流(bleeding)从植物茎的基部把茎切断，由于根压作用，切口不久即流出液滴，这种现象称为伤流。利用伤流可测出根压。三、作物对水的吸收2）根系吸水的动力——根压和蒸腾拉力吐水:没有受伤的植物如处于土壤水分充足、天气潮湿的环境中，叶片尖端或边缘也有液体外泌的现象，称为吐水。

根压是一种主动吸水，根压吸水对幼小植株、早春未吐芽的树木的水分运转起到一定作用。三、作物对水的吸收蒸腾拉力：由于蒸腾作用产生的一系列水势梯度使导管中水分上升的力量。蒸腾拉力是由枝叶形成的力量传到根部而引起的被动吸水蒸腾拉力是蒸腾旺盛季节植物吸水的主要动力三、作物对水的吸收3）影响根系吸水的主要因素1、土壤水分2、土壤通气状况3、土壤温度4、土壤溶液浓度三、作物对水的吸收B.土壤通气状况

土壤通气不良使根系吸水量减少土壤缺氧和CO2浓度过高短期内可使细胞呼吸减弱，影响根压，继而阻碍吸水时间较长，就形成无氧呼吸，产生和累积较多酒精，根系中毒受伤，吸水更少三、作物对水的吸收C.土壤温度

低温能降低根系的吸水速率,原因是:

①水分本身的黏性增大，扩散速率降低；

②细胞质黏性增大，水分不易通过细胞质；

③呼吸作用减弱，影响根压；

④根系生长缓慢，有碍吸水表面的增加。

土壤温度过高对根系吸水也不利。原因是:

①高温加速根的老化过程，吸收面积减少，

吸收速率也下降。

②温度过高使酶钝化，影响根系主动吸水。D.土壤溶液浓度

根系要从土壤中吸水，根部细胞的水势必须低于土壤溶液的水势。

在一般情况下，土壤溶液浓度较低，水势较高，根系吸水

施用化学肥料时不宜过量产生“烧苗”四、作物水分的散失——蒸腾散失方式：

1)以液体状态散失到体外（吐水现象）

2)以气体状态散逸到体外（蒸腾作用）1.蒸腾作用的概念

蒸腾作用：是指水分以气体状态，通过植物体的表面(主要是叶子)，从体内散失到体外的现象。2.蒸腾作用的生理意义

（1）是植物水分吸收和运输的主要动力。

（2）促进木质部汁液中物质的运输。

（3）能够降低叶片的温度。(1g水变成水蒸气需要吸收的能量，在20℃时是2444.9J)

（4）有利于气体交换。有利于光合作用的进行。四、作物水分的散失——蒸腾3.蒸腾作用的指标和部位(1)蒸腾作用的指标

①蒸腾速率/强度(transpirationrate)植物在单位时间内，单位叶面积通过蒸腾作用散失的水量。单位：g/(m2·h)或(mmol/(m2·s)

白天的蒸腾速率——15~250g/(m2·h)

晚上的蒸腾速率——1~20g/(m2·h)

②蒸腾比率(transpirationratio)(蒸腾效率)植物每消耗1kg水时所形成的干物质克数。

一般植物的蒸腾比率是1-8。③蒸腾系数(transpirationcoefficient)

