作物需水量与灌溉制度

2.1作物需水量

2.1.1农田水分消耗途径

农田水分消耗的途径主要有植株蒸腾、棵间蒸发和深层渗漏。

(一)植株蒸腾

植株蒸腾是指作物根系从土壤中吸入体内的水分,通过叶片的气孔扩散到大气中去的现象。试验证明,植株蒸腾要消耗大量水分,作物根系吸入体内的水分有99%以上消耗于蒸腾,只有不足1%的水量留在植物体内,成为植物体的组成部分。

植株蒸腾过程是由液态水变为气态水的过程,在此过程中,需要消耗作物体内的大量热量,从而降低了作物的体温,以免作物在炎热的夏季被太阳光所灼伤。蒸腾作用还可以增强作物根系从土壤中吸取水分和养分的能力,促进作物体内水分和无机盐的运转。所以,作物蒸腾是作物的正常活动,这部分水分消耗是必需的和有益的,对作物生长有重要意义。

(二)棵间蒸发

棵间蒸发是指植株间土壤或水面的水分蒸发。棵间蒸发和植株蒸腾都受气因素的影响,但蒸腾因植株的繁茂而增加,棵间蒸发因植株造成的地面覆盖率加大而减小,所以蒸腾与棵间蒸发二者互为消长。一般作物生育初期植株小,地面裸露大,以棵间蒸发为主;随着植株增大,叶面覆盖率增大,植株蒸腾逐渐大于棵间蒸发;到作物生育后期,作物生理活动减弱,蒸腾耗水又逐渐减小,棵间蒸发又相对增加。棵间蒸发虽然能增加近地面的空气湿度,对作物的生长环境产生有利影响,但大部分水分消耗与作物的生长发育没有直接关系。因此,应采取措施,减少棵间蒸发,如农田覆盖、中耕松土、改进灌水技术等。

(三)深层渗漏

深层渗漏是指旱田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率,向根系活动层以下的土层产生渗漏的现象。深层渗漏对旱作物来说是无益的,且会造成水分和养分的流失,合理的灌溉应尽可能地避免深层渗漏。由于水稻田经常保持一定的水层,所以深层渗漏是不可避免的,适当的渗漏,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。但是渗漏量过大,会造成水量和肥料的流失,与开展节水灌溉有一定矛盾。

在上述几项水量消耗中,植株蒸腾和棵间蒸发合称为腾发,两者消耗的水量合称为腾 发量(Evapotranspiration),通常又把腾发量称为作物需水量(Water Requirement of Crops)。腾发量的大小及其变化规律,主要决定于气象条件、作物特性、土壤性质和农业技术措施等。渗漏量的大小主要与土壤性质、水文地质条件等因素有关,它和腾发量的性质完全不同,一般将蒸发蒸腾量与渗漏量分别进行计算。旱作物在正常灌溉情况下,不允许发生深层渗漏,因此,旱作物需水量即为腾发量。对稻田来说适宜的渗漏是有益的,通常把水稻腾发量与稻田渗漏量之和称为水稻的田间耗水量。

就某一地区而言,具体条件下作物获得一定产量时实际所消耗的水量为作物田间耗水量,简称耗水量。所以需水量是一个理论值,又称为潜在蒸散量(或潜在腾发量),而耗水量是一个实际值,又称为实际蒸散量。需水量与耗水量的单位一样,常以m3·hm-2mm水层表示。

2.1.2影响作物需水量的主要因素

(一)作物因素

作物种类不同其需水量不同,表2-1反映了C3作物与C4作物需水量有很大差异,有研究表明:作物的需水量显著高于作物,作物玉米制造1g干物质约需水349g,而作物小麦制造1g干物质需水557g,水稻为682g

2-1 不同作物生育盛期平均日需水量和最大日需水量

作物种类

作物名称

生育阶段

测定年份

平均日需水量(mm

最大日需水量(mm

需水量

平均值

需水量

平均值

C4作物

玉米

抽雄期

1982

4.4

5.1

8.1

8.3

谷子

灌浆期

1965

5.7

8.5

C3作物

小麦

灌浆期

1982

10.7

11.2

14.9

17.4

大豆

开花期

1964

11.2

14.6

棉花

结铃期

1983

11.7

22.6

作物需水有如下规律:

