農作物需水量研究方法

1. 北方主要作物的需水規律

主要農作物:大米、小麥、玉米、碗豆、棉花

油料作物：花生、油菜、大豆、棉花 、向日葵

甜料作物：甜菜、紅薯、玉米、

稻田水分狀況對水稻生長發育的影響 據測定，當土壤水分下降到80％以下時，因水分不足阻礙水稻對礦質元素的吸收和運轉，使葉綠素含量減少，氣孔關閉，妨礙葉片對二氧化碳的吸收，光合作用大大減弱，呼吸作用增強，可見保持土壤充足的水分，有利於水稻正常生理活動，利於分櫱、長穗、開花、結實，獲得高產。試驗還表明在水稻生育過程中，任何一個生育時期受旱都不利，但—般以返青、花粉母細胞減數分裂、開花與灌漿四個時期受旱對產量影響最大。
返青期缺水，秧苗不易成活返青，即使成活對分櫱及以後各生育時期器官建成都有影響。
幼穗發育期，葉面積大，光合作用強，代謝作用旺盛，蒸騰量也大，是水稻一生中需水最多的時期，初期受旱抑制枝梗、穎花原基分化，每穗粒數少，中期受旱使內外穎，雌雄蕊發育不良。減數分裂期受旱穎花大量退化，粒數減少，結實率下降。
抽穗開花期，水稻對水分的敏感程度僅次於孕穗期，缺水造成「卡脖子旱」，抽穗開花困難，包頸白穗多，結實率不高，嚴重影響產量。
灌漿期受旱，影響對營養物質的吸收和有機物的形成，運轉，從而使千粒重、結實率降低，青米、死米、腹白大的米粒增多，影響產量和品質。
水稻雖耐澇力強，短期淹水對產量影響不大，但若長期淹水沒頂則會影響生育及產量。生育時期不同對淹水的反應不同。據試驗仍以返青和花粉母細胞減數分裂及開花、灌漿期對淹水最敏感。據觀察，返育期當日平均溫度為25～30℃時，淹水3～4天死苗率高達85%，雙季稻孕穗期淹水7天，幼穗腐爛完全無收，開花期淹7天，結實率只有5%，乳熟期淹7天，結實率尚有60%，蠟熟期淹7天可收70～80%的產量。深灌會使土壤中氧氣減少，泥溫晝夜溫差減小，稻株基部光照減弱，對根的生長及分櫱發生均不利，且莖稈軟弱易倒伏。
2.各生育時期水分蒸騰量的變化。水稻的葉面蒸騰量，隨植株葉面積的加大而增多，至孕穗到出穗期達 最高峰，以後又下降，但是水稻的蒸騰量既與品種有關，又受氣溫、濕度、風速、降雨等環境條件及栽培 技術的影響。
3.稻田需水量 稻田需水量由葉面蒸騰量，窩間蒸發量和稻田滲漏量三者組成，前二者又合稱騰發量。
(1)騰發量 其中葉面蒸騰量的變化前面已談過。而窩間蒸發量一般是移栽後最大，隨著稻株對稻田覆蓋度的增大而減少，約在分櫱末期後穩定在一定水平不再有大的變化，兩者的關系是插秧初期蒸發大於蒸騰，分櫱末到成熟則是蒸騰大於蒸發。
稻田蒸發量，一般占總需水量的60～80％，據四川二貴州各灌區多年試驗，不同地區，不同類型品種之間蒸發量有一定差異。
各生育期的蒸發量，總的變化趨勢，隨生育期向後推移，日平均蒸發量逐漸加大，於抽穗後達最大值，這是氣象因素及生物學因素綜合作用結果，尤以氣象因素影響最大。溫度高，風力大，濕度小蒸發量大，反之則小。插秧密度大較密度小的，深灌較淺灌，淺灌又較濕潤灌溉的騰發量大。隨著施肥水平的提高，騰發量有增大的趨勢。高產田干物質積累多，騰發量也較低產田大，但平均每千克稻穀所需騰發量，反而減少。所以提高單產也具有經濟用水的作用。
(2)滲漏量 是稻田水分消耗的另一途徑，其大小因土質，地下水位深淺、耕作及灌溉方法不同而異。在一定條件下，土壤愈粘重、透水性愈弱，滲漏量愈小；土壤砂性愈重、透水性愈強，滲漏量愈大。地勢高。
耕作粗放及新開田滲漏量大，深灌比淺灌滲漏量大。
稻田滲漏可以輸氧、排毒，有更新土壤環境的良好作用，但滲漏量過大會增加養分的流失。江蘇、浙江、廣東等地測定，以日滲漏量10毫米左右的田塊產量較高。西南地區測定結果，不同土壤間差異較大，且灌溉設施比較差，滲漏量過大是不利的，似以維持3～5毫米／日較佳。
(3) 灌溉定額 稻田需水量，除—部分由水稻生長季節的降水直接供給外，另一部分則需灌溉補充。每畝稻田需要人工補給的水量稱灌溉定額。
灌溉定額=打田用水量+大田生育期間耗水量(騰發量+滲漏量) - 有效降雨量。
打田(整田)用水量據四川各灌區實測平均為78.5～139立方米／畝；貴州一般為97.4～ 200立方米/畝。因土質、前作、氣候、耕作及土壤含水量等而異。土壤質地疏鬆較緊實的、含水量低較含水量高的、新開田較老稻田，坡地較低窪地、冬閑田較冬作田，舊法泡田比新法泡田打田用水量要多。

