以土壤水为中心的农田水分利用

1、1,以土壤水为中心的水资源高效利用,-基本概念、测定与评价方法,北京市农业技术推广站 电话：84642880（O）M） Email: 582780327,王志平,2012年3月23日,2,主要内容,一、土壤-作物系统的水分关系 二、土壤水有关概念 二、水分利用效率和效益,3,通常将大气水、地表水、土壤水和地下水合称为“四水” “四水”之间相互联系和相互转化,一、土壤-作物系统的水分关系,4,（一）作物对水分状况的要求,1 水是作物细胞原生质的重要组成部分 2 水是光合作用的重要原料 3 水是一切生化反应的介质 4 水是养分溶解和输送的载体 5 水可使作物保持一定的形态

2、,5,（二）水对作物的生态作用,水分可以调节土壤空气 水分能够调节土壤温度 水分可以调节土壤肥力 水分能够改善农田小气候 水分可提高耕作质量和效率,6,（一）土壤水的重要性 (二）土壤水的类型及性质 （三）土壤含水量的表示方法 （四）土壤水分含量的测定 （五）土壤水的能态 （六）土壤水分运动 （七）土壤水有效性,二、土壤水有关概念,7,（一）土壤水的重要性 所有的水只有进入土壤转化为土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要来源。 土壤水是土壤的最重要组成部分之一。 土壤水是土壤形成发育的催化剂。 土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际上是指在105温度下从土壤中驱逐出来的水。,

3、8,土壤水分有关概念,土壤孔性: 土壤孔隙总量及大小孔隙的分布。,土壤孔隙：土壤中土粒或团聚体之间及团聚体内部形成空隙。,9,土壤总孔隙度：指单位容积土壤中孔隙容积占整个土体容积的百分数。 土壤总孔隙度=孔隙容积 100% /土壤容积 =（1-土壤容重/土粒密度）100% 土壤容重：单位容积土体（包括孔隙在内的原状土）的干重，g/cm3。 相对密度：指单位容积的固体土粒的干重，一般土壤均为2.65 g/cm3 。,10,土壤孔隙大小分级,土壤孔径的表示方法：指与一定的土壤水吸力相当的孔径。,非活性孔隙：当量孔径0.02mm,11,1 吸湿水 2 膜状水 3 毛管水 4 重力水,（二）土壤水的类

4、型及性质,12,土壤水的类型及性质,土壤水形态类型示意图,13,土壤水的类型及性质,萎蔫系数或萎蔫点：当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量，称为萎蔫系数或萎蔫点。 它因土壤质地、作物和气候等不同而不同。萎蔫系数是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。,14,土壤水的类型及性质,毛管悬着水 在地下水较深的情况下，降水或灌溉水等地面水进入土壤，借助毛管力保持在上层土壤毛管孔隙中的水分。 田间持水量：土壤毛管悬着水达到最多时的含水量称为田间持水量。在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。,田间持水量的大小，主要受质地、有机质含量、结构、松紧状况等的影响。,15,16,（三）土壤含水量的表示

5、方法,1、土壤水分含量 又称土壤含水量，土壤含水率，土壤湿度。 2、质量含水量 指土壤中水分的质量与干土质量的比值。因为在同一地区重力加速度相同，又称为重量含水量。无量纲，常用符号m表示。可以用小数或百分数表示，多用百分数。,干土一般是指在105条件下烘干的土壤,17,土壤水分含量的表示方法 2 容积含水量 指单位土壤总容积中水所占的容积百分数，又称容积湿度、土壤水的容积百分数。也可以用小数表示。常用符号v表示。,V=m,为土壤容重,18,3 相对含水量 指土壤含水量(m)占田间持水量(f)的百分数。它可以说明土壤水的饱和程度、有效性和水、气的比例等。,土壤含水量的表示方法,19,4 土壤水贮

6、量,土壤含水量的表示方法,指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量 1）水深(Dw) 指在一定厚度(h) 土壤中所含的水量相当于相同面积水层的厚度，量纲为L，多用mm。 对于含水均一的土壤，Dw与v的关系如下: Dwvh,对于含水不均一的土壤：,20,4 土壤水贮量,土壤含水量的表示方法,2）容积水 即一定面积一定厚度土壤中所含水量的体积数，量纲为L3/L2，一般有如下两种： V方/亩 （2/3）Dw,21,土壤墒情 1墒情的种类 汪水：土壤含水量在田间持水量以上。 黑墒：土壤含水量为田间持水量75%以上。 黄墒：土壤含水量为田间持水量的50%75%。 潮干土：土壤含水量在田间持水量的50%以下。