1)不同作物的需水量有很大的差异,如就小麦、玉米和水稻而言,水稻的需水量最大,其次是小麦,玉米的需水量最小。

2)每种作物都有需水高峰期,一般处于作物生长旺盛阶段。如冬小麦有两个需水高峰期,第一个高峰期在分蘖期,第二个高峰期在开花至乳熟期;大豆的需水高峰期在开花结荚期;谷子的需水高峰期为开花-乳熟期;玉米为抽雄-乳熟期。

3)作物任何时期缺水,都会对其生长发育产生影响,作物在不同生育时期对缺水的敏感程度不同。通常把作物整个生育期中对缺水最敏感、缺水对产量影响最大的生育期称为作物需水临界期或需水关键期。各种作物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,例如小麦在拔节抽穗期,棉花在开花结铃期,玉米在抽雄至乳熟期,水稻为孕穗至扬花期等。

(二)气象因素

气象因素是影响作物需水量的主要因素,它不仅影响蒸腾速率,也直接影响作物生长发育。气象因素对作物需水量的影响,往往是几个因素同时作用,因此各个因素的作用,很难一一分开。表2-2说明,当气温高,日照时数多,相对湿度小时,需水量会增加。

2-2 冬小麦生长期的气象要素与需水量

降水量

零度以上积温(

相对湿度

%

日照时数

土壤水分(

蒸发量

mm

需水量

mm

1973~1974

102.8

2183.5

58.6

1634.6

17.2~25.7

1069.1

392.71

1974~1975

179.4

2148.7

66.8

1434.0

18.5~36.0

894.8

295.95

(三)土壤因素

 

影响作物需水量的土壤因素有土壤质地、颜色、含水量、有机质含量和养分状况等。砂土持水力弱,蒸发较快,因此,在砂土、砂壤土上的作物需水量就大。就土壤颜色而言,黑褐色的吸热较多其蒸发就大,而颜色较浅的黄白色反射较强,相对蒸发较少。当土壤水分多时,蒸发强烈,作物需水量则大;相反,土壤含水量较低时,作物需水量较少。

(四)农业技术

农业技术农业栽培技术的高低直接影响水量消耗的速度。粗放的农业栽培技术,可导致土壤水分无效消耗。灌水后适时耕耙保墒中耕松土,使土壤表面有一个疏松层,就可以减少水量消耗。密植,相对来说需水量会低些;两种作物间作,也可相互影响彼此的需水量。

2.1.3作物需水量的计算方法

影响作物需水量的因素有气象条件(温度、日照、湿度、风速)、土壤水分状况、作物种类及其生长发育阶段、土壤肥力、农业技术措施、灌溉排水措施等。这些因素对需水量的影响是相互联系的,也是错综复杂的,目前尚不能从理论上精确确定各因素对需水量的影响程度。在生产实践中,一方面是通过田间试验的方法直接测定作物需水量;另一方面常采用某些计算方法确定作物需水量。

现有计算作物需水量的方法,大致可归纳为两类,一类是直接计算作物需水量,另一类是通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量。

(一)直接计算需水量的方法

该法是从影响作物需水量的诸因素中,选择几个主要因素(例如水面蒸发、气温、日照、辐射等),再根据试验观测资料分析这些主要因素与作物需水量之间存在的数量关系,最后归纳成某种形式的经验公式。目前常见的这类经验公式大致有以下几种:

1、以水面蒸发为参数的需水系数法(简称“值法”或称蒸发皿法)

大量的灌溉试验资料表明,气象因素是影响作物需水量的主要因素,而当地的水面蒸发又是各种气象因素综合影响的结果。因腾发量与水面蒸发都是水汽扩散,因此可以用水面蒸发这一参数估算作物需水量,其计算公式为:

(式2-1

(式2-2

式中:

——某时段内的作物需水量,以水层深度计,mm

——与同时段的水面蒸发量,以水层深度计,mm一般采用80cm口径蒸发皿的蒸发值,若用20cm口径蒸发皿,则

*——各时段的需水系数,即同时期需水量与水面蒸发量之比值,一般由试验确定,水稻=0.9~1.3,旱作物=0.3~0.7

——经验常数。

由于“值法”只需要水面蒸发量资料,所以该法在我国水稻地区曾被广泛采用。在水稻地区,气象条件对的影响相同,故应用“值法”较为接近实际,也较为稳定。对于水稻及土壤水分充足的旱作物,用此式计算,其误差一般小于20%~30%;对土壤含水率较低的旱作物和实施湿润灌溉的水稻,因其腾发量还与土壤水分有密切关系,所以此法不太适宜。