一、小麥的需水規律
1、三葉分櫱期：小麥三葉分櫱期水分供應充足可以增加小麥的有效分櫱數。當土壤濕度從22%增加到27%，小麥的有效分櫱就會從平均的3.7個增加到7.9個，主穗上的小穗也會從7.1個增加到10.4個。
2、拔節孕穗期：小麥拔節孕穗期是小麥生長發育最快的時期，需水量較大，但拔節前期水分又不能過多。否則容易引起小麥徒長倒伏。
3、抽穗開花期：小麥抽穗開花期需水量達到生育期的最高峰。當土壤濕度由20%增加到28%時，主穗上的小穗平均由0.6個增加到12.4個；每株粒數重由44.6增加到63.7；千粒重增加2.5克；增產32.4%。如果小麥此期缺水，將嚴重的影響小賣的品質和產量。
4、灌漿乳熟期。小麥灌漿乳熟期是小麥品質形成的關鍵時期，此期如果小麥缺水，將造成小麥秕粒，從而降低效買的品質和產量。
二、小麥歌聲預期的關該方法
1、分櫱水要早灌：小麥三葉分櫱水也叫「坐胎水」。小麥在分櫱時，它的幼穗已經開始分化形成，這時水分供應不足，將會造成「胎里旱」，形成的麥穗小。據試驗結果表明：在小麥分櫱的前3天灌溉，有效小穗為9.7個，分櫱後3天灌水，有效小穗為6.4個，不灌水的為4.9個。由此可見，除了個別年份春季水分充足外，絕大多數年份都需要進行灌溉，且早灌為好。這一時期要求土壤含水量占田間持水量的70~80%。此期一旦發現葉片在中午時有萎蔫現象，表明小麥嚴重缺水，要馬上澆水補救。
2、拔節水要巧灌：拔節水要灌的適時，過早容易引起徒長、倒伏。因此，小麥拔節水要掌握「巧」的灌水原則，即久晴無雨要灌，將要下雨時不灌；土壤濕度小（低於田間持水量）要灌，小麥葉片黃，中午萎蔫，抽穗不齊要灌，反之則不灌。
3、灌漿水要輕灌。在小麥揚花、灌漿期，如果遇伏旱和乾熱風，應及時灌水，以保證水分供應，但此次灌水量不宜過大，以免引起徒長或爛根、早死。如果雨季來得早，雨水勤，土壤水分充足，也可以不灌

玉米需水規律

玉米不同生育時期對水分的要求不同，整個生育期內，水分的消耗因土壤、氣候條件和栽培技術有很大的變動。玉米需水量多少與播種季節有關，春玉米生育期較長，耗水絕對量比夏玉米要多得多。不論春、夏玉米，都有相似的需水規律。

1．播種出苗期

玉米從播種發芽到出苗，需水量少，占總需水量的3．1%-6．1%。玉米播種後，需要吸取本身絕對乾重的48%-50%的水分，才能膨脹發芽。如果土壤墒情不好，即使勉強膨脹發芽，也往往因頂土出苗力弱而造成嚴重缺苗；如果土壤水分過多，通氣性不良，種子容易霉爛也會造成缺苗，在低溫情況下更為嚴重。播種時，耕層土壤必須保持在田間持水量的60%-70%，才能保證良好的出苗。

2．幼幼苗

玉米在出苗到拔節的幼苗期間，植株矮小，生長緩慢，葉面蒸騰量較少，所以耗水量也不大，約占總需水量的17．8%-15．6%。這時的生長中心是根系，為了使根系發育良好，並向縱深伸展，必須保持表土層疏鬆乾燥和下層土比較濕潤的狀況，如果上層土壤水分過多，根系分布在耕作層之內，反不利於培育壯苗。因此，這一階段應控制土壤水分 在田問持水量的60%左右，可以為玉米蹲苗創造良好的條件，對促進根系發育、莖稈增粗、減輕倒伏和提高產量都起到一定作用。

3．拔節孕穗期

玉米植株開始拔節以後，生長進入旺盛階段。這個時期莖和葉的增長量很大，雌雄穗不斷分化和形成，干物質積累增加。這一階段是玉米由營養生長進入營養生長與生殖生長並進時期，植株各方面的生理活動機能逐漸加強。同時，這一時期氣溫還不斷升高，葉面蒸騰強烈。因此，玉米對水分的要求比較高，約占總需水量的29．6%-23．496。特別是抽雄前半個月左右，雄穗已經形成，雌穗正加速小穗、小花分化，對水分條件的要求更高。這一階段土壤水分以保持田間持水量的70%-80%為宜。

4．抽穗開花期

玉米抽穗開花期，對土壤水分十分敏感，如水分不足，氣溫升高，空氣乾燥，抽出的雄穗在2-3天內就會「曬花」，造成有的雄穗不能抽出，或抽出的時間延長，造成嚴重的減產，甚至顆粒無收。這一時期，玉米植株的新陳代謝最為旺盛，對水分的要求達到它一生的最高峰，稱為玉米需水的「臨界期」。這時需水量因抽穗到開花的時間短，所佔總需水量的比率比較低，約為13．8%-27．8%。這一階段土壤水分以保持田間持水量的80%左右為最好。

5．灌漿成熟期

玉米進入灌漿和乳熟的生育後期時，仍需相當多的水分才能滿足生長發育的需要。這期間是產量形成的主要階段，需要有充足的水分作為溶媒，才能保證把莖、葉中所積累的營養物質順利地運轉到籽粒中去。所以，這時土壤水分狀況比起生育前期更具有重要的生理意義。灌漿以後，即進入成熟階段，籽粒基本定型，植株細胞分裂和生理活動逐漸減弱，這時主要是進入乾燥脫水過程，但仍需要一定的水分，約占總需水量的4%-10%來維持植株的生命活動，保證籽粒的最終成熟。

棉花在生育期間的需水規律是：前期需水量比較少，中期需水量比較多，而到了後期需水量又有所下降。

具體的各個生育階段的需水量如下：

播種出苗時期
這一階段主要的任務是種子的萌發，而種子要想萌發，必須吸足相當於種子本身重量的60%以上的水分才能發芽，因此這一階段要求土壤水分應佔到田間持水量的60%-70%，否則會由於土壤水分過少，而使得種子不能萌發；相反，土壤水分也不能過多，水分太多了，也很容易引起種子的腐爛。

出苗到現蕾時期
這個階段的主要任務是根的生長，由於地上部分比較小，所以對水分的需求量不是很大，需水量在總需水量的15%以下，土壤含水量應是田間最大持水量的60%-75%。這一階段土壤的水分不宜過多，如果太多了，不僅會影響根的生長，而且還會使棉苗容易感染病害。南方在這一階段應注意做好排水工作。

