(理学)农田水利学3-2作物需水规律 64页

第二章农田灌溉原理（二）作物需水规律n第二节：作物需水规律1、作物需水量2、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。n（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n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。n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。n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n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n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n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n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*Yb、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n作物需水规律—需水量n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。n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*Kθ*ET0式中：KC、Kθ分别为作物和土壤系数。当土壤水分充足时，Kθ=1。n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）n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!n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。n作物需水规律—需水量式中：ETo为参考作物蒸发蒸腾量(mm／d)；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(km／d)；n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)n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。σ为斯瑞藩—鲍茨曼常数2.01*10-9（mm/日度4）Tk为绝对温度:273+TRnl为净长波辐射量，计算式:nea、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。n各种气象资料表返回算例n返回算例n返回算例n返回算例n返回算例n返回算例n返回算例n返回算例n返回算例11f（ed）n返回算例n返回算例n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：n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0.25ed=11.7u昼/u夜=1Rhmax=70%Rs=9.43U夜=2.87m/sea（mbar）（查表4）23.4ed=ea*RH(mbar）11.7ea-ed(mbar)11.7f(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)2.81Ra(mm/天)(查表1)16.4Rs=(0.25+0.5n/N)Ra(mm/天)9.43Rns=(1-a)Rs(mm/天)7.07f(T)(查表10)14.6f(ed)(查表11)0.19f(n/N)(查表12)0.69Rnl=f(T).f(ed).f(n/N)(mm/天)1.91Rn=Rns-Rnl(mm/天)5.16W(查表3)0.68w.Rn(mm/天)3.51C(查表13)0.96ET0(mm/天)ET0=0.96(0.68*5.16+0.32*0.75*11.7)6.07Kc查表14ET作=Kc*ET0=1.05*6.076.37n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/EToETC=KC*Kθ*ET0ETo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。n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：①初期：发芽与早期生长阶段，地面覆盖率<10%。②发育期：从初期阶段后期到地面完全有效覆盖，覆盖率=70％-80％。③中期：从地面完全覆盖到开始成熟。④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。n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。nETC=KC*Kθ*ET0返回算例20%n上例中：n作物需水规律—需水量c、缺水条件下土壤因子Kθ的计算ETC=KC*Kθ*ET0充分供水条件下土壤因子影响不大,可取Kθ=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。n作物需水规律—需水量①缺水条件下土壤因子的康绍忠计算式Kθ为土壤水分修正函数；c、d是由实测资料确定的经验系数；θC是田间持水量。θwp为凋萎系数含水量。θ为实际含水量n作物需水规律—需水量②缺水条件下土壤因子的Jensen公式式中符号如前介绍。n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n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n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n（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。n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EdEmEyWdWmWyWon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n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n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n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①线性关系：②二次抛物线型：其中：у是作物产量；ET0是蒸发蒸腾量；a0、b0、a1、b1、c1是经验系数。n作物需水规律—水分生产函数（2）、相对量模型①线性模型：②指数模型：n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。n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、k’yi缺水敏感系数，亦称减产系数n作物需水规律—水分生产函数（2）、相乘模型Jensen模型：式中：λi为某作物第i阶段缺水对产量影响敏感指数n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(λi)的变化规律：①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。②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λi值并不稳定，表现出干旱年的λi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。③需水关键时期，缺水敏感指数(λi)最大。n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0．18490．01200．26750．31260．2450．1080．1690．24680．23090．06130．41970．1720．0620．2650．58790．41860．378650．64950．4690．2560．3750．28710．64600．59510．38190．0630．2000．0330.32840.2918-0.038n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—吐絮，吐絮—收获；春小麦：播种—分蘖，分蘖—拔节，拔节—抽穗，抽穗—乳熟，乳熟—收获；n作物需水规律—水分生产函数（续表）冬小麦：播种—越冬，越冬—返青，返青—拔节，拔节—灌浆，灌浆—收获；籽瓜：播种—开花，开花—膨瓜，膨瓜—定型；定型—成熟，成熟—收获；白兰瓜：播种—开花，开花—膨瓜，膨瓜—定型，定型一收获。n4、作物水分生产函数的应用（1）、优化灌溉制度对有限的可用水量在作物全生育期内进行灌水时间和灌水定额的最优分配。它是与作物生育阶段密切相关的多阶段决策过程，常用动态规划法解决。目标：以单位面积产量最大或总效益最大为目标阶段：以作物生育阶段为阶段变量状态变量：各阶段可供水量及计划湿润层内可用水量决策变量：各生育阶段实际灌水量及实际腾发量策略：各阶段决策组成全过程策略，即最优灌溉制度作物需水规律—水分生产函数n例：作物需水规律—水分生产函数根据上表条件，经过动态规划求解可得如下结果n作物需水规律—水分生产函数n（2）、优化作物种植结构或灌溉面积在农业水资源一定的条件下，根据作物对水分需求量的不同，不同作物经济效益不同，可以把有限的水资源在不同作物间进行合理分配，以求得最大化的经济效益。同样，在农业水资源一定的条件下，在不同的灌溉面积上进行水资源的优化分配，求得地区最大经济效益。作物需水规律—水分生产函数n欢迎提问！？n思考题1、掌握作物需水量、田间耗水量、作物需水规律、作物需水临界期、敏感指数、作物水分生产函数等概念2、试述彭曼法计算作物需水量的基本原理、计算途径；3、简述有哪几类方法推求作物需水量；4、简述作物水分生产函数有哪些类型；5、简述作物田间需水量、作物需水量、田间渗漏量、棵间蒸发量、植株腾发量之间的关系。