2、以产量为参数的需水系数法(简称“值法”)

作物产量是太阳能的累积与水、土、肥、热、气诸因素的协调及农业技术措施综合作用的结果。因此,在一定的气象条件和农业技术措施条件下,作物田间需水量将随产量的提高而增加,如图2-1所示,但是需水量的增加并不与产量成比例。由图2-1看出,单位产量的需水量随产量的增加而逐渐减小,说明当作物产量达到一定水平后,要进一步提高产量就不能仅靠增加水量,而必须同时改善作物生长所必需的其他条件。如农业技术措施、增加土壤肥力等。作物总需水量与产量之间的关系可用下式表示,即:

(式2-3

(式2-4

式中:

——作物全生育期内总需水量,m3/亩;

*——作物单位面积产量,kg/亩;

——以产量为指标的需水系数,即单位产量的需水量,m3/kg

——经验指数和常数。

2-3中的值可通过试验确定。此法简便,只要确定计划产量后,便可算出需水量;同时,此法把需水量与产量相联系,便于进行灌溉经济分析。对于旱作物,在土壤水分不足而影响高产的情况下,需水量随产量的提高而增大,用此法推算较可靠,误差多在30%以下,宜采用。但对于土壤水分充足的旱田以及水稻田,需水量主要受气条件控制,产量与需水量关系不明确,用此法推算的误差较大。

上述公式可估算全生育期作物需水量。在生产实践中,过去常习惯采用需水模系数估算作物各生育阶段的需水量,即根据已确定的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

(式2-5

式中:

——某一生育阶段作物需水量;

——需水模系数,即某一生育阶段作物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或运用类似地区资料分析确定。

按上述方法求得的各阶段作物需水量在很大程度上取决于需水模系数的准确程度。但由于影响需水模系数的因素较多,如作物品种、气象条件以及土、水、肥条件和生育阶段划分的不严格等,使同一生育阶段在不同年份内同品种作物的需水模系数并不稳定,而不同品种的作物需水模系数则变幅更大。因而,大量分析计算结果表明,用此方法求各阶段需水量的误差常在±(100%~200%),但是用该类方法计算全生育期总需水量仍有参考作用。

(二)通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量的方法

近代需水量的理论研究表明,作物腾发耗水是土壤-植物-大气系统的连续传输过程,大气、土壤、作物三个组成部分中的任何一部分的有关因素都影响需水量的大小。根据理论分析和试验结果,在土壤水分充足的条件下,大气因素是影响需水量的主要因素,其余因素对需水量的影响不显著;在土壤水分不足的条件下,大气因素和其余因素对需水量都有重要影响。目前,作物需水量的计算方法是通过计算参照作物的需水量来计算实际需水量。有了参照作物需水量,然后再根据作物系数进行修正,得到某种作物的实际需水量。在水分亏缺时,再用进行修正,即可求出某种作物在水分亏缺时的实际需水量

所谓参照作物需水量Reference Crop Evapotranspiration)是指高度一致、生长旺盛、地面完全覆盖、土壤水分充足的绿草地(8-15cm高)的蒸发蒸腾量,一般是指在这种条件下的苜蓿草的需水量,因为这种参照作物需水量主要受气条件的影响,所以都是根据当地的气象条件分阶段计算的。

1、参照作物需水量的计算

计算参照作物需水量的方法很多,大致可归纳为经验公式法、水气扩散法、能量平衡法等。其中以能量平衡原理比较成熟、完整。其基本思想是:将作物腾发看做能量消耗的过程,通过平衡计算求出腾发所消耗的能量,然后再将能量折算为水量,即作物需水量。

根据能量平衡原理以及水汽扩散等理论,英国的彭曼(Pen-man)提出了可以利用普通的气象资料计算参考作物蒸发蒸腾量的公式。后经联合国粮农组织修正,正式向各国推荐。其基本形式如下:

(式2-6

式中:

——参考作物需水量,mm/d

——标准大气压下的温度函数,其中为平均气温时饱和水汽压随温度之变率,即(其中为饱和水汽压,为平均气温);为湿度计常数,℃;