現蕾到開花期
這一階段由於北方氣溫比較高，棉株也在逐漸長大，總的蒸發量也在加大，這一期間田間需水量占總需水量的12%-20%，土壤含水量應為田間最大持水量的65%-80%。南方在這一階段還得做好排水工作。

開花到吐絮期
這一階段正是棉花生長旺盛的時期，需水量也大，大約占總需水量的45%-65%。這個時期如果缺水，將會導致蕾鈴的脫落，鈴重的下降。這一時期應使土壤的含水量保持在田間最大持水量的70%-80%。

吐絮
吐絮以後，棉花的生長也基本上結束了，因此對水分的需求量也在減少，這時的需水量約佔到總需水量的10%-20%，土壤含水量應佔到田間最大持水量的55%-70%。這一時期，土壤的水分不宜過多，太多了會引起棉花的貪青晚熟，引起爛鈴

大豆是需水較多的作物。對我們北方旱作區來說，不同年度間降雨量差別很大，且降雨在不同季節間分布不均勻，所以應根據大豆需水規律及氣候條件進行合理灌溉。

（1）播前灌溉。春播大豆播種時正值乾旱季節，播前灌溉利於保全苗；但應提早進行灌水，避免土壤濕度過大，地溫低，影響出苗。在土壤比較粘重地區，可進行秋灌，秋灌能充分利用水源，便以春季播種。夏大豆播種時遇旱應先灌水造墒，然後播種或遇雨搶墒播種。灌溉可在麥收後立即進行，也可在麥收前7～10天進行灌溉，麥收後立即耙地保墒，搶時播種。

（2）幼苗期灌溉。幼苗期大豆需水量較小，一般不用澆水。水分過多會使幼苗生長細弱，節間長，不利於根系下扎。此期對適墒播種的地塊應進行中耕保墒，應當蹲苗。如遇特別乾旱和播種時墒情不足的地塊，可進行小水灌溉，澆後注意鋤地保墒，提高地溫，促進幼苗正常生長。

（3）分枝期灌溉。分枝期根系生長快，地上部逐漸進入旺盛生長，花芽開始分化，此期乾旱會影響營養體生長和花芽分化。但此時水分太多，不利根系下扎，易造成地上部徒長，中後期倒伏。所以分枝期既要促進幼苗生長，搭好豐產架子，又不要過分過多，乾旱時可澆小水。

（4）花莢期灌溉。花莢期是大豆一生生長發育最旺盛和需水最多的時期，這時氣溫高、日照長、蒸發量大，若供水不足將嚴重影響植株的蒸騰作用和光合作用。灌水時期、次數及灌水多少，要考慮當時的降雨量、墒情和植株長相等。河北省大豆的花莢期正值雨季，在一些年份降雨可滿足需要，但遇旱必須適時灌水，使土壤持水量不低於60％～70％，以保持80％左右為宜。

（5）鼓粒期灌水。鼓粒期主要進行生殖生長，此時水分不足，秕莢增多，百粒重下降，因此乾旱時應灌水。澆水要適量，以防貪青晚熟。

2. 凈灌溉水量怎麼得出

凈灌溉用水量：就是農作物吸收的，不算土壤的耗費量！
毛灌溉用水量：毛灌溉定額是以凈灌溉定額為基礎，考慮輸水損失和田間灌水損失後，折算到渠首的畝均灌溉需水量，顯然它還考慮了灌溉用水在輸送、分配過程中發生損失的規律。
從以上分析可以看出，灌溉定額更多的是注重灌溉本身的規律性、科學性，並不針對灌溉的合理性和先進性，往往也不具有廣泛、客觀的可比性。
主要作物凈灌溉需水量
1人回答
中地數媒
2020-01-19
技術研發知識服務融合發展。
關注謝謝你的關注
一、作物凈灌溉需水量IN計算公式
作物凈灌溉需水量是指農作物在生育期內必須依靠灌溉來補充的水量。作物凈灌溉需水量等於生育期內作物需水量與有效降水量之差（劉鈺等，2009），即
IN＝ETc-Pe+∆w-G（4-2）
式中：IN為作物凈灌溉需水量，mm；Pe為作物生育期內的有效降水量，mm。ETc為農作物生育期需水量，mm；G為農作物生育期內的地下水補給量，mm；由於灌區大部分地區地下水位較深，故地下水補給量可以忽略。∆w為農作物生育期始末的士壤儲水量變化量，mm，若忽略不計此項，作物凈灌溉需水量可由IN＝ETc-Pe近似確定。
二、有效降水量的確定
對於旱作物，有效降水量指保持在作物根系吸水層中供蒸發、蒸騰所利用的降水量，即降水量減去徑流量和深層滲漏量。其值大小與次降水量、降雨強度、降雨延時、士壤質地、降雨之前的士壤濕度、農作物種類、生育階段及田面條件等有關，通常由灌溉試驗站農田水量平衡實測資料確定。由於旱地一般有田埂或畦埂，因此不易產生較大的地表徑流，只有在降水較大的季節會產生深層滲漏。

3. 作物需水量的確定方法

確定作物需水量的可靠方法是通過試驗來確定，當實測資料不足時，可用計算方法。常用的計算方法可分兩類。
直接計演算法 即根據分析試驗觀測資料與影響作物需水量的主要因素之間存在的數量關系，用統計分析建立計算公式的方法。中國常用的有以下幾種。
①水面蒸發量法（多用於淹灌的水稻田）： E=αE0
式中E為某時段的作物需水量（m3/畝）；E0為同時段內的水面蒸發量（m3/畝）；α為通過試驗確定的系數。 ②產量法（多用於旱作物）： 式中E為作物全生育期需水量（m3/畝）;Y為作物單位面積產量（kg/畝）；K、n和C為由試驗確定的經驗系數。 ③多因素法（適用於各種作物）：它是利用兩個以上主要影響因素推定作物需水量公式的方法。該法形式很多，計算精度較高，但計算較復雜，需要的試驗資料較多。 間接計演算法 先計算出參考田間騰發水量，再乘以作物系數便得出作物需水量。參考田間騰發水量即潛在騰發量，是指作物株冠完全覆蓋地面、作物高度不超過1m且生長正常的作物（如苜蓿等）在充分供水情況下的田間騰發水量。有代表性的計算方法是改進的彭曼公式：
式中Et為參考田間騰發水量(mm/d);P0和P分別為海平面和計算地點的平均氣壓(mbar)；γ為溫度計常數；墹為飽和水汽壓曲線的斜率；Rn為田面接受的太陽凈輻射能量(mm/d)；Ea為乾燥力，即蒸發面上的溫度等於氣溫時的蒸發量(mm/d)。但實際上，作物需水量可由下式計算： 式中E為實際作物需水量；Kc為作物系數,即某階段內作物需水量與同期參考田間騰發水量的比值，它反映作物及土壤條件對騰發的影響作用，根據試驗資料求得。

