第二节　作物灌溉制度

农作物的灌溉制度是指作物播种前(或作物移栽前)及其全生育期内的灌水次数、每次的灌水时间、灌水定额以及灌溉定额。其是根据作物需水特性和当地气候、土壤、农业技术及灌水技术等条件,为作物高产及节约用水而制定的适时适量的灌水方案。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,即各次灌水定额之和。灌水定额和灌溉定额常以m3/hm2或mm表示,它是灌区规划及管理的重要依据。

一、充分灌溉条件下的灌溉制度

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。常采用以下三种方法来确定灌溉制度。

(1)总结群众丰产灌水经验。群众在长期的生产实践中,积累了丰富的灌溉用水经验。能够根据作物生育特点,适时适量地进行灌水,夺取高产。这些实践经验是制定灌溉制度的重要依据。灌溉制度调查应根据设计要求的干旱年份,调查这些年份当地的灌溉经验,灌区范围内不同作物的灌水时间、灌水次数、灌水定额及灌溉定额。根据调查资料,分析确定这些年份的灌溉制度。

(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)按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度。这种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,才能使制定的灌溉制度更加切合实际。下面分别就旱作物和水稻介绍这一方法。

(一)旱作物的灌溉制度

旱作物依靠其主要根系从土壤中吸取水分,以满足其正常生长的需要。因此,旱作物的水量平衡是分析其主要根系吸水层储水量的变化情况,其灌溉制度是以作物主要根系吸水层作为灌水时的土壤计划湿润层,并要求该土层内的储水量能保持在作物所要求的范围内,使土壤的水、气、热状态适合作物生长。所以,用水量平衡原理制定旱作物的灌溉制度就是通过对土壤计划湿润层内的储水量变化过程进行分析计算,从而得出相关指标。

1.水量平衡方程

旱作物生育期内任一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,其来去水量如图2-3所示,它们的关系可用下列水量平衡方程式表示:

为了满足农作物正常生长的需要,任一时段内土壤计划湿润层内的储水量必须经常保持在一定的适宜范围以内,即通常要求不小于作物允许的最小储水量(Wmin)和不大于作物允许的最大储水量(Wmax)。在天然情况下,由于各时段内需水量是一种经常的消耗,而降雨则是间断的补给,因此当某些时段内降雨量很小或没有降雨时,往往使土壤计划湿润层内的储水量很快降低到或接近于作物允许的最小储水量,此时即需进行灌溉,以补充土层中消耗掉的水量。

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

其余符号同前。

如图2-4所示,设时段初土壤储水量为W0,则由式(2-7)可推算出开始进行灌水时的时间间距为

而这一时段末的灌水定额m为

同理,可以求出其他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。

2.制定旱作物灌溉制度所需的基本资料

制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的选用是否合理。

1)土壤计划湿润层深度。土壤计划湿润层深度是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,见表2-3。

2)适宜含水率及允许的最大、最小含水率。土壤适宜含水率(β适)是指最适宜作物生长发育的土壤含水率。它随作物种类、生育阶段的需水特点、施肥情况和土壤性质(包括含盐状况)等因素而异,一般应通过试验或调查总结群众经验而定。表2-3中所列数值可供参考。

由于作物需水的持续性与农田灌溉或降雨的间歇性,土壤计划湿润层的含水率不可能经常保持在某一最适宜含水率数值而不变。为了保证作物正常生长,土壤含水率应控制在允许最大含水率和允许最小含水率之间。允许最大含水率(βmax)一般以不致造成深层渗漏为原则,所以采用βmax=β田,β田为土壤田间持水率,见表2-4。作物允许最小含水率(βmin)应大于凋萎系数,一般取田间持水率的60%～70%,即βmin=(0.6～0.7)β田。

在土壤盐碱化较严重的地区,往往由于土壤溶液浓度过高而妨碍作物吸取正常生长所需的水分,因此还要依据作物不同生育阶段允许的土壤溶液浓度作为控制条件来确定允许最小含水率(βmin)。

3)有效降雨量(P0)。有效降雨量是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。一般用降雨入渗系数来表示,即

式中,α为降雨有效利用系数,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。一般认为当次降雨小于5mm时,α为0;当次降雨为5～50mm时,α为1.0～0.8;当次降雨大于50mm时,α为0.8～0.7。

