农作物需水量研究方法

1. 北方主要作物的需水规律

主要农作物:大米、小麦、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、红薯、玉米、

稻田水分状况对水稻生长发育的影响 据测定，当土壤水分下降到80％以下时，因水分不足阻碍水稻对矿质元素的吸收和运转，使叶绿素含量减少，气孔关闭，妨碍叶片对二氧化碳的吸收，光合作用大大减弱，呼吸作用增强，可见保持土壤充足的水分，有利于水稻正常生理活动，利于分蘖、长穗、开花、结实，获得高产。试验还表明在水稻生育过程中，任何一个生育时期受旱都不利，但—般以返青、花粉母细胞减数分裂、开花与灌浆四个时期受旱对产量影响最大。
返青期缺水，秧苗不易成活返青，即使成活对分蘖及以后各生育时期器官建成都有影响。
幼穗发育期，叶面积大，光合作用强，代谢作用旺盛，蒸腾量也大，是水稻一生中需水最多的时期，初期受旱抑制枝梗、颖花原基分化，每穗粒数少，中期受旱使内外颖，雌雄蕊发育不良。减数分裂期受旱颖花大量退化，粒数减少，结实率下降。
抽穗开花期，水稻对水分的敏感程度仅次于孕穗期，缺水造成“卡脖子旱”，抽穗开花困难，包颈白穗多，结实率不高，严重影响产量。
灌浆期受旱，影响对营养物质的吸收和有机物的形成，运转，从而使千粒重、结实率降低，青米、死米、腹白大的米粒增多，影响产量和品质。
水稻虽耐涝力强，短期淹水对产量影响不大，但若长期淹水没顶则会影响生育及产量。生育时期不同对淹水的反应不同。据试验仍以返青和花粉母细胞减数分裂及开花、灌浆期对淹水最敏感。据观察，返育期当日平均温度为25～30℃时，淹水3～4天死苗率高达85%，双季稻孕穗期淹水7天，幼穗腐烂完全无收，开花期淹7天，结实率只有5%，乳熟期淹7天，结实率尚有60%，蜡熟期淹7天可收70～80%的产量。深灌会使土壤中氧气减少，泥温昼夜温差减小，稻株基部光照减弱，对根的生长及分蘖发生均不利，且茎秆软弱易倒伏。
2.各生育时期水分蒸腾量的变化。水稻的叶面蒸腾量，随植株叶面积的加大而增多，至孕穗到出穗期达 最高峰，以后又下降，但是水稻的蒸腾量既与品种有关，又受气温、湿度、风速、降雨等环境条件及栽培 技术的影响。
3.稻田需水量 稻田需水量由叶面蒸腾量，窝间蒸发量和稻田渗漏量三者组成，前二者又合称腾发量。
(1)腾发量 其中叶面蒸腾量的变化前面已谈过。而窝间蒸发量一般是移栽后最大，随着稻株对稻田覆盖度的增大而减少，约在分蘖末期后稳定在一定水平不再有大的变化，两者的关系是插秧初期蒸发大于蒸腾，分蘖末到成熟则是蒸腾大于蒸发。
稻田蒸发量，一般占总需水量的60～80％，据四川二贵州各灌区多年试验，不同地区，不同类型品种之间蒸发量有一定差异。
各生育期的蒸发量，总的变化趋势，随生育期向后推移，日平均蒸发量逐渐加大，于抽穗后达最大值，这是气象因素及生物学因素综合作用结果，尤以气象因素影响最大。温度高，风力大，湿度小蒸发量大，反之则小。插秧密度大较密度小的，深灌较浅灌，浅灌又较湿润灌溉的腾发量大。随着施肥水平的提高，腾发量有增大的趋势。高产田干物质积累多，腾发量也较低产田大，但平均每千克稻谷所需腾发量，反而减少。所以提高单产也具有经济用水的作用。
(2)渗漏量 是稻田水分消耗的另一途径，其大小因土质，地下水位深浅、耕作及灌溉方法不同而异。在一定条件下，土壤愈粘重、透水性愈弱，渗漏量愈小；土壤砂性愈重、透水性愈强，渗漏量愈大。地势高。
耕作粗放及新开田渗漏量大，深灌比浅灌渗漏量大。
稻田渗漏可以输氧、排毒，有更新土壤环境的良好作用，但渗漏量过大会增加养分的流失。江苏、浙江、广东等地测定，以日渗漏量10毫米左右的田块产量较高。西南地区测定结果，不同土壤间差异较大，且灌溉设施比较差，渗漏量过大是不利的，似以维持3～5毫米／日较佳。
(3) 灌溉定额 稻田需水量，除—部分由水稻生长季节的降水直接供给外，另一部分则需灌溉补充。每亩稻田需要人工补给的水量称灌溉定额。
灌溉定额=打田用水量+大田生育期间耗水量(腾发量+渗漏量) - 有效降雨量。
打田(整田)用水量据四川各灌区实测平均为78.5～139立方米／亩；贵州一般为97.4～ 200立方米/亩。因土质、前作、气候、耕作及土壤含水量等而异。土壤质地疏松较紧实的、含水量低较含水量高的、新开田较老稻田，坡地较低洼地、冬闲田较冬作田，旧法泡田比新法泡田打田用水量要多。