——海拔高度影响温度函数的改正系数,其中为海平面的平均气压,=1013.25hPa

——太阳净辐射,以蒸发的水层深度计,mm/d,可用经验公式计算,从有关表格中查得或用辐射平衡表直接测取;

——干燥力,mm/d=0.261+0.54)(),其中为当地的实际水汽压,为离地面2m高处的风速,m/s

2、实际需水量的计算

已知参照作物需水量后,在充分供水条件下,采用作物系数进行修正,即得作物实际需水量,即:

(式2-7

式中的应取相同单位。

作物系数是指某一阶段的作物需水量与相应阶段内的参考作物蒸发蒸腾量的比值,它反映了作物本身的生物学特性、产量水平、土壤耕作条件等对作物需水量的影口向。根据各地的试验,作物系数不仅随作物而变化,更主要的是随作物的生育阶段而异,生育初期和末期的较小,而中期的较大。表2-3列出大田作物和蔬菜在中期、后期的值;表2-4为主要作物各生育阶段的作物系数值。表2-5列出了山西冬小麦作物系数值;表2-6为湖北省中稻作物系数值。

2-3 大田作物和蔬菜在中期、后期的

作物

生育阶段

气象条件

最低相对湿度>70%

最低相对湿度<20%

风速0~5m/s

风速5~8 m/s

风速0~5 m/s

风速5~8 m/s

玉米

中期

1.05

1.10

1.15

1.20

后期

0.55

0.55

0.60

0.60

棉花

中期

1.05

1.10

1.15

1.20

后期

0.65

0.65

0.65

0.70

花生

中期

1.05

1.10

1.15

1.20

后期

0.55

0.55

0.60

0.60

薯类

中期

1.05

1.10

1.15

1.20

后期

0.7

0.7

0.75

0.75

大豆

中期

1.05

1.10

1.15

1.20

后期

0.45

0.45

0.45

0.45

小麦

中期

1.05

1.10

1.15

1.20

后期

0.25

0.25

0.20

0.20

十字花科植物

中期

0.95

1.10

1.05

1.10

后期

0.80

0.85

0.90

0.95

黄瓜

中期

0.90

0.90

0.95

1.00

后期

0.70

0.70

0.75

0.80

2-4 主要作物各生育阶段的作物系数

初期阶段

前期阶段

中期阶段

后期阶段

收获期

全生育期

0.3-0.4

0.7-0.8

1.05-1.20

0.65-0.75

0.20-0.25

0.80-0.90

0.3-0.5

0.7-0.85

1.05-1.20

0.8-0.95

0.55-0.6

0.75-0.90

0.4-0.5

0.7-0.8

1.05-1.25

0.8-0.9

0.65-0.70

0.80-0.90

0.3-0.4

0.7-0.75

1.0-1.15

0.75-0.8

0.5-0.55

0.75-0.85

0.3-0.4

0.7-0.8

1.0-1.15

0.7-0.8

0.4-0.5

0.75-0.9

0.4-0.5

0.7-0.8

0.95-1.10

0.75-0.85

0.55-0.60

0.75-0.80

向日葵

0.3-0.4

0.7-0.8

1.05-1.2

0.7-0.8

0.35-0.45

0.75-0.85

马铃薯

0.3-0.5

0.7-0.8

1.05-1.2

0.85-0.95

0.70-0.75

0.75-0.90

注:表中第一个数字表示在高湿(最小相对湿度>70%)和弱风(风速< 5m·s-1)条件下。第二个数字表示低湿(最低相对湿度<20%)和大风(风速>5 m·s-1)条件下。

2-5 山西省冬小麦作物系数

生育阶段

播种越冬

越冬返青

返青拔节

拔节抽穗

抽穗灌浆

灌浆收割

全生育期

0.86

0.48

0.82

1.00

1.16

0.87

0.87

2-6 湖北省中稻作物系数

5

6

7

8

9

1.03

1.35

1.50

1.40

0.94

近些年来,我国在计算作物需水量和绘制作物需水量等值线图时多采用上述公式。在灌溉与排水工程设计规范中也推荐采用这一公式。由于该公式计算复杂,一般都用计算机完成。在实际应用时,可从已鉴定过的作物需水量等值线图中确定。