4. 未來不同氣候情景的建立

根據我國《第三次全國氣候變化評估報告》預測，到21世紀末全國氣溫可能升高1.3～5℃，北方地區降水量可能增加5%～15%。一方面氣溫升高可能引起農作物需水量增大，地下水開采量隨之增大；另一方面，降水量的增減會引起地下水資源量增減，兩者疊加將加劇驅動地下水流場發生異變(Eckhardt，et al.，2013；Scibek，et al.，2006；Aguilera，et al.，2009；王利書等，2014)。

有關未來氣候情景變化對水資源量及農作物需水量影響的研究方法主要有兩種，一種是通過大氣環流模式(GCM)模型來研究，另一種是通過假定氣候因子按一定比例增加或減少來研究，例如假定降水量減少10%，氣溫升高1.0℃等。

本文採用世界氣候研究計劃組織第五階段耦合模式(CMIP5，IPCC，2012)中的MPI-ESM-MR模型進行模擬研究。該模型由德國馬克斯普朗克氣象研究所創建，給出了RCP2.6、RCP4.5和 RCP8.5 三種典型濃度路徑(representative concentration pathway，RCP)的1950～2100年的逐日氣象模擬資料。典型濃度路徑(RCP)以2100年前全球可能達到的輻射強度來命名。

RCP2.6氣候情景是指未來輻射強度先處於升高趨勢，最高達到3.0 W/m²，然後逐漸降低趨於穩定，至2100年降低到2.6 W/m²，相當於490mL/m³CO₂排放量。對於石家莊地區來說，至2100年，年平均氣溫以0.04℃/10 a的速率升高，相對於近50年(1961～2010年)平均氣溫升高1.0℃。

RCP4.5氣候情景是指輻射強度持續上升，至2100年後輻射強度穩定在4.5 W/m²，相當於650mL/m³CO₂排放量。對於石家莊地區來說，至2100年，年平均氣溫以0.15℃/10 a年的速率升高，相對於近50年平均氣溫(1961～2010年)升高1.7℃。

RCP8.5氣候情景是指輻射強度一直呈增大趨勢，至2100年達到8.5 W/m²，相當於1370mL/m³CO₂排放量。對於石家莊地區來說，至2100年，年平均氣溫以0.5℃/10 a的速率升高，相對於近50年平均氣溫升高2.6℃。

本文採用RCP4.5氣候情景，作為典型氣候情景進行分析計算。根據各氣候情景未來氣溫升高幅度的差別，由RCP4.5情景可以大致推斷其他氣候情景的情況。

5. 單位面積農業耗水強度與有效降水量之間關系

地下水農用開采量受到耗水型作物的種植面積、降水量多少及時程分配、灌溉利用效率等的影響，其中石家莊平原區在近50年時間中耗水型作物的種植面積及降水量是主要影響因素。降水量不變情況下，種植面積增大，地下水農用開采量增大；種植面積一定情況下，降水量補給作物需水量越多，地下水農用開采量越小。雖然在種植面積變化較為明顯情況下，地下水農用開采量表現出隨耗水型作物種植面積變化而變化的明顯規律，但降水量作為農作物主要的需水來源之一，其作用程度不可忽略。所以了解單位耗水型作物種植面積上農用開采強度的變化趨勢，分析其與降水量（尤其是有效降水量）之間的關系對糧食安全生產和地下水合理調控及降水量合理利用均具有較強的理論指導和實際意義。

6.3.4.1 作物需耗水的有效降水量理念與內涵

降雨對農作物的主要作用是補充生長所必需的耕作層土壤水分，降雨是否有效，主要取決於它是否將雨水補充到作物的有效根區，這是衡量耕地有效降雨的標志（楊燕山，2004）。有效降水量（effective precipitation）指旱作物種植條件下，用於滿足作物蒸發蒸騰需要的那部分降水量，它不包括地表徑流和滲漏至作物根區以下的部分，同時也不包括淋洗鹽分所需要的降水深層滲漏部分，因為這部分水量沒有用於作物的蒸散，應視為無效水（劉戰東，2007）。影響有效降水量的因素多而復雜（Dastane N.G，1974），不同作物種類、生長階段、耗水特性、降水特性、土壤特性、地下水位埋深以及農業耕作管理措施等因素都直接或間接影響它的大小（Dastane N G.，1974）。

計算有效降水量的方法主要有以下幾種。

（1）經驗公式計算有效降水量

P_e＝α×P 6.9

式中，P_e為有效降水量（mm）；P為次降水量（mm）；α為降水有效利用系數，如表6.9所示。

表6.18 1982年以來有效降水量、種植面積及農業開采量回歸系數表

對1953～1981年及1982～2005年有效降水量、小麥玉米總種植面積及農業開采量之間的分段回歸分析顯示，在1982年之前，由於小麥玉米總種植面積變化幅度較大，成為決定農業開采量變化的主要因素，相關系數為0.956，有效降水量與農業開采量的相關系數只有-0.362；而在1982年之後，農業種植規模已經成型，變化幅度相對較小，小麥玉米總種植面積的變化對農業開采量的貢獻度減小，相關系數減小為0.269，相應地有效降水量對農業開采量變化貢獻度增加，相關系數為-0.509，即在1982年之後，有效降水量多的年份農業開采地下水量較小，而有效降水量小的年份農業開采地下水量較多。

