第一节　作物需水量

一、作物生理需水和生态需水

(一)水在作物生理中的作用

水是作物的重要组成部分,其含量常常是生命活动强弱的决定因素。生长活跃和代谢旺盛的组织的含水量一般达70%～80%,甚至达90%以上。作物体内含水量分布大致遵循的规律是:生长旺盛的器官和组织高于老龄的器官和组织,上部高于下部,分生和输导组织高于表皮和其他组织。

水分在作物生理活动中的作用如下:

(1)水分是细胞原生质的重要成分。在正常情况下,原生质的含水量一般为70%～90%,呈溶胶状态,有利于生命活动的进行。含水量减少,原生质由溶胶变成凝胶,生命活动就大大减弱。如果细胞失水过多,可引起原生质破坏而致死亡。

(2)水分是光合作用的重要原料。对于大多数作物来说,在一定范围内,随着株体和细胞中含水量的提高,光合强度也提高。如果作物水分不足,就会抑制光合作用,从而严重影响产量。

(3)水分是作物溶解、吸收和运输养分的载体。一般来说,作物不能直接吸收固态的养分,只有溶解在水中才能被作物吸收,并输送至各器官。同样,由光合作用制造的有机物质,也只有溶于水才能输送至作物的各个部位。

(4)水分可使作物保持固有姿态。由于细胞含有大量水分,维持细胞的膨压(细胞吸水膨胀而对细胞壁产生的压力),使作物枝叶挺立,叶气孔张开,便于接受光照和气体交换,同时也使花朵开放,有利于授粉,保证作物正常生长发育。如果作物水分不足,就会发生萎蔫,造成危害。

(5)水分可以调节作物体温。炎热季节气温高,作物蒸腾强度大,散失水分多,好比人体出汗,有利于降低体温。

由于水分在作物生理活动中起着如此重大的作用,因此适时灌溉满足作物水分的需要,是获取农业丰收的重要保证。

(二)灌溉与排水对改善作物生态环境的作用

1.调节土壤肥力

1)以水调气。作物生长要求土壤中有适量的空气,以利于根系呼吸和有益微生物活动。水分和空气共同存在于土壤孔隙中,它们互为消长、互为矛盾,即土壤水多时,空气就少,反之亦然。可见,水分是矛盾的主要方面。

2)以水调温。作物生长要求适当的土壤温度和大气温度,温度过高或过低都会抑制和危害作物的生长发育。由于水的热容量和导热率远大于空气,当土壤水分增加或减少时,都会影响土壤温度变化,所以在低温和高温来临之前,增加土壤水分,可以缓和、稳定土温及气温变化,缩小昼夜温差,防止作物受害。

3)以水调肥。作物对养分的吸收必须以水为媒介(或载体)。养分只有在适当的水分配合下,才能发挥其对作物的营养作用。同时,土壤水分状况对土壤养分的转化和保持也有重大的影响。

2.改善农田小气候

农田小气候主要指地面以上2m内的空气层温度、湿度、光照和风的状况,以及土壤表层的水、热状况。它是作物生活的重要环境条件,对作物生长发育及产量高低有许多直接或间接的影响。

影响农田小气候的因素很多,其中通过灌溉排水改变农田水分状况,对改善农田小气候有显著作用。在灌溉之后,土壤湿度增加,土壤热容量和导热率增大,同时土壤蒸发耗热也增加,所以灌溉地比未灌溉地白天升温慢、温度低,夜间降温慢、温度高,土温日变幅小。日平均土温在升温季节(如春季)灌溉地比未灌溉地低,而在寒冷降温季节,灌溉地则比未灌溉地高。

3.提高农业技术措施的质量和效果

农业技术措施如土壤耕作、施肥、田间管理等,都与田间的水分状况有密切的关系。灌溉排水和各项措施合理配合,可以提高各项农业技术措施的质量和效果,为作物生长创造良好的环境条件。

二、农田水分消耗的途径

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,对作物的生长有重要意义。

(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象因素的影响,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少,所以植株蒸腾与棵间蒸发两者互为消长。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,但大部分水分消耗和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的矛盾。

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,通常又把腾发量称为作物需水量。腾发量的大小及其变化规律主要取决于气象条件、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,一般将腾发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。

三、作物需水规律

作物需水规律是指在作物生长过程中日需水量及阶段需水量的变化规律。研究作物需水规律和各阶段的农田水分状况,是进行灌溉排水的重要依据。作物需水量的变化规律是:苗期需水量小,然后逐渐增多,到生育盛期达到高峰,后期又有所减少,其变化过程如图2-1所示。其中,日需水量最多、对缺水最敏感、影响产量最大的时期,称为需水临界期。不同作物需水临界期不同,如水稻为孕穗至开花期,冬小麦为拔节至灌浆期,玉米为抽穗至灌浆期,棉花为开花至结铃期。在缺水地区,把有限的水量用在需水临界期,能充分发挥水的增产作用,做到经济用水;相反,若在需水临界期不能满足作物对水分的要求,将会减产。

四、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(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“α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。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

由于“α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ET及E0的影响相同,故应用“α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,用此法计算,其误差一般不超过20%～30%;对于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“K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2-2所示,但是需水量的增加并不与产量成比例。由图2-2还可看出,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式(2-3)表示为

式(2-3)中的K、n、c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,需水量主要受气象条件控制,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,以一定的比例进行分配,即

按上述方法求得的各阶段作物需水量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。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

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的。有了参照作物需水量,然后根据作物系数Kc对ET0进行修正,得到某种作物的实际需水量。在水分亏缺时,再用Kw进行修正,即可求出某种作物在水分亏缺时的实际需水量ETai。

所谓参照作物需水量ET0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象条件的影响,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:将作物腾发看作能量消耗的过程,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(ET0)。

2.实际需水量的计算

已知参照作物需水量ET0后,在充分供水条件下,采用作物系数Kc,对ET0进行修正,即得作物实际需水量ET,即

式中的ET与ET0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腾发量的比值,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响。根据各地的试验,作物系数Kc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Kc较小,而中期的较大。表2-1列出了山西省冬小麦作物系数Kc值;表2-2为湖北省中稻作物系数Kc值。

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,又不因人为措施导致迅速、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(2-5)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。