3、作物需水量等值线图

任何物理量,只要它在空间呈连续变化,又不因入为措施导致迅速、大幅度变动,即可用等值线图来表示其空间分布规律。影响作物需水量的主要因素为气象因素和非气象因素,气象因素是在空间呈连续变化的物理量;非气象因素主要是指土壤水分条件、产量水平等,若把非气象因素维持在一定水平,这样便可以用等值线图来表示作物需水量空间变化规律。根据作物需水量的定义,非气象因素实际上已限定在同一水平,这就是作物要生长在适宜的水分条件下;而实现高产(潜在产量)时的需水量。对土壤水分条件与产量水平全国协作组已做了统一规定,按照统一的要求进行设计与试验,这样就在全国范围内取得了同一非气象因素水平下的需水量值。

全国主要作物需水量等值线图,是采用作物系数法计算每一个县的作物需水量值,按照式2-6用统一的计算机程序进行计算并绘制的。在实际应用时,可直接查用已鉴定的作物需水量等值线图。对北方干旱缺水地区来说,灌溉水源满足不了作物全生育期实行充分灌溉的要求,作物全生育期内有些阶段的土壤含水率低于适宜水分下限,在此条件下的作物蒸发蒸腾量低于充分供水下的作物需水量,土壤水分亏缺愈严重,这种降低愈显著。在缺水条件下常采用土壤水分修正系数法确定作物蒸发蒸腾量。即

(式2-8

式中:

——缺水条件下作物的实际蒸发蒸腾量;

*——意义同前;

——土壤水分修正系数,其物理意义是指缺水条件下的作物蒸发蒸腾量与充分供水条件下的蒸发蒸腾量的比值,与土壤含水率有关。可用下式计算

(式2-9

式中:

——凋萎系数(占干土重的%计);

——土壤的临界含水率(即毛管断裂含水率)(占干土重的%计);

——计算时段内平均土壤含水率(占干土重的%计);

——由实测资料分析确定的经验系数,随作物生育阶段和土壤条件而变化。

康绍忠把冬小麦生育期划分为出苗-越冬前、越冬-返青、返青后-抽穗开花、灌浆-成熟四个阶段,把春小麦分为出苗-分蘖、分蘖后-拔节孕穗、抽穗开花-灌浆、乳熟-成熟四个阶段。然后分阶段求出了四个站的值如表2-7所示。

2-7 土壤水分修正系数幂函数公式中的经验系数值

作物种类

站名

参数

生育阶段

冬小麦

西北农大

1.003

0.951

0.966

0.978

0.781

1.513

0.351

0.958

山西临汾

0.957

0.936

0.977

0.990

0.669

1.161

0.892

0.696

春小麦

甘肃武威

1.008

1.082

0.986

0.974

0.695

0.642

0.789

0.682

陕西榆林

0.992

0.986

1.028

0.964

0.741

0.707

0.736

0.663

2.2作物灌溉制度

2.2.1灌溉制度的内涵及确定方法

(一)灌溉制度的内涵

灌溉制度是指某作物在一定的气候、土壤等自然条件和一定的农业技术措施下,为了获得较高而稳定的产量及节约用水,所制定的一整套农田灌溉的制度,包括灌水定额、灌溉定额、灌水时间及灌水次数这四项内容。灌水定额是指一次灌水单位灌溉面积上的灌水量,灌溉定额是指播种前和全生育期内单位面积上的总灌水量,即各次灌水定额之。灌水定额和灌溉定额的单位常以m3·hm-2mm表示,它是灌区规划及管理的重要依据。农作物在整个生育期中实施灌溉的次数即为灌水次数。灌水时间以年、月、日表示。

制订灌溉制度的主要依据之一是降雨量和降雨量在年内、年际的分配,所以同一种作物在不同水文年有不同的灌溉制度,另一个基本依据是作物需水量。

灌溉制度随作物种类、品种和自然条件及农业技术措施的不同而变化。而且灌溉制度是在尚未建成灌区的规划、设计阶段或在已成灌区的管理工作的灌水季节之前加以确定的;因此,总带有些估计特征,在以后的执行过程中很可能要依“看天”(气候条件)、“看地”(农田水分状况)、“看庄稼”(作物生长状况和需水特征)的原则进行适当的修正。因此必须以作物需水规律和气象条件(特别是降水)为主要依据,从当地具体条件、多年气象资料出发,针对不同水文年份,即按作物生育期降雨频率,拟定湿润年(频率为25%)、一般年(频率为50%)和中等干旱年(频率为75%)及特旱年(频率为95%)四种类型的灌溉制度。一般在灌溉工程规划、设计中多采用干旱年的灌溉制度作为标准,但在灌溉管理工作中则应根据中、长期气象预报选用相应的灌溉制度。