6. 灌區主要作物灌溉需水量

作物灌溉需水量指通過灌溉補充的士壤原有儲水量和有效降水量不能滿足作物蒸發蒸騰、沖洗鹽鹼以及其他方面要求的水量（陝西省水利水士保持廳，1992）。對於旱地作物，灌溉需水量等於作物蒸發蒸騰量加上創造良好農田生態環境所必需的沖洗壓鹽水量，減去有效降水量、地下水補給量和生長期內的士壤水分利用量（段家旺等，2004）。如果不要求鹽鹼化沖洗和地下水補給量忽略時，作物全生育期的灌溉需水量近似等於作物蒸發蒸騰量減去有效降水量。因此，作物需水量是灌溉需水量研究的重要組成部分。

一、作物系數K_c的確定

作物系數指作物不同生育期中需水量與可能蒸散量之比值。作物系數K_c是農作物本身生物學特性的反映，它與作物的種類、品種、生育期、群體葉面積指數等因素密切相關（陳玉民等，1995）。根據各月田間實測需水量和利用同一時段的氣象因素計算的參考作物需水量來計算，即

灌區農業節水對地下水空間分布影響及模擬

式中：K_c為作物系數；ET₀為參考作物騰發量；ET_c為作物需水量。作物系數的准確性很大程度上取決於實測作物需水量的精度，根據灌區灌溉試驗站歷年的實測需水量資料分析，經篩選之後得出灌區冬小麥、夏玉米等4種主要作物歷年各月K_ci和全生育期總K_c，然後進行算術平均，得出歷年平均各月的作物系數和歷年平均全生育期總作物系數，其結果見表4-1。

表4-1 涇惠渠灌區歷年平均作物系數K_c值 Table4-1 past years average crop coefficient K_cvalues in Jinghui Canal Irrigation District

（據陳玉民等，1995）

二、參考作物需水量ET₀計算公式

參考作物蒸發蒸騰量（ET₀）採用彭曼-蒙蒂斯（penman-Monteith）方法計算，彭曼-蒙蒂斯公式是聯合國糧農組織（FAO，1998）提出的最新修正彭曼公式，並已被廣泛應用且已證實具有較高精度及可使用性（阮本清等，2007）。該公式以及計算中需要的參數如表4-2所示。

表4-2 彭曼公式各參數項的確定 Table4-2 Each parameter definition of penman

三、參考作物需水量ET₀影響因字分析

根據灌區1950～2005年氣象資料，採用通徑分析原理分析研究涇惠渠灌區ET₀主要氣象影響因素，主要氣象因子包括：最高氣溫（X₁）、最低氣溫（X₂）、平均氣溫（X₃）、相對濕度（X₄）、風速（X₅）和日照時數（X₆）等（表4-3）。通徑分析理論於1921年由SewallWrixht提出，並經遺傳和統計工作者不斷發展完善，已證明在幾乎所有的相關變數系統中作因果分析都是有效的（蔡甲冰等，2008；趙偉霞等，2009）。這一理論廣泛應用於各個領域，為解決許多復雜的相關分析問題提供了一個簡捷而靈活的方法。通過通徑系數絕對值的大小，直接比較各自變數在回歸方程中的重要作用，對於一個多變數的系統中抓住關鍵因子，改變依變數的反應量具有很好的實用價值（鄭健等，2009；蔡甲冰等，2011）。在多變數的研究中，通徑分析比相關分析更加全面，更加細膩。

表4-3 涇惠渠灌區氣象因子與參考作物需水量的通徑分析 Table4-3 path Analysis between meteorological factors and ET₀-pM in Jinghui Canal Irrigation District

註：X_i（i＝1，2，3，4，5，6）分別為最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、風速和日照時數。

從表4-3中可知，灌區各氣象因子對參考ET₀都有不同程度的影響，根據各氣象因子對ET₀的直接作用和間接作用分析，最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫對ET₀的影響明顯比其他氣象因子影響作用大。最高氣溫對ET₀的直接作用系數、間接作用系數分別為2.1012和-1.4676；最低氣溫對ET₀的直接作用系數、間接作用系數分別為7.7622和-7.1028；平均氣溫對ET₀的直接作用系數、間接作用系數分別為-8.7018 和-8.054；相對濕度對ET₀的直接作用系數、間接作用系數分別為-0.895和0.2344；其他氣象因子對ET₀的直接作用系數、間接作用系數相對較小，說明在涇惠渠灌區影響ET₀的主要氣象因子是大氣溫度和相對濕度。通過各氣象因子的間接作用分析，最高氣溫、最低氣溫及相對濕度通過平均氣溫對ET₀具有較強的作用，間接作用系數分別為-8.6541，-8.6129，-8.1727。風速和日照時數通過氣溫對ET₀具有一定的負面影響。

7. 農業需水預測可分為哪兩大類

為農作物高產、節水制定的灌水方案，包括灌水定額、灌溉定額、灌水時間和灌水次數等。灌水定額是指某一種作物單位面積上的一次灌水量。灌溉定額是指某一種作物單位面積上各次灌水定額的總和。二者均以水量(單位為m3/畝)或以水層深度(單位為mm)表示。灌水時間和灌水次數根據作物需水要求和土壤水分狀況來確定，以達到適時適量灌溉。
灌溉制度是計算灌溉用水量和制定灌區引水、配水計劃的基本依據，也是進行灌區水利規劃，灌溉工程設計和灌區用水管理的依據。灌溉制度的制定是在全生育期內進行水量平衡計算，分析各時段農田水分狀況，以確定何時需要灌溉和灌多少水量，以便保持最佳土壤水分條件。
根據作物生理和生態特點對水分要求的不同，灌溉制度主要可分為兩大類，即水稻灌溉制度和旱作物灌溉制度。
水稻灌溉制度 水稻具有喜水耐水特性，常採用淹灌方式，因此，滲漏損失水量大，灌水次數多，灌溉定額大。灌溉制度應以滿足不同時期稻田淹灌水層的深度要求。通過水量平衡計算，可以確定所需要的水量。
某時段內水稻灌水定額為：
m＝H＋E－P－H0+C