是指植物制造

1g干物质所需水分(g)。蒸腾比率的倒数,蒸腾系数越大，利用水分的效率乐低。

一般：125-1000g。玉米为370，小麦为540。

四、作物水分的散失——蒸腾(2)蒸腾作用的部位

幼小——全部表面都能蒸腾长大后——叶面蒸腾植物的蒸腾作用绝大部分是在叶片上进行。(3)蒸腾作用的影响因素影响蒸腾作用的因素包括植物叶片气孔的构造、光照、大气温度、大气湿度、风、土壤水分叶片蒸腾角质蒸腾（仅占5%~10%）气孔蒸腾主要方式五、土壤-植物-大气连续体（SPAC系统）1、概念土壤-植物-大气连续体(SPAC)：水分经由土壤到达植物根系，被根系吸收，通过细胞传输，进入植物茎，由植物木质部分到达叶片，再由叶片气孔扩散到静空气层，最后参于大气的湍流变换，形成一个统一的、动态的、互相反馈的连续系统，即土壤一植物一大气连续体(Soil—Plant—AtmosphereContinuum,简称SPAC)。2、水分运移途径土壤溶液→根毛→根皮层薄壁细胞→根内皮层→根中柱鞘→根导管→茎导管→叶柄导管→叶脉导管→叶肉细胞→叶细胞间隙→气孔下腔→气孔→大气五、土壤-植物-大气连续体（SPAC系统）3、水分传输的动力—水势梯度土：0~-0.5MP根：-0.4~-1.5MP茎：-0.4~-1.5MP叶：-0.5~-1.5MP大气：-20~-100MP第二节作物需水量作物需水量生理需水量作物生长发育过程中，进行各种生理活动所需的水分生态需水量用于改善作物环境条件所需的水分一、田间水分的消耗植株蒸腾棵间蒸发深层渗漏（田间渗漏）一、田间水分的消耗植株蒸腾：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。作物根系吸入体内的水分，99%消耗于蒸腾，不足1%的水量留在植物体内，成为植物组成部分。植株蒸腾是维持作物正常生长必不可少的生理活动之一。棵间蒸发：植株间土壤或田面的水分蒸发。蒸腾和棵间蒸发二者互为消长关系：生育初期，植株小，地面裸露大，以棵间蒸发为主；生于中期，植株大，叶面覆盖率大，植株蒸腾大于棵间蒸发；生育后期，生理活动减弱，蒸腾耗水减弱，棵间蒸发又相对增大。一、田间水分的消耗深层渗漏：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。深层渗漏一般是无益的，且会造成水分和养分的流失。田间渗漏：水稻田的渗漏。稻田适当的渗漏量是有益的，可以促进土壤通气，改善还原条件，消除有毒物质，有利于作物生长。但渗漏量过大，会造成水量和肥料的流失。一、田间水分的消耗作物需水量：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”

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”。一、田间水分的消耗一、田间水分的消耗消耗途径叶面蒸腾棵间蒸发深层渗漏腾发量，作物需水量田间耗水量1、作物需水量的影响因素（1）气象条件：气象条件是作物需水量的主要影响因素。（2）土壤条件：沙性土比黏性土上的农作物需水量大，土壤含水率大的土壤，作物需水量也大。（3）作物种类：不同作物需水量不同。叶大、生长快、根系发达的作物需水量大。水稻、麻类、豆类需水量大；麦类、玉米、棉花需水量中等；高粱、谷子、甘薯需水量较小。（4）农业技术措施：中耕松土、覆盖等农业技术措施可减小作物需水量。二、作物需水规律2、作物需水临界期(1)同一作物不同生育期需水量规律：幼苗和接近成熟期的日需水量较小，而生育中期日需水量较多。水稻的孕穗至开花期，小麦的拔节至灌浆期，棉花的开花至结铃期，玉米的抽雄至乳熟期，日需水量最多。(2)需水临界期：在各个生育阶段中，缺水对作物产量影响最大的生育期叫需水临界期或需水关键期。以生产种子和果实为目的的作物，其需水临界期出现在营养生长到生殖生长过渡的时期，例如：棉花在开花至棉蕾形成期，大豆在花芽分化至开花期。以生长块根为目的的作物，在营养生长期。在干旱情况下，要优先保证需水临界期的作物灌溉。二、作物需水规律三、作物需水量的计算作物需水量计算直接法蒸发皿法产量法间接法通过ET0计算(一)直接计算需水量的方法1、水面蒸发量法（蒸发皿法或α

值法）：一般水稻田的α=0.9～1.3，旱作的α=0.3～0.7。适用范围：水稻地区注意：1）蒸发皿要符合规范2）非气象因子对α影响大三、作物需水量的计算2、产量法（k值法）：三、作物需水量的计算优点：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。适用条件：土壤水分不充足的旱作三、作物需水量的计算3、阶段需水量估算——模比系数法和阶段需水系数法（1）模系数法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：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。缺点：

Ki值不稳定，即Ki在各年是不同的（2）阶段需水系数法（二）通过计算参考作物需水量计算实际需水量1、计算参考作物需水量参考作物ET0：地面完全覆盖，生长正常，高矮整齐的矮草地（8-15cm高）--苜蓿草，在土壤水分充分，能完全满足作物腾发耗水要求条件的需水量。它不受土壤含量的影响，只与气象因素有关。Penman-Monteith公式：联合国粮农组织推荐三、作物需水量的计算

1、计算参考作物需水量（1）确定es和ea三、作物需水量的计算温度为T时的饱和水汽压三、作物需水量的计算1、计算参考作物需水量（2）确定γ大气压强1、计算参考作物需水量（3）计算Rn三、作物需水量的计算净辐射太阳短波辐射晴空时太阳辐射as，bs短波辐射比例系数实际和理论日照时数地球大气圈外的太阳辐射量太阳辐射常数日地相对距离日落时相位角纬度太阳磁偏角年内的日序数三、作物需水量的计算1、计算参考作物需水量（4）确定G对于逐日估算ET0，则第d日土壤热通量为：分别为第d、d-1日气温，℃；对于分月估算ET0，则第m月土壤热通量为：