4)地下水补给量(K)。地下水补给量是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。当地下水埋深超过2.5m时,补给量很小,可以忽略不计;当地下水埋深不超过2.5m时,补给量为作物需水量的5%～25%。河南省人民胜利渠灌区测定冬小麦区地下水埋深为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)由于计划湿润层增加而增加的水量(WT)。在作物生育期内计划湿润层是变化的,由于计划湿润层增加,作物就可利用一部分深层土壤的原有储水量,WT(m3/hm2)可按下式计算:

当确定了以上各项设计依据后,即可分别计算旱作物的播前灌水定额和生育期的灌溉制度。

3.旱作物播前的灌水定额(M1)的确定

播前灌水往往只进行一次,M1(m3/hm2)一般可按下式计算:

4.生育期灌溉制度的制定

根据水量平衡原理,可用图解法或列表法制定生育期的灌溉制度。用列表法计算时,与制定水稻灌溉制度的方法基本一样,所不同的是旱作物的计算时段以旬为单位。下面以棉花灌溉制度为例,说明列表法制定灌溉制度的步骤。

【例2-1】用列表法制定陕西渭北塬某灌区棉花的灌溉制度。

【解】1.基本资料

(1)土壤。灌区土壤为黏壤土,经测定0～80cm土层内的密度为γ干土=1460kg/m3,孔隙率为n=44.7%,田间持水率为β田=24.1%(占干土质量的百分数,%),播种时的土壤含水率为β0=21.7%(占干土质量的百分数,%)。

(2)水文地质。灌区地下水埋深多为4.5～5.3m,地下水出流通畅,地下水补给量可略而不计。

(3)气象。灌区早霜发生在10月中旬,晚霜发生在4月中旬,无霜期177d。灌溉设计保证率采用P=75%,经频率计算,选定设计典型年为1984年,该年棉花生长期的降雨量见表2-5,降雨有效利用系数采用0.8。

(4)作物。经查“陕西省典型年(P=75%)棉花全生育期总需水量等值线图”,典型年(P=75%)棉花全生育期的总需水量为675mm(6750m3/hm2),各生育阶段的需水模系数Ki与计划湿润层深度见表2-6。允许最大含水率和允许最小含水率分别为β田和0.6β田。

(5)当地群众灌水经验。中等干旱年一般灌水3～4次,灌水时间一般为现蕾期、开花期、结铃初和吐絮初,灌水定额600～750m3/hm2。播前10d灌溉灌水定额1200m3/hm2,使播种时0.5m土层内的含水率保持在0.9β田,0.5m以下土层中的含水率保持在β田。

2.列表计算

根据水量平衡原理列表计算见表2-7,有关计算说明如下。

(1)Wmax=102γHβmax;Wmin=102γHβmin。

(2)W0对于第一个时段可用W0=102γHβ0计算,第二个时段初的W0为第一个时段末的Wt,依此类推。

(3)各生育阶段的需水量为ETi=KiET,如现蕾期为ETi=0.21×6750=1417.5(m3/hm2),各计算时段的需水量,如现蕾期为ET时段=ETi/旬数=1417.5/2=708.75(m3/hm2)。

(4)W来为时段内来水量,包括:

播前灌水使0.5m以下土层的含水率为β田,即β=β田。

(5)(W来-ET时段)为时段内来、用水量之差,当W来>ET时段时为正值,为W来<ET时段时为负值。

(6)m为灌水定额,当Wt接近Wmin时,即应进行灌水,在不超过Wmax的范围内,结合群众灌水经验和近期雨情确定灌水定额的大小。

(7)灌水时间为各次灌水的具体日期,可根据计划湿润层含水量和近期降雨量的情况,结合当地施肥和劳力的安排等具体条件进行确定。

(8)Wt为时段末计划湿润层内的土壤储水量,可由W0+(W来-ET时段)求出,当时段内有灌水时,Wt=W0+(W来-ET时段)+m。

(9)校核。各生育阶段和全生育期的计算结果都可用式(2-6)进行校核。例如,对全生育期:

W0+P0+WT+K+M-ET=1583.4+3368.8+1055.6+0+2400-6750

说明计算正确无误,否则应进行检查纠正。

(10)计算成果。根据表2-7的计算结果,再加上播前灌水,即可得到棉花的灌溉制度,见表2-8。

(二)水稻的灌溉制度

由于水稻大都采用移栽,所以水稻的灌溉制度可分为泡田期及插秧以后的生育期两个时段进行计算。

1.泡田期泡田定额的确定

泡田定额由三部分组成,一是使一定土层的土壤达到饱和,二是在田面建立一定的水层,三是满足泡田期的稻田渗漏量和田面蒸发量。

泡田定额通常参考土壤、地下水埋深和耕犁深度相类似田块上的实测资料确定。一般情况下,当田面水层为30～50mm时,泡田定额可参考表2-9中的值。

2.生育期灌溉制度的确定

在水稻生育期中任何一个时段(t)内,农田水分的变化取决于该时段内的来水和耗水之间的消长,它们之间的关系可用下列水量平衡方程表示,即

为了保证水稻正常生长,必须在田面保持一定的水层深度。不同生育阶段田面水层有一定的适宜范围,即有一定的允许水层上限(hmax)和下限(hmin)。在降雨时,为了充分利用降雨量、节约灌水量、减少排水量,允许蓄水深度hp大于允许水层上限(hmax),但以不影响水稻生长为限。各种水稻的适宜水层上、下限及允许最大蓄水深度见表2-10。当降雨深超过最大蓄水深度时,即应进行排水。

在天然情况下,田间耗水量是一种经常性的消耗,而降雨量则是间断性的补充。因此,在不降雨或降雨量很小时,田面水层就会降到适宜水层的下限(hmin),这时如果没有降雨,则需进行灌溉,灌水定额为

这一过程可用如图2-5所示的图解法表示。如在时段初A点,水田应按1线耗水,至B点田面水层降至适宜水层下限,即需灌水,灌水定额为m1;如果时段内有降雨P,则在降雨后,田面水层回升降雨深P,再按2线耗水至C点时进行灌溉;若降雨P1很大,超过最大蓄水深度,多余的水量需要排除,排水量为d,然后按3线耗水至D点时进行灌溉。

根据上述原理可知,当确定了各生育阶段的适宜水层hmax、hmin、hp以及阶段需水强度ei,便可用图解法或列表法推求水稻灌溉制度。

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。

二、非充分灌溉条件下的灌溉制度简介

在缺水地区或时期,由于可供灌溉的水资源不足,不能满足充分灌溉作物各生育阶段的需水要求,从而只能实施非充分灌溉。非充分灌溉就是为获得总体效益最佳而采取的不充分满足作物需水要求的灌溉模式。非充分灌溉是允许作物受一定程度的缺水和减产,但仍可使单位水量获得最大的效益。在此条件下的灌溉制度称非充分灌溉制度。

非充分灌溉的情况要比充分灌溉复杂得多,实施非充分灌溉不仅要研究作物的生理需水规律,研究什么时候缺水、缺水程度对作物产量的影响,而且要研究灌溉经济学,使投入水量最小而获得的产量最大。因此,前面所述的充分灌溉条件下的灌溉制度的设计方法和原理就不能用于非充分灌溉制度的设计。

旱作物非充分灌溉制度设计的依据是降低适宜土壤含水率的下限指标。充分灌溉制度用以判别是否需要灌溉的田间土壤水分下限控制指标,一般都定为田间持水率的60%～70%。基于上述理论高产而不省水。研究表明:作物对水分的要求有一定的适宜范围,超过适宜范围只能增加作物的“奢侈”蒸腾和地面的无效蒸发。根据我国北方各地经验,在田间良好的农业技术措施配合下,作物对土壤水分降低的适应性有相当宽的伸缩度,土壤适宜含水率下限可以从60%～70%降低到55%～60%,作物仍能正常生长,并获得理想的产量,而使田间耗水量减少30%～40%,灌水次数和灌水定额减少一半或者更多。采用适宜的土壤水分指标是非充分灌溉制度的核心。

在水源供水量不足时,应优先安排面临需水临界期的作物灌水,以充分发挥水的经济效益,把该时期的水分影响降低到最小程度,这对于稳定作物产量和保证获得相当满意的产量,提高水的利用效率是非常重要的。但是,适当限额灌水是在尽量利用降雨的条件下,考虑到作物的需水特性、主要根系活动层深度的补水要求,以及相应的灌水技术条件等实施的,绝不是灌水定额越小、灌水量越少越好。

对于水稻则是采用浅水、湿润、晒田相结合的灌水方法,不是以控制淹灌水层的上、下限来设计灌溉制度,而是以控制水稻田的土壤水分为主。同时,还有“薄露”灌溉、“水稻旱种”等技术取得了更好的节水效果。