一、小麦的需水规律
1、三叶分蘖期：小麦三叶分蘖期水分供应充足可以增加小麦的有效分蘖数。当土壤湿度从22%增加到27%，小麦的有效分蘖就会从平均的3.7个增加到7.9个，主穗上的小穗也会从7.1个增加到10.4个。
2、拔节孕穗期：小麦拔节孕穗期是小麦生长发育最快的时期，需水量较大，但拔节前期水分又不能过多。否则容易引起小麦徒长倒伏。
3、抽穗开花期：小麦抽穗开花期需水量达到生育期的最高峰。当土壤湿度由20%增加到28%时，主穗上的小穗平均由0.6个增加到12.4个；每株粒数重由44.6增加到63.7；千粒重增加2.5克；增产32.4%。如果小麦此期缺水，将严重的影响小卖的品质和产量。
4、灌浆乳熟期。小麦灌浆乳熟期是小麦品质形成的关键时期，此期如果小麦缺水，将造成小麦秕粒，从而降低效买的品质和产量。
二、小麦歌声预期的关该方法
1、分蘖水要早灌：小麦三叶分蘖水也叫“坐胎水”。小麦在分蘖时，它的幼穗已经开始分化形成，这时水分供应不足，将会造成“胎里旱”，形成的麦穗小。据试验结果表明：在小麦分蘖的前3天灌溉，有效小穗为9.7个，分蘖后3天灌水，有效小穗为6.4个，不灌水的为4.9个。由此可见，除了个别年份春季水分充足外，绝大多数年份都需要进行灌溉，且早灌为好。这一时期要求土壤含水量占田间持水量的70~80%。此期一旦发现叶片在中午时有萎蔫现象，表明小麦严重缺水，要马上浇水补救。
2、拔节水要巧灌：拔节水要灌的适时，过早容易引起徒长、倒伏。因此，小麦拔节水要掌握“巧”的灌水原则，即久晴无雨要灌，将要下雨时不灌；土壤湿度小（低于田间持水量）要灌，小麦叶片黄，中午萎蔫，抽穗不齐要灌，反之则不灌。
3、灌浆水要轻灌。在小麦扬花、灌浆期，如果遇伏旱和干热风，应及时灌水，以保证水分供应，但此次灌水量不宜过大，以免引起徒长或烂根、早死。如果雨季来得早，雨水勤，土壤水分充足，也可以不灌

玉米需水规律

玉米不同生育时期对水分的要求不同，整个生育期内，水分的消耗因土壤、气候条件和栽培技术有很大的变动。玉米需水量多少与播种季节有关，春玉米生育期较长，耗水绝对量比夏玉米要多得多。不论春、夏玉米，都有相似的需水规律。

1．播种出苗期

玉米从播种发芽到出苗，需水量少，占总需水量的3．1%-6．1%。玉米播种后，需要吸取本身绝对干重的48%-50%的水分，才能膨胀发芽。如果土壤墒情不好，即使勉强膨胀发芽，也往往因顶土出苗力弱而造成严重缺苗；如果土壤水分过多，通气性不良，种子容易霉烂也会造成缺苗，在低温情况下更为严重。播种时，耕层土壤必须保持在田间持水量的60%-70%，才能保证良好的出苗。