灌溉制度是灌溉工程规划设的基础;是已成灌区编制和执行用水计划、合理用水的重要依据;也关系到灌区内土壤肥力状况和作物产量、品质的提高;以及灌区水土资源的充分利用与灌溉工程设施效益的发挥。

灌溉的目的,就是要使一定水资源产生出最佳的经济效益。就灌溉的经济效益而言,它受两方面的条件约束,即水资源与土地。当土地条件成为主要限制因素时,应考虑怎样进行灌溉才能使单位面积上的产量最佳且品质也好;当水资源为主要约束条件时,应考虑适当减少灌溉定额,使有限的水灌溉更多的农田,使单位灌溉用水量的增产幅度最大。前者为充分供水条件下的灌溉制度,这也是时至今日普遍采用的灌溉制度;后者正是我们目前需要研究的节水型灌溉制度,尤其是水资源状况日愈紧张的今天,研究节水型灌溉制度更有实际意义。无论是充分供水型的还是节水型的灌溉制度,其核心问题是确定灌溉定额及其在作物生长期时程上的分配。一个好的灌溉制度应当是省水和经济效益高的。

(二)制定灌溉制度的方法

常采用以下四种方法来确定灌溉制度:

1、总结群众丰产灌水经验

经过多年的实践、摸索,各地群众都积累了不少确定灌溉制度的方法。如我国北方农民把土壤水分状况称为墒情,将土壤墒情分为:汪水、黑、黄、潮干土和干土等几类,常在耕种前或作物生长期间进行验墒,即根据土壤湿润程度、土色深浅和揉捏成形等来判断土壤的含水量及其有效性,以确定灌水时间和灌溉水量。这些经验与方法应成为制定灌溉制度最宝贵的资料。

2、根据灌溉试验资料制定灌溉制度

为了实施科学灌溉,我国许多灌区设置了灌溉试验站,试验项目一般包括作物需水量、灌溉制度、灌水技术和灌溉效益等。试验站积累的试验资料,是制定灌溉制度的主要依据。但是,在选用试验资料时,必须注意原试验的条件(如气象条件、水文年度、产量水平、农业技术措施、土壤条件等)与需要确定灌溉制度地区条件的相似性,在认真分析研究对比的基础上,确定灌溉制度,不能生搬硬套。

3、根据作物的生理指标制定灌溉制度

作物对水分的生理反应可从多方面反映出来,利用作物各种水分生理特征和变化规律作为灌溉的指标,能更合理的保证作物的正常生长发育和它对水分的需要。目前可用于确定灌水时间的生理指标:冠层-空气温度差、细胞液浓度、叶组织水势和气孔开张度等。当然,有关作物对土壤水分相应的生理指标特征与变化规律仍处于积极的探索之中,将来这部分研究成果将会对灌溉制度的合理制定提供更为可靠的科学依据。

4、按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度

这是目前生产实践中应用较为普遍的方法,有一定的理论依据,比较完善,但必须根据当地具体条件,参考群众丰产灌水经验和田间试验资料,这样才能使得所制定的灌溉制度更为合理与完善。

2.2.2充分灌溉条件下旱作物的灌溉制度

充分灌溉条件下的灌溉制度,是指灌溉供水能够充分满足作物各生育阶段的需水量要求而制定的灌溉制度。长期以来,入们都是按充分灌溉条件下的灌溉制度来规划、设计灌溉工程的。当灌溉水源充足时,也按照这种灌溉制度来进行灌水。因此,研究制定充分灌溉条件下的灌溉制度有重要意义。下面就简要介绍一下应用水量平衡原理确定旱作物的灌溉制度的方法。

(一)水量平衡法基本原理

水量平衡法以作物各生育期内土壤水分变化为依据,从对作物充分供水的观点出发,一般要求在作物各生育期内,计划湿润层内的土壤含水率(水稻为计划水层深度)维持在作物适宜含水量的上限和下限之间,若土壤含水量降至下限时,则应进行灌水,以保证作物充分供水。

就旱作物的整个生育期而言,任时段中,任时段计划湿润层中含水量的变化,取决于需水量和来水量的多少,其来去水量见图2-2。土壤计划湿润层内的水量平衡可表示为:

(式2-10

或: (式2-11

式中:

——分别为时段始、末单位面积计划湿润层的土体储水量mm);

——分别为时段始、末单位面积计划湿润层的平均含水率(cm3·cm-3);

*——计划湿润层深度(mm);

——由于计划湿润层深度增加而在单位面积上增加的水量(mm),如时段内计划湿润层变化则无此项,一般取时段内计划湿润层深度一致,即=0

——时段内单位面积上入渗的有效降水量(mm);

*——时段内单位面积上平均降水的入渗强度(mm·d-1);

*——时段内单位面积上地下水(或下部土层)对计划湿润层土壤的补给量(mm);

*——时段内单位面积上地下水(或下部土层)对计划湿润层土壤的平均补给强度(mm·d-1);

*——时段内单位面积上的灌水量(mmm3·hm-2);

*——时段内的平均灌水强度(mm·d-1);

*——时段内的作物需水量(mmm3·hm-2);

——时段内作物的平均蒸散强度(mm·d-1)。

为了满足作物正常生长的要求,任时段内土壤计划湿润层的土壤含水率(或储水量)必须经常保持在一定的适宜范围内,即通常要求不少于作物允许的最小允许含水率(或最小允许储水量)和不大于作物允许含水量(或最大储水量)。但计划湿润层的平均土壤含水量(或储水量)降低到或接近于最小允许值()时,即需进行灌溉,以补充土壤水分,维持作物的正常生长。

例如某时段内没有降雨,显然这一时段的水量平衡方程可写为:

(式2-12

式中:

——土壤计划湿润层内允许最小储水量;其余符号意义同前。

如图2-3所示,设时段初土壤储水量为,则由式2-12可推算出开始进行灌水时间间距为:

(式2-13

而这一时段末的灌水定额为:

(式2-14

式中:

——灌水定额,m3/亩;

*——该时段内土壤计划湿润层的深度,m

——该时段内允许的土壤最大含水率和最小含水率(以干土重的%计);

——计划湿润层土壤的干密度和水密度,kg·m-3

同理,可以求出其它时段在不同情况下的灌水时距与灌水定额,从而确定出作物全生育期内的灌溉制度。

(二)水量平衡法参数的确定

拟定的灌溉制度是否合理,关键在于方程中各项数据,如土壤计划湿润层深度、作物允许的土壤含水量变化范围以及有效降雨量等选用是否合理。因此在拟定灌溉制度的过程中,水量平衡方程中各参数的准确确定是重要的。

1、有效降水量

有效降雨量系指天然降雨量扣除地面径流和深层渗漏量后,蓄存在土壤计划湿润层内可供作物利用的雨量。

在生产实践中,一般用降雨入渗系数来表示

(式2-15

式中:

——降雨入渗系数,其值与一次降雨量、降雨强度、降雨延续时间、土壤性质、地面覆盖及地形等因素有关。—般认为一次降雨量小于5mm时,0;当一次降雨量在5~50mm时,约为1.0~0.8;当次降雨量大于50mm时,=0.70~0.80

2、土壤计划湿润层深度

土壤计划湿润层深度系指在对旱作物进行灌溉时,计划调节控制土壤水分状况的土层深度。它取决于旱作物主要根系活动层深度,随作物的生长发育而逐步加深。在作物生长初期,根系虽然很浅,但为了维持土壤微生物活动,并为以后根系生长创造条件,需要在一定土层深度内保持适当的含水率,一般采用30~40cm;随着作物的成长和根系的发育,需水量增多,计划湿润层也应逐渐增加,至生长末期,由于作物根系停止发育,需水量减少,计划湿润层深度不宜继续加大,一般不超过0.8~1.0m。在地下水位较高的盐碱化地区,计划湿润层深度不宜大于0.6m。根据试验资料,列出几种作物不同生育阶段的计划湿润层深度,如表2-8所示。

2-8 冬小麦、棉花、玉米各生育期较为典型的计划湿润层深度

冬小麦

生育期

幼苗期

分蘖期

拔节期

抽穗期

灌浆期

计划湿润层深度

0.3-0.4m

0.4-0.5m

0.5-0.6m

0.6-0.8m

0.8-1.0m

棉花

生育期

幼苗期

现蕾期

开花结铃期

吐絮期

 