7、 干土：土壤含水量在萎蔫系数以下。 2. 墒情的判断 墒情在空间上的层次性：表墒；底墒；深墒。 墒情在时间上的季节性：与气候的季节性以及作物的生长发育季节密切相关。,22,五、土壤水分含量的测定,1 烘干法 经典烘干法 快速烘干法,23,（四）土壤水的能态,土壤水的保持力 保持土壤水的力主要包括两种，一种是土粒和水界面上的吸附力(范德华力和极性引力)，另一种是在土壤孔隙中，土壤固体表面、水和空气界面上的毛管力。 土壤水能态，主要是指土壤水在受各种力的作用后其自由能的变化。 用来表示土壤水能态的主要方法有土水势和土壤水吸力。,24,用土水势研究土壤水有许多优点： 首先可以作为判断各种土壤水能态的

8、统一标准和尺度。 其次水势的数值可以在土壤植物大气之间统一使用，把土水势、根水势、叶水势等统一比较，判断它们之间的水流方向、速度和土壤水有效性。 三是对土水势的研究能提供一些更为精确的测定手段。,25,土壤水分特征曲线 土壤水分特征曲线：土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线或土壤持水曲线，土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系。,26,不同土壤的水分特征曲线,27,土壤水分曲线的应用 1 可利用它进行土壤水吸力和含水率之间的换算。 2 土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙大小的分布。 3 水分特征曲张可用来分析不同质地土壤的持水性和土壤

9、水分的有效性。 4 应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时，水分特征曲线是必不可少的重要参数。,28,张力计法 一般只能测定0-85kPa范围内的土壤基模势。超过-85kPa时就有空气进入陶杯而失效。,土水势的测定,29,“夜潮”现象,白天土壤表层在大气蒸发力的作用下，水分因不断蒸发而减少，变干。夜间降温，使得底土温度高于表土，水气由底土水气压高处向水气压低处的表土方向移动，遇冷便凝结，使白天晒干的表土又恢复潮湿。 多出现于地下水埋深较浅的“夜潮地”,30,“冻后聚墒”现象,由于冬季表土冻结，水气压降低，而冻层以下土层的水气压较高，于是下层水气不断向冻层集聚、冻结、使冻层含水量不断增加

10、 我国北方冬季土壤冻结后的聚水作用,31,土壤植物大气连续体中的水分运动 “土壤植物大气连续体”（SPAC）：土壤中的水分被植物根系吸收而进入植物体，并在植物体内传导，到达叶片后从气孔蒸腾到大气的统一的、物理的、连续体系，称为“土壤植物大气连续体”，英文缩写成SPAC。,（五）土壤水有效性,Soil-Plant-Air Continuous system,32,土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。 不能被植物吸收利用的水称为无效水 能被植物吸收利用的水称为有效水，其中因其吸收难易程度不同又可分为速效水(或易效水)和迟效水(或难效水)。,植物吸水：主动吸水和被动吸水。被动吸水

11、为主要方式，其动力是从植物叶面到茎到根到土壤的水势梯度。主动吸水一般不超过植物只水量的10%。,土壤水的有效性,33,通常把土壤萎蔫系数看作土壤有效水的下限。低于萎蔫系数的水分，作物无法吸收利用，属于无效水。这时的土水势(或土壤水吸力)约相当于根的吸水力(平均为1.5MPa)或根水势(平均为-1.5MPa)。 一般把田间持水量视为土壤有效水的上限。 土壤有效水最大含量()田间持水量()萎蔫系数(),土壤水有效性,34,土壤水有效性,35,三、 农田水分高效利用 -节水农业,（一）农田土壤水分平衡 （二）作物水分生产效率 （三）灌溉制度与有关渠系评价系数 （四）提高农业生产中水分利用效率,36,

12、田间土壤水分收支示意图,（一）农田土壤水分平衡,37,田间土壤水分平衡 田间土壤水分平衡，是指对于一定面积和厚度的土体，在一段时间内，其土壤含水量的变化应等于其来水项与去水项之差，正值表示土壤贮水增加，负值表示减少。 W=P+I+U-E-T-R-In-D W表示计算时段未与时段初土体储水量之差（mm） P表示计算时段内降水量（mm） I表示计算时段内灌水量(mm) U表示计算时段内上行水总量(mm) E表示计算时段内土面蒸发量（mm） T表示计算时段内植物叶面蒸腾量（mm） R表示计算时段内地面径流损失量（mm） In表示计算时段内植物冠层截留量（mm） D表示计算时段内下渗水量（mm）。,农