2．幼幼苗

玉米在出苗到拔节的幼苗期间，植株矮小，生长缓慢，叶面蒸腾量较少，所以耗水量也不大，约占总需水量的17．8%-15．6%。这时的生长中心是根系，为了使根系发育良好，并向纵深伸展，必须保持表土层疏松干燥和下层土比较湿润的状况，如果上层土壤水分过多，根系分布在耕作层之内，反不利于培育壮苗。因此，这一阶段应控制土壤水分 在田问持水量的60%左右，可以为玉米蹲苗创造良好的条件，对促进根系发育、茎秆增粗、减轻倒伏和提高产量都起到一定作用。

3．拔节孕穗期

玉米植株开始拔节以后，生长进入旺盛阶段。这个时期茎和叶的增长量很大，雌雄穗不断分化和形成，干物质积累增加。这一阶段是玉米由营养生长进入营养生长与生殖生长并进时期，植株各方面的生理活动机能逐渐加强。同时，这一时期气温还不断升高，叶面蒸腾强烈。因此，玉米对水分的要求比较高，约占总需水量的29．6%-23．496。特别是抽雄前半个月左右，雄穗已经形成，雌穗正加速小穗、小花分化，对水分条件的要求更高。这一阶段土壤水分以保持田间持水量的70%-80%为宜。

4．抽穗开花期

玉米抽穗开花期，对土壤水分十分敏感，如水分不足，气温升高，空气干燥，抽出的雄穗在2-3天内就会“晒花”，造成有的雄穗不能抽出，或抽出的时间延长，造成严重的减产，甚至颗粒无收。这一时期，玉米植株的新陈代谢最为旺盛，对水分的要求达到它一生的最高峰，称为玉米需水的“临界期”。这时需水量因抽穗到开花的时间短，所占总需水量的比率比较低，约为13．8%-27．8%。这一阶段土壤水分以保持田间持水量的80%左右为最好。

5．灌浆成熟期

玉米进入灌浆和乳熟的生育后期时，仍需相当多的水分才能满足生长发育的需要。这期间是产量形成的主要阶段，需要有充足的水分作为溶媒，才能保证把茎、叶中所积累的营养物质顺利地运转到籽粒中去。所以，这时土壤水分状况比起生育前期更具有重要的生理意义。灌浆以后，即进入成熟阶段，籽粒基本定型，植株细胞分裂和生理活动逐渐减弱，这时主要是进入干燥脱水过程，但仍需要一定的水分，约占总需水量的4%-10%来维持植株的生命活动，保证籽粒的最终成熟。

棉花在生育期间的需水规律是：前期需水量比较少，中期需水量比较多，而到了后期需水量又有所下降。

具体的各个生育阶段的需水量如下：

播种出苗时期
这一阶段主要的任务是种子的萌发，而种子要想萌发，必须吸足相当于种子本身重量的60%以上的水分才能发芽，因此这一阶段要求土壤水分应占到田间持水量的60%-70%，否则会由于土壤水分过少，而使得种子不能萌发；相反，土壤水分也不能过多，水分太多了，也很容易引起种子的腐烂。

出苗到现蕾时期
这个阶段的主要任务是根的生长，由于地上部分比较小，所以对水分的需求量不是很大，需水量在总需水量的15%以下，土壤含水量应是田间最大持水量的60%-75%。这一阶段土壤的水分不宜过多，如果太多了，不仅会影响根的生长，而且还会使棉苗容易感染病害。南方在这一阶段应注意做好排水工作。

现蕾到开花期
这一阶段由于北方气温比较高，棉株也在逐渐长大，总的蒸发量也在加大，这一期间田间需水量占总需水量的12%-20%，土壤含水量应为田间最大持水量的65%-80%。南方在这一阶段还得做好排水工作。

开花到吐絮期
这一阶段正是棉花生长旺盛的时期，需水量也大，大约占总需水量的45%-65%。这个时期如果缺水，将会导致蕾铃的脱落，铃重的下降。这一时期应使土壤的含水量保持在田间最大持水量的70%-80%。

吐絮
吐絮以后，棉花的生长也基本上结束了，因此对水分的需求量也在减少，这时的需水量约占到总需水量的10%-20%，土壤含水量应占到田间最大持水量的55%-70%。这一时期，土壤的水分不宜过多，太多了会引起棉花的贪青晚熟，引起烂铃