计划湿润层深度

0.3-0.4m

0.4-0.6m

0.6-0.8m

0.6-0.8m

 

玉米

生育期

幼苗期

拔节期

孕穗期

抽穗期

灌浆期

计划湿润层深度

0.3-0.4m

0.4-0.5m

0.5-0.6m

0.6-0.8m

0.8m

3、土壤适宜含水率上、下限的确定

由于田间作物需水的持续性及农田灌水或降水的间歇性,计划湿润层内土壤含水率不可能经常维持在最适宜的水平,为了保证作物生长,应将土壤含水率控制在适宜的上限()与下限()之间。土壤含水率的上限应满足以下两个条件:既不产生深层渗漏,又要满足作物土壤空气含量的要求,故一般取田间持水量。土壤含水率的下限应以作物生长不受抑制为准,应大于凋萎系数,一般以占田间持水量的百分数计,取占田间持水量60%-70%。最适宜作物生长的含水率称为土壤适宜含水率,土壤适宜含水率介于之间,随作物品种及其生育阶段、土壤性质等因素而变化。表2-9给出的冬小麦、棉花和玉米各生育阶段要求的土壤适宜含水率可供参考。

2-9 冬小麦、棉花、玉米各生育期要求的土壤适宜含水率(以占田间持水率的%计)

冬小麦

生育期

出苗期

分蘖期

越冬期

返青-拔节期

拔节期后

土壤适宜含水率

>70%

>70%

70%左右

60%-70%

70%-80%

棉花

生育期

播种期

苗期

现蕾期

开花结铃期

成熟期

土壤适宜含水率

>70%

55%-70%

60%-70%

70%-80%

55%-70%

玉米

生育期

播种期

苗期

拔节孕穗期

抽穗开花期

灌浆成熟期

土壤适宜含水率

60%-80%

55%-60%

60%-70%

70%-75%

70%左右

4、地下水补给量(

地下水补给量系指地下水借土壤毛细管作用上升至作物根系吸水层而被作物利用的水量,其大小与地下水埋藏深度、土壤性质、作物种类、作物需水强度、计划湿润层含水量等有关。地下水位越接近根系活动层,毛管作用越强,地下水位补给量也越多。当地下水埋深超过2.5m时,补给量很小,可以忽略不计;当地下水埋深小于2.5m时,其补给量一般为作物需水量的5%~25%。河南省入民胜利渠灌区测定冬小麦区地下水埋深在1.0~2.0m时,地下水补给量可达作物需水量的20%。因此,在制定灌溉制度时,不能忽视这部分的补给量,必须根据当地或类似地区的试验、调查资料估算。

5、由于计划土壤湿润层深度增加而增加的可利用水量(

作物生育期内计划湿润层的深度是不断变化的。若计算时段内计划湿润层深度变化不大,则项可设定为零;若时段内计划湿润层变化较大,由于计划湿润层的增加,将增加部分有效水量,此时,m3/)可按下式计算:

(式2-16

式中:

——时段初土壤计划湿润层深度,m

——时段末土壤计划湿润层深度,m

——()深度的土层中的平均含水率(以占干土重的%计),一般

——土壤的干密度和水的密度,kg·m-3

(三)旱作物播前灌水定额()的确定

播前灌水是为了土壤有足够的底墒,以保证种子发芽和出苗或储水于土壤中,供作物生育期使用。播前灌水往往只进行一次,m3/)一般可按下式计算:

(式2-17

式中:

——土壤计划湿润层深度,m,应根据播前灌水要求决定;

——土壤干密度和水的密度, kg·m-3

——一般为田间持水率(以占干土重的%计);

——播前土层内的平均含水率(以占干土重的%计)。

(四)旱作物生育期灌溉制度的拟定

根据水量平衡原理,可用图解法或列表法制定全生育期的灌溉制度,旱作物的计算一般以旬为时段进行计算。

按水量平衡方法制定灌溉制度,如果作物耗水量和降雨量资料比较精确,其计算结果比较接近实际情况。对于大型灌区,由于自然地理条件差别较大,应分区制定灌溉制度,并与前面调查和试验结果相互核对,以求切合实际。应当指出,这里所讲的灌溉制度是指某一具体年份一种作物的灌溉制度,如果需要求出多年的灌溉用水系列,还须求出每年各种作物的灌溉制度。