分别为第m、m-1月气温，℃；三、作物需水量的计算1、计算参考作物需水量（5）确定U2（6）确定△三、作物需水量的计算1、计算参考作物需水量必须知道的量：温度（最大、最小、平均）湿度（最大、最小或平均）海拔高度经度、纬度实际日照时数或太阳辐射风速三、作物需水量的计算2、计算作物实际需水量作物实际需水量可由参考作物腾发量和作物系数计算：Kc作物系数：作物系数反映不同作物间的差别。作物系数取决于作物冠层的生长发育。叶面积指数LAI：叶面积数值与覆盖下土地面积的比率。关系：随着作物的生长，叶面积指数从零增加到最大值，作物系数的变化过程，与叶面积指数的变化过程相近。在生育初始，作物系数很小，随着作物生长，作物系数也随着冠层的发育逐渐增大，在某一阶段，冠层得到充分发育，作物系数达到最大值，此后，保持一段稳定，随着作物成熟及叶片衰老，作物系数下降三、作物需水量的计算三、作物需水量的计算考虑水分胁迫和湿土蒸发条件下的KC：不考虑水分胁迫，不考虑降雨和灌溉湿土蒸发：考虑水分胁迫，不考虑降雨和灌溉湿土蒸发：三、作物需水量的计算（1）基本作物系数Kcb：（四阶段法）初始生长阶段：从播种开始的早期生长时期，土壤根本或基本没有被作物覆盖（地面覆盖率小于10%）冠层发育阶段：从初始生长结束到作物有效覆盖土壤表面（地面覆盖率70-80%）的一段时间生育中期：从充分覆盖到成熟开始，叶片变色或衰老的一段时间。成熟阶段：从生育中期结束到生理成熟或收获的一段时间。初始阶段，主要是土壤蒸发，因此基本曲线代表干燥土壤蒸发，可取一常数，0.25A点，Kcb已知，求Fs1B点，Kcp，Fs2c点，Kcp已知，Fs3d点，Kcm未知，Fs4已知全生育期作物系数变化过程，只需确定5个参数，即Fs1、Fs2、Fs3、Kcp、Kcm。三、作物需水量的计算（2）水分胁迫系数Ks：土壤有效水百分比：水分胁迫系数：水分胁迫土壤含水率过低土壤有效水百分比水分胁迫系数三、作物需水量的计算（3）湿土影响系数Kw：湿土影响系数表层土壤水分临时增大土壤蒸发增大土壤蒸发随时间减小降雨或灌溉方式降雨喷灌畦灌和淹灌沟灌滴灌灌水量大灌水量小隔沟灌Fw11110.50.50.25土壤类型黏土黏壤土粉壤土砂壤土壤性砂土砂土表土干燥所需时间（d）1075432三、作物需水量的计算（3）湿土影响系数Kw：阶段平均的Kw发生间隔定义：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。需水量一般用三种指标代表：灌水量、田间总供水量（灌水量、有效降水量、土壤储水之和）、实际腾发量。灌水量、田间总供水量不一定都能被作物所利用，因此目前常用的是作物实际蒸发蒸腾量。作物水分生产函数的模型很多，主要有两大类：一是作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系二是作物产量与各生育阶段蒸发蒸腾量的关系第三节作物水分生产函数1、作物产量与全生育总腾发量的关系：线性关系：Y=a0+b0ET抛物线关系：Y=a1+b1ET+c1ET2适用范围：线性关系一般只适用于灌溉水源不足、管理水平不高、农业资源未能充分发挥的中低产地区。缺点：隐含关系相同的需水量对应相同的产量，但实际中不同站点和不同年份，上述经验系数变化较大，难以推广，其主要原因是年际间和地区间大气蒸发力不同，使得作物遭受同样程度的干旱时，也即作物达到相同的产量，作物腾发量是不相同的，为了避免这一现象，人们提出相对腾发量模型一、全生育期作物水分生产函数2、作物产量与全生育相对腾发量的关系：一、全生育期作物水分生产函数Ya为作物实际产量；ETa

为作物全生育期腾发量；Ym为作物最大产量，ETm

为与ym相对应的作物全生育期的腾发量；Ky为产量反应（影响）系数，或敏感系数。2、作物产量与全生育相对腾发量的关系：全生育期模型不能反映各阶段缺水对产量的影响。一、全生育期作物水分生产函数Ky值越大,表示水分亏缺对该作物产量影响越大，或敏感性越大，即在相同的亏水量的条件下阶段缺水对产量的影响较大。为了提高每平方米灌溉