式中m為時段內水稻灌水定額；H0、H分別為時段初和時段末的稻田水層深度；E為時段內田間耗水量(蒸發、蒸騰和滲漏量)；P為時段內降雨量；C為時段內排水量。單位均為mm。
水稻灌溉制度，隨著水稻品種和栽培季節的不同而異，多採用淺-深-淺的灌水方法，即分櫱和分櫱以前採用淺灌,分櫱後期到乳熟前採用深灌,乳熟以後淺灌，黃熟以後落干(有時也在分櫱末期落干曬田一次)。灌溉定額南方一般為300～360m3/畝,北方常在500m3/畝以上。
旱作物灌溉制度 根據旱作物的生理和生態特性，灌溉的作用在於補充土壤水分的不足，要求作物生長階段土壤計劃濕潤層內土壤含水量維持在易被作物利用的范圍內。其最大允許含水量為田間持水量，而最小允許含水量應保持在田間持水量的50％～60％。
旱作物灌溉制度可通過水量平衡計算來確定。當某一時段內尚未灌水時，時段末土壤儲水量為W（m3/畝），則：
W＝W0＋P－E＋K

式中W0為時段初的土壤儲水量;P為時段內的有效降雨量；E為時段內農田耗水量；K為時段內地下水補給量。單位均為m3/畝。若計算時段較長,計劃濕潤層加深，則在水量平衡方程式右端加上因計劃濕潤層增加而增加的水量WH。
當時段末土壤儲水量W 小於或等於土壤允許最小含水量的土壤儲水量時，則應進行灌水。其灌水定額等於土壤允許最大儲水量（田間持水量）與時段末土壤儲水量W的差值。旱作物灌溉制度也可用圖解法來確定。
旱作物的灌溉制度隨作物種類和地區不同而異。①北方半乾旱地區、中等乾旱或乾旱年，幾種主要農作物灌溉制度如下。冬小麥灌水4～5次，分別在播種前、分櫱期、 返青-拔節期、抽穗期、灌漿期。如遇後期乾旱，在成熟期也可灌水一次。灌水定額40～50m3/畝。灌溉定額160～220m3/畝。②玉米灌水 3～4次，分別在拔節期、抽穗期、開花期、乳熟期進行灌溉。灌水定額約40m3/畝。灌溉定額120～160m3/畝。③棉花灌水2～4次,分別在現蕾期、開花期、花鈴期、成熟期進行灌溉。灌水定額約40m3/畝。灌溉定額80～160m3/畝。
其他灌溉制度 當採用噴灌、滴灌、地下灌溉或進行某些特種灌溉（如施肥灌溉、 洗鹽灌溉、 防凍灌溉、降溫灌溉、引洪淤灌等）時，灌溉制度必須按不同要求另行制定。
對乾旱缺水地區，可以制定關鍵時期的灌水、限額灌水或不充分灌水的灌溉制度，以求得單位水量的增產量最高或灌區總產值最高。
展望 為了及時和合理調整灌溉制度，需要加強灌溉預報工作，重點是對降水、作物耗水及土壤水分變化進行預測預報。同時需要進一步研究主要作物的節水型灌溉制度，以適應日益緊張的農業水資源供需關系和發展灌溉的需要。
參考書目
武漢水利電力學院郭元裕主編：《農田水利學》,第2版，水利電力出版社，北京，1986。

8. 土豆開花時的需水量澆水方法

馬鈴薯屬於需水量大的農作物之一，其莖葉的含水量佔到90%，塊莖中含水量也達80%左右。馬鈴薯必須有充足的水分才能提高產量，水能夠讓馬鈴薯更充分地吸收土壤中的無機鹽營養。馬鈴薯的光合作用和有機營養製造都離不開水，實驗表明每生產一公斤馬鈴薯，需吸收140L水，因此水在馬鈴薯的生長發育周期中十分重要。要具備充足的水源供給馬鈴薯種植。
植株的蒸發和蒸騰作用消耗著土壤水分，當水分由田間最大持水量損失到作物生長開始受限制的水量時，這一水量稱臨界虧缺。臨界虧缺值以降雨量單位毫米表示，它相當於恢復到土壤田間最大持水量所需補充的水量。馬鈴薯的水分臨界虧缺值估計為25mm，相當於250m³/ha的水量。土壤水分消耗超過這一臨界值時，馬鈴薯葉片的氣孔便縮小或關閉，蒸騰率隨之下降，生理代謝不能正常進行，使其生長受阻，因此導致了馬鈴薯減產。
馬鈴薯不同生長發育期的需水特點有所不同，主要分為以下幾個時期：
1、發芽期：馬鈴薯發芽期所需水分主要靠種薯自身薯塊里的水分供應，如芽塊較大，能達到30～40克，土壤含水量也能夠達到14%左右，就可以保證發芽出苗。
2、幼苗期：幼苗期葉面積小，蒸騰量不大，因此此時的耗水量相對較少。一般幼苗期的耗水量是全生育期耗水量的10%，土壤保持最大持水量的65%最佳。此時不宜水分過剩，否則影響根系發育，並降低後期抗旱能力，但水分不足則影響地上部分發育，造成發育緩慢，棵小葉小，花蕾脫落。
3、塊莖形成期：馬鈴薯塊莖形成時期需要充足的水分，此時蒸騰量迅速增大，耗水量佔全生育期耗水量的30%左右，為確保植株個器官迅速建成，很好地增長塊莖，要保持田間最大持水量在70%-75%。水分不足會造成植株生長緩慢，塊莖減少，影響增產。
4、塊莖膨大期：從開花到話落後的一周是塊莖膨大期，此時馬鈴薯需水量最多，田間持水量應保持在75%-80%。辭職植株體內營養分配由供應莖葉迅速生長為主，轉變為主要滿足塊莖迅速膨大為主，這時莖葉的生長速度明顯減緩。據測定，這個階段的需水量佔全生育期需水總量的50%以上。此時如缺水會導致塊莖就會停止生長。以後即使再降雨或有水分供應，植株和塊莖恢復生長後，塊莖容易出現二次生長，形成串薯等畸形薯塊，降低產品質量。但水分也不能過大，如果水分過大，莖葉就易出現瘋長的現象。這不僅大量消耗了營養，而且會使莖葉細嫩倒伏，為病害的侵染造成了有利的條件。
5、澱粉積累期：馬鈴薯澱粉積累期需適量水分供應，保證植株葉面積的壽命和養分向塊莖轉移，澱粉積累期耗水量約佔全生育期需水量的10％左右，保持田間最大持水量的60％-65％即可。不可水分過大，土壤過於潮濕，塊莖的氣孔開裂外翻，就會造成薯皮粗糙。這種薯皮易被病菌侵入，對貯藏不利。如造成田間爛薯，將嚴重減產。