13、田土壤水分平衡,38,土面蒸发,土壤水不断以水汽的形态由表土向大气扩散而逸失的现象,蒸发条件, 不断有热量到达土壤表面，以满足水的汽化热需要（15 , 1g水的汽化热约为3.47kJ） 土壤表面的水汽压须高于大气的水汽压，以保证水汽不断进入大气 表层土壤须能不断从下层得到水的补充。,39,土面蒸发 用蒸发强度表示，即单位时间内单位面积地面上所蒸发的水量。 土面蒸发的形成及蒸发强度的大小主要取决于两方面： 一是受辐射、气温、湿度和风速等气象因素的影响。显然，这是蒸发的外界条件，它既决定水分蒸发过程中能量的供给又影响到蒸发表面水汽向大气的扩散过程，综合起来称为大气蒸发能力。 二是受土壤含水率的大小

14、和分布的影响。这是土壤水分向上输送的条件，也即土壤的供水能力。,40,41,二、作物水分利用效率 作物需水量是指在适宜的外界环境条件（包括土壤水分、养分的充分供应）下，作物正常生长发育达到或接近该作物品种的最高产量水平时所需要的水量。作物需水量（常表示为ET）是作物整个生长期叶面蒸腾和棵间土面蒸发的总和，作物需水量除与作物种类及品种有关外，还与气象、土壤条件、农业生产技术和产量水平有关，并非一个固定值。 作物生产单位产量（如1kg小麦）的需水量称为作物需水系数（mm kg-1）；反之，作物每消耗单位水量(mm或m3)所能生产的产量（kg mm-1或kg m-3），称为作物水分利用效率（常表示为

15、:WUE）。,42,由于品种的差异，作物水分利用效率（WUE）存在较大的差别。 有资料表明，通过调整作物布局，建立适应抗逆型种植制度，一般可使农田整体WUE提高0.15-0.26kg/m3，增产15-30%。 从总的情况来看，玉米等碳4植物比小麦等碳3植物水分利用效率高。,43,降低无效蒸发是提高农业用水效率的重要技术途径，具体是减少土壤蒸发和作物奢侈蒸腾。 土壤表面蒸发浪费水分惊人，特别是在干旱和半干旱地区更是如此，据估算，半干旱区蒸发量占降水量的55 65%，相当于作物总耗水量的1/4 1/2。 为了减少土壤蒸发，目前比较成熟的技术采用地膜覆盖和秸秆覆盖。实践表明，地膜覆盖不仅具有增温保湿

16、、保墒提墒、改善土壤理化性质的作用，而且可以促进种子萌发，促进作物早出苗、出壮苗且早熟高产。地膜覆盖的作物同不覆盖相比，一般增产20 50%左右，而且产品的质量也有一定的提高。秸秆覆盖是一种资源丰富、发展前景广阔、效益明显的节水技术，它具有改土培肥、保持水土和增产效果明显的特点。,44,三、灌溉制度与有关渠系评价系数,概括的讲灌溉制度是指一种科学的灌水方案,它包括灌水次数,灌水日期,灌水定额和灌溉定额。 灌水定额和灌溉定额 灌水定额是指一次灌水单位灌溉面积上的灌水量，各次灌水定额之和，叫灌溉定额。通常用以下三种方法和途径确定灌溉制度： 总结群众丰富灌水经验 根据灌溉试验资料制定灌溉制度 按水量

17、平衡原理分析制定作物灌溉制度,45,渠道水效率简称渠道效率(Ei)或渠道水利用系数，根据渠道水的工作任务和水流特征分为输水渠道效率和配水效率两种。 输水渠道效率(CCE) 输水渠道效率是表征无分流渠道的水在输送过程中的有效利用程度。一般用于大中型灌区的引水总干渠、干渠或供水系统专用渠道输水评价。 式中：W0为渠道首部引入总水量，m3; Wc为经过渠道尾站或末端送出的可利用的总水量，m3。为研究工作的需要，也可用相应的流量Q(m3/s)表示渠道效率。,渠道水效率指标评估,46,灌溉水效率评估指标的确定方法,灌溉水效率又称灌溉水利用系数。是表征灌溉系统水资源被灌溉作物利用的综合性总评估指标。该指标与渠系水利用效率和作物有效利用率以及田间水利用效率、分布效率均有关，其结果应当等于以上各项的乘积综合作用的结果。,47,四、提高农业生产中水分利用效率,提高农业水分利用效率有两大类途径： 第一就是将更多的水资源转化为作物的蒸腾用水； 第二就是提高作物蒸腾用水的利用效率。 前者可以通过各种工程、水文和农艺措施实现，而后者则更多地依靠植物生理调节措施实现。,48,单个植株水平上：提高水分利用效率就是要提高蒸腾水分利用率，而在这种情况下传统作物育种和现代遗传工程育种就可以发挥它们的作用，通过