大豆是需水较多的作物。对我们北方旱作区来说，不同年度间降雨量差别很大，且降雨在不同季节间分布不均匀，所以应根据大豆需水规律及气候条件进行合理灌溉。

（1）播前灌溉。春播大豆播种时正值干旱季节，播前灌溉利于保全苗；但应提早进行灌水，避免土壤湿度过大，地温低，影响出苗。在土壤比较粘重地区，可进行秋灌，秋灌能充分利用水源，便以春季播种。夏大豆播种时遇旱应先灌水造墒，然后播种或遇雨抢墒播种。灌溉可在麦收后立即进行，也可在麦收前7～10天进行灌溉，麦收后立即耙地保墒，抢时播种。

（2）幼苗期灌溉。幼苗期大豆需水量较小，一般不用浇水。水分过多会使幼苗生长细弱，节间长，不利于根系下扎。此期对适墒播种的地块应进行中耕保墒，应当蹲苗。如遇特别干旱和播种时墒情不足的地块，可进行小水灌溉，浇后注意锄地保墒，提高地温，促进幼苗正常生长。

（3）分枝期灌溉。分枝期根系生长快，地上部逐渐进入旺盛生长，花芽开始分化，此期干旱会影响营养体生长和花芽分化。但此时水分太多，不利根系下扎，易造成地上部徒长，中后期倒伏。所以分枝期既要促进幼苗生长，搭好丰产架子，又不要过分过多，干旱时可浇小水。

（4）花荚期灌溉。花荚期是大豆一生生长发育最旺盛和需水最多的时期，这时气温高、日照长、蒸发量大，若供水不足将严重影响植株的蒸腾作用和光合作用。灌水时期、次数及灌水多少，要考虑当时的降雨量、墒情和植株长相等。河北省大豆的花荚期正值雨季，在一些年份降雨可满足需要，但遇旱必须适时灌水，使土壤持水量不低于60％～70％，以保持80％左右为宜。

（5）鼓粒期灌水。鼓粒期主要进行生殖生长，此时水分不足，秕荚增多，百粒重下降，因此干旱时应灌水。浇水要适量，以防贪青晚熟。

2. 净灌溉水量怎么得出

净灌溉用水量：就是农作物吸收的，不算土壤的耗费量！
毛灌溉用水量：毛灌溉定额是以净灌溉定额为基础，考虑输水损失和田间灌水损失后，折算到渠首的亩均灌溉需水量，显然它还考虑了灌溉用水在输送、分配过程中发生损失的规律。
从以上分析可以看出，灌溉定额更多的是注重灌溉本身的规律性、科学性，并不针对灌溉的合理性和先进性，往往也不具有广泛、客观的可比性。
主要作物净灌溉需水量
1人回答
中地数媒
2020-01-19
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一、作物净灌溉需水量IN计算公式
作物净灌溉需水量是指农作物在生育期内必须依靠灌溉来补充的水量。作物净灌溉需水量等于生育期内作物需水量与有效降水量之差（刘钰等，2009），即
IN＝ETc-Pe+∆w-G（4-2）
式中：IN为作物净灌溉需水量，mm；Pe为作物生育期内的有效降水量，mm。ETc为农作物生育期需水量，mm；G为农作物生育期内的地下水补给量，mm；由于灌区大部分地区地下水位较深，故地下水补给量可以忽略。∆w为农作物生育期始末的士壤储水量变化量，mm，若忽略不计此项，作物净灌溉需水量可由IN＝ETc-Pe近似确定。
二、有效降水量的确定
对于旱作物，有效降水量指保持在作物根系吸水层中供蒸发、蒸腾所利用的降水量，即降水量减去径流量和深层渗漏量。其值大小与次降水量、降雨强度、降雨延时、士壤质地、降雨之前的士壤湿度、农作物种类、生育阶段及田面条件等有关，通常由灌溉试验站农田水量平衡实测资料确定。由于旱地一般有田埂或畦埂，因此不易产生较大的地表径流，只有在降水较大的季节会产生深层渗漏。