9. 主要作物凈灌溉需水量

一、作物凈灌溉需水量I_N計算公式

作物凈灌溉需水量是指農作物在生育期內必須依靠灌溉來補充的水量。作物凈灌溉需水量等於生育期內作物需水量與有效降水量之差（劉鈺等，2009），即

I_N＝ET_c-P_e+∆w-G（4-2）

式中：I_N為作物凈灌溉需水量，mm；P_e為作物生育期內的有效降水量，mm。ET_c為農作物生育期需水量，mm；G為農作物生育期內的地下水補給量，mm；由於灌區大部分地區地下水位較深，故地下水補給量可以忽略。∆w為農作物生育期始末的士壤儲水量變化量，mm，若忽略不計此項，作物凈灌溉需水量可由I_N＝ET_c-P_e近似確定。

二、有效降水量的確定

對於旱作物，有效降水量指保持在作物根系吸水層中供蒸發、蒸騰所利用的降水量，即降水量減去徑流量和深層滲漏量。其值大小與次降水量、降雨強度、降雨延時、士壤質地、降雨之前的士壤濕度、農作物種類、生育階段及田面條件等有關，通常由灌溉試驗站農田水量平衡實測資料確定。由於旱地一般有田埂或畦埂，因此不易產生較大的地表徑流，只有在降水較大的季節會產生深層滲漏。深層滲漏量可以利用時段內的初始儲水量、時段末士壤儲水量、降水量和作物需水量來確定，有效降水量可以通過時段內的水量平衡方程確定（劉中培，2010），即

P_e＝P-R-F_d （4-3）

式中：p_e為有效降水量，mm；p為降水量，mm；F_d為由於降水入滲超過士壤最大儲水能力產生的深層滲漏量，mm。對於農作物全生育期內的有效降水，如果歷年分次計算，它是極其復雜的一個問題。因此，在農田灌溉生產實踐中通常採用下面簡化方法，即

P_e＝σP （4-4）

式中：σ為降雨有效利用系數，其值與一次降雨總量、降雨強度、降雨延時、士壤性質、作物生長、地面覆蓋程度和計劃濕潤層深度等因素密切相關，通常根據實測資料確定。

三、作物凈灌溉需水量計算

涇惠渠灌區主要農作物生育期內多年平均有效降水量及凈灌溉需水量列於表4-7至表4-10，灌區冬小麥作物蒸發蒸騰量較大，生育期有效降水量相對較少，農田灌溉需水量較大；棉花作物蒸發蒸騰量較小，生育期有效降水量相對較大，凈灌溉需水量最小。作物生育期內總有效降水量採用總降水量乘以降水有效利用系數的方法來確定，冬小麥生育期內降水分布比較均勻，一般無暴雨發生，其降水入滲深度基本在1m深士層之內，冬小麥有效降水量近似等於其降水總量，總降水有效利用系數取1.0。夏玉米和棉花生育期內的降水有效利用系數見表4-8。

表4-8 灌區玉米、棉花生育期內的降水有效利用系數σ Table4-8 precipitation effective utilization coefficients of corn，cotton in birth period

灌區冬小麥、夏玉米等主要農作物歷年種植面積見圖4-1。由圖4-1可知，灌區冬小麥、夏玉米種植面積呈逐年遞增趨勢，由於其他果蔬類經濟作物種植面積增加，棉花種植面積銳減。

圖4-1 涇惠渠灌區主要作物歷年種植面積 Fig.4-1 Main crop area over the years in Jinghui Canal Irrigation District

採用2005年灌區農作物種植面積統計資料，分別估算典型年冬小麥、夏玉米、棉花和油菜的總凈灌溉需水量，年際之間可能存在變動，但變動幅度不會太大，其結果見表4-9。

表4-9 涇惠渠灌區主要作物凈灌溉需水量的估算結果 Table4-9 Net irrigation water requirement of main crops in Jinghui Canal Irrigation District

續表

10. 未來氣候變化對作物需水量的影響

石家莊平原區種植的主要農作物為冬小麥和夏玉米，種植面積占農作物總種植面積的70%以上，為一年兩季輪作種植。因此，本研究以冬小麥和夏玉米為代表作物進行計算。計算時間段為2011～2060年。

為了將未來氣候情景與現狀氣候條件進行對比，採用由中國國家氣候中心研製的NCC/GU-WG(2.0)天氣發生器軟體生成2011～2060年現狀氣候條件(RCP)氣象數據作為對照。該模擬軟體由中國國家氣候中心根據全國671個氣象站點1961～2000年的逐日氣象資料率定研製，具有較高的精度，見表7-1，軟體操作方便，直接選用相應模擬站點，然後點擊輸出按鈕即可，主要為2011～2060年逐日降水量、最高氣溫、最低氣溫和日照時數等。

表7-1 模擬氣象數據與實測數據之間的對比

註：表中最高氣溫為多年平均日最高氣溫，最低氣溫為多年平均日最低氣溫，降水量為多年平均降水量，日照時數為多年平均日照時數。實測數據來自中國氣象數據共享服務網。

一、計算方法

採用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計算農作物需水量，計算公式如下：

石家莊平原區地下水流場演變特徵與尺度效應研究

式中：ET_o為參照作物需水量，mm；R_n為地表凈輻射，MJ/m²；G為土壤熱通量，MJ/m²；T為2.0m高處日平均氣溫，℃；U₂為2.0m高處風速，m/s；e_s為飽和水氣壓，kPa；e_a為實際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓曲線斜率，kPa/℃；r為干濕表常數，kPa/℃。以上計算公式所需基礎計算數據有逐日最高溫、逐日最低溫、平均風速、平均相對濕度及日照時數等，其餘計算參數均可由相應經驗公式計算獲得。本文計算過程在聯合國國際糧農組織研發的ET_oCalculatorV32軟體上實現，空氣濕度(%)選用 【T_dew=T_min+2℃】 按鈕，風速(m/s)選用 【light tomoderate wind】 按鈕，選用 【interior lacation】 按鈕。

