第三节 作物需水量与灌溉制度

一、作物需水量

（一）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。

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的现象。棵间蒸发是指植株间土壤或水面的水分蒸发。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。对于旱作物来说，深层渗漏是无益的，且会造成水分和养分的流失。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。

在上述几项水量消耗中，植株蒸腾是作物生长所必需的，一般称为生理需水；棵间蒸发伴随作物生长全过程，它本身对作物生长没有直接影响，但在一定程度上可改善农田小气候，一般称为生态需水；棵间蒸发和植株蒸腾都受气象因素的影响，二者是互为消长的，通常把二者合称为腾发量。作物需水量是指作物全生育期或某一生育阶段正常生长所需要的水量。它包括植株蒸腾、棵间蒸发和构成作物组织的水量，由于构成作物组织的水量较少，实际上常忽略不计，因此作物需水量就是作物的腾发量。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。

（二）作物需水规律

作物需水规律是指作物生长过程中，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1-1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，如水稻是孕穗至开花期，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，如在需水临界期不能满足作物对水分的需求，将会减产。

（三）作物需水量计算

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。

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，另一类间接法，是通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量。这里仅介绍直接法，间接法的计算过程可参阅相关书籍。

直接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。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

上二式中 ET——某时段内的作物需水量，以水层深度计，mm；

E0——与ET同时段的水面蒸发量，以水层深度计，mm；E0一般采用80cm口径蒸发皿的蒸发值，若用20cm口径蒸发皿，则E80=0.8E20；

α——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α=0.9～1.3，旱作物α=0.3～0.7；

b——经验常数。

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。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。

【例1-1】 某灌区拟种植双季晚稻，设计年全生育期需水系数a为1.4，水面蒸发量E80=368.0mm，试计算双季晚稻的需水量。

解：

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1-2所示，但是需水量的增加并不与产量成比例。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

式中 ET——作物全生育期内总需水量，m3／hm2；

Y——作物单位面积产量，kg／hm2；

K——以产量为指标的需水系数，即单位产量的需水量，m3／kg；

n，c——经验指数和常数。

式(1-3)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。

3.各生育阶段的需水量计算

上述公式可估算全生育期作物需水量。在生产实践中，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

式中 ETi——某一生育阶段作物需水量；

Ki——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。

按式（1-4）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，据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、作物灌溉制度

（一）灌溉制度的内涵与确定方法

1.灌溉制度的内涵

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。它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／亩、m3／hm2或mm表示，它是灌区规划及管理的重要依据。

2.灌溉制度的确定方法

通常采用以下3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。

（二）旱作物灌溉制度确定

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，旱作物的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。因此，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，从而得出灌水定额、灌水时间、灌水次数、灌溉定额。

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，其关系可用下列水量平衡方程式表示：

式中 W0，Wt——时段初和时段末土壤计划湿润层内的储水量，m3／hm2；

WT——由于计划湿润层增加而增加的水量，m3／hm2，如计划湿润层在时段内无变化则无此项；

P0——时段t保存在土壤计划湿润层内的有效雨量，m3／hm2；

K——时段t（单位时间为日，以d表示，下同）内的地下水补给量，m3／hm2；即K=kt，k为t时段内平均每昼夜地下水补给量［m3/（hm2·d）］；

M——时段t内的灌溉水量，m3／hm2；

ET——时段t内的作物田间需水量，m3／hm2，即ET=et，e为t时段内平均每昼夜的作物田间需水量［m3/（hm2·d）］。

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，当某些时段内降雨很小或没有降雨量时，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

式中 Wmin——土壤计划湿润层内允许最小储水量；

其余符号意义同前。

由式(1-6)可推算出开始进行灌水时的时间：

而这一时段末的灌水定额m为

式中 m——灌水定额，m3／hm2；

H——该时段内土壤计划湿润层的深度，m；

βmax，βmin——该时段内允许的土最大含水率和最小含水率(以占干土重的百分数计)；

ρ干土，ρ水——计划湿润层内土壤的干密度和水的密度，kg/m3。

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

2.拟定旱作物灌溉制度所需的基本资料

拟定的灌溉制度是否合理，关键在于方程中各项数据选取得是否合理，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。

（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。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；随着作物的生长和根系的发育，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80～100cm。在地下水位较高的盐碱化地区，计划湿润层深度不宜大于60cm。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1-1。

（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等因素而异，一般应通过试验或调查总结群众经验而定，表1-1中所列数字可供参考。

为了保证作物正常生长，土壤含水率应控制在允许最大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1-2。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。

一般用降雨入渗系数来表示：

式中 α——降水入渗系数，其值与一次降雨量、降雨强度、降雨延续时间、土壤性质等因素有关，一般认为一次降雨量小于5mm时，α=0；当降雨量在5～50mm时，α=0.8～1.0；当降雨量大于50mm时，α=0.7～0.8。

（4）地下水补给量（K）。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。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，其补给量约为作物需水量的5%～25%。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）可按式（1-10）计算：

式中 H1——时段初计划湿润层深度，m；

H2——时段末计划湿润层深度，m；

β——（H2-H1）深度的土层中的平均含水率（以占干土质量的百分数计），一般β＜β田；

ρ干土，ρ水——土壤的干密度和水的密度，kg／m3。

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的确定

播前灌水是为了使土壤有足够的底墒，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，灌溉定额M′1（m3／hm2）一般可按式（1-11）计算：

式中 H——土壤计划湿润层深度，m，应根据播前灌水要求决定；

ρ干土，ρ水——土壤干密度和水的密度，kg／m3；

βmax——一般为田间持水率（占干土重的百分数计）；

β0——播前H土层内的平均含水率（占干土重的百分数计）。

4.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生育期的灌溉制度。具体制定过程可参阅相关书籍。