農作物灌溉需水量採用如下公式計算：

IR =K_cET_o-P_e (7-2)

式中：IR為灌溉需水量，mm；K_c為作物需水系數，採用劉鈺等(2009)的實測數據；P_e為作物生育期內有效降水量，mm。

作物生育期內有效降水量(P_e)採用如下公式計算，計算時間單元為旬。

石家莊平原區地下水流場演變特徵與尺度效應研究

式中：P為作物生育期內的降水量，mm。

二、數據來源

由於MPI-ESM-MR大氣環流模型的輸出數據解析度較低(1.865°×1.875°)，需要進行降尺度處理。本文採用統計降尺度軟體SDSM(4.2)，對RCP4.5氣候情景模式的逐日最高氣溫和逐日最低氣溫進行降尺度處理，預測因子為地面2.0m溫度場和海平面氣壓場，統計模型校核期為1961～1975年，驗證期為1976～1990年。

圖7-1和圖7-2 為研究區逐月最高氣溫和逐月最低氣溫實測數據與模擬數據1976～2010年系列。採用歸一化均方根差(RMSE)來度量實測與模擬系列的差異化程度，其計算公式為式(7-4)，用兩者相關性來度量其一致性。

圖7-1 逐月最高氣溫實測數據與模擬數據之間的對比

圖7-2 逐月最低氣溫實測數據與模擬數據之間的比較

一般認為，RMSE＜10%為極好，10% ＜RMSE＜20%為好，20% ＜RMSE＜30%為中等，RMSE＞30%為差。兩者相關系數越接近1，說明兩者相關性越好(圖7-3)。

圖7-3 實測逐月氣溫數據與降尺度數據相關關系

a—最高氣溫；b—最低氣溫

石家莊平原區地下水流場演變特徵與尺度效應研究

式中：S_i為模擬值，℃；R_i為實測值，℃；R為實測平均值，℃。經計算，1976～1990年年均最高氣溫的歸一化均方根差(RMSE)為8.9%，為極好水平，年均最低氣溫的為22.6%，為中等水平；從相關系數來看，最高氣溫為0.98，最低氣溫為0.99，均很高，說明實測值與模擬值一致性較好。

由於對降水序列進行降尺度處理相對復雜，且運用SDSM(4.2)軟體降尺度所得到的數據較同期實測數據誤差較大。本文參考了叢振濤等(2010)人的研究方法，採用如下步驟進行降尺度處理：

(1)分別統計大氣環流模型 MPI-ESM-MR 歷史輸出數據(1961～2000年)和RCP4.5氣候情景2011～2060年輸出數據1～12月降水量平均值。

(2)對比分析計算RCP4.5情景模式下1～12月降水平均值分別相對於歷史輸出數據1～12月平均值的增大程度。

3)將計算得到的RCP4.5情景模式下1～12月降水量平均值相對於歷史輸出數據的增大幅度分別計算疊加到由NCC/GU-WG(2.0)天氣發生器模擬生成的石家莊站2011～2060年1～12月降水序列，從而得到石家莊站RCP4.5情景模式下的逐日降水序列。

主要計算流程如圖7-4所示：

圖7-4 逐日降水量降尺度計算流程

三、結果分析

以氣溫為橫坐標，作物需水量為縱坐標，建立相關關系圖(圖7-5)。從圖上可以看出，隨著溫度的升高，兩種氣候情景下農作物需水量均呈直線遞增關系，但遞增幅度有所不同。在現狀氣候條件下，氣溫每升高1.0℃，農作物需水量增大40.7mm，RCP4.5情景下，需水量增大27.8mm。從未來50年2011～2060年農作物平均需水量來看，現狀氣候條件為1107mm，RCP4.5情景增大到1139mm。

圖7-5 不同氣候情景下年均最高氣溫對作物需水量的影響

a—RCP；b—RCP4.5

利用公式(7-2)和公式(7-3)可以計算得到石家莊平原區2011～2060年作物灌溉需水量。以降水量為橫坐標，灌溉需水量為縱坐標，建立相關關系圖(圖7-6)。可以看出，隨降水量的增大，兩種氣候情景下灌溉需水量均呈直線遞減關系，但遞減幅度有所不同。在現狀氣候條件下，降水量每增加100mm，灌溉需水量減小40mm，RCP4.5情景下，需水量減少45mm。

圖7-6 不同氣候情景下年均最高氣溫對作物灌溉需水量的影響

a—RCP；b—RCP4.5

從多年平均水平來看(2011～2060年)，現狀氣候條件灌溉需水量為715mm，2011～2035年期間為709mm，2036～2060年期間為720mm。RCP4.5需水量為712mm，2011～2035年期間為707mm，2036～2060年期間為717mm。為了定量評價氣候變化對年需水量的影響，以需水量大於750mm為高強度灌溉需水量，700～750mm為中強度灌溉需水量，小於700mm為低強度灌溉需水量，則在現狀氣候條件下(RCP)，低強度灌溉需水量年佔42%(2011～2060年)，中強度佔34%，高強度佔24%；RCP4.5氣候情景下，低強度需水量年所佔比例較現狀氣候條件增大8%，中強度減小6%，高強度減小2%。

從年際角度來看，現狀氣候條件下，在2011～2035年期間，灌溉需水量在5%顯著水平上呈明顯下降趨勢，下降速率為13.5mm/10a，2036～2060年期間，無明顯上升或下降趨勢(圖7-7)。RCP4.5氣候情景下，在2011～2035年期間，灌溉需水量下降速率較現狀氣候條件下有所增大，為15.7mm/10a，同樣在2036～2060年期間，灌溉需水量無明顯上升或下降趨勢(圖7-8)。

圖7-7 現狀氣候條件下石家莊平原區2011～2060年期間灌溉需水量演變特徵

圖7-8 RCP4.5氣候情景下石家莊平原區2011～2060年期間灌溉需水量演變特徵