3. 作物需水量的确定方法

确定作物需水量的可靠方法是通过试验来确定，当实测资料不足时，可用计算方法。常用的计算方法可分两类。
直接计算法 即根据分析试验观测资料与影响作物需水量的主要因素之间存在的数量关系，用统计分析建立计算公式的方法。中国常用的有以下几种。
①水面蒸发量法（多用于淹灌的水稻田）： E=αE0
式中E为某时段的作物需水量（m3/亩）；E0为同时段内的水面蒸发量（m3/亩）；α为通过试验确定的系数。 ②产量法（多用于旱作物）： 式中E为作物全生育期需水量（m3/亩）;Y为作物单位面积产量（kg/亩）；K、n和C为由试验确定的经验系数。 ③多因素法（适用于各种作物）：它是利用两个以上主要影响因素推定作物需水量公式的方法。该法形式很多，计算精度较高，但计算较复杂，需要的试验资料较多。 间接计算法 先计算出参考田间腾发水量，再乘以作物系数便得出作物需水量。参考田间腾发水量即潜在腾发量，是指作物株冠完全覆盖地面、作物高度不超过1m且生长正常的作物（如苜蓿等）在充分供水情况下的田间腾发水量。有代表性的计算方法是改进的彭曼公式：
式中Et为参考田间腾发水量(mm/d);P0和P分别为海平面和计算地点的平均气压(mbar)；γ为温度计常数；墹为饱和水汽压曲线的斜率；Rn为田面接受的太阳净辐射能量(mm/d)；Ea为干燥力，即蒸发面上的温度等于气温时的蒸发量(mm/d)。但实际上，作物需水量可由下式计算： 式中E为实际作物需水量；Kc为作物系数,即某阶段内作物需水量与同期参考田间腾发水量的比值，它反映作物及土壤条件对腾发的影响作用，根据试验资料求得。

4. 未来不同气候情景的建立

根据我国《第三次全国气候变化评估报告》预测，到21世纪末全国气温可能升高1.3～5℃，北方地区降水量可能增加5%～15%。一方面气温升高可能引起农作物需水量增大，地下水开采量随之增大；另一方面，降水量的增减会引起地下水资源量增减，两者叠加将加剧驱动地下水流场发生异变(Eckhardt，et al.，2013；Scibek，et al.，2006；Aguilera，et al.，2009；王利书等，2014)。

有关未来气候情景变化对水资源量及农作物需水量影响的研究方法主要有两种，一种是通过大气环流模式(GCM)模型来研究，另一种是通过假定气候因子按一定比例增加或减少来研究，例如假定降水量减少10%，气温升高1.0℃等。

本文采用世界气候研究计划组织第五阶段耦合模式(CMIP5，IPCC，2012)中的MPI-ESM-MR模型进行模拟研究。该模型由德国马克斯普朗克气象研究所创建，给出了RCP2.6、RCP4.5和 RCP8.5 三种典型浓度路径(representative concentration pathway，RCP)的1950～2100年的逐日气象模拟资料。典型浓度路径(RCP)以2100年前全球可能达到的辐射强度来命名。

RCP2.6气候情景是指未来辐射强度先处于升高趋势，最高达到3.0 W/m²，然后逐渐降低趋于稳定，至2100年降低到2.6 W/m²，相当于490mL/m³CO₂排放量。对于石家庄地区来说，至2100年，年平均气温以0.04℃/10 a的速率升高，相对于近50年(1961～2010年)平均气温升高1.0℃。

RCP4.5气候情景是指辐射强度持续上升，至2100年后辐射强度稳定在4.5 W/m²，相当于650mL/m³CO₂排放量。对于石家庄地区来说，至2100年，年平均气温以0.15℃/10 a年的速率升高，相对于近50年平均气温(1961～2010年)升高1.7℃。

RCP8.5气候情景是指辐射强度一直呈增大趋势，至2100年达到8.5 W/m²，相当于1370mL/m³CO₂排放量。对于石家庄地区来说，至2100年，年平均气温以0.5℃/10 a的速率升高，相对于近50年平均气温升高2.6℃。

本文采用RCP4.5气候情景，作为典型气候情景进行分析计算。根据各气候情景未来气温升高幅度的差别，由RCP4.5情景可以大致推断其他气候情景的情况。

5. 单位面积农业耗水强度与有效降水量之间关系

地下水农用开采量受到耗水型作物的种植面积、降水量多少及时程分配、灌溉利用效率等的影响，其中石家庄平原区在近50年时间中耗水型作物的种植面积及降水量是主要影响因素。降水量不变情况下，种植面积增大，地下水农用开采量增大；种植面积一定情况下，降水量补给作物需水量越多，地下水农用开采量越小。虽然在种植面积变化较为明显情况下，地下水农用开采量表现出随耗水型作物种植面积变化而变化的明显规律，但降水量作为农作物主要的需水来源之一，其作用程度不可忽略。所以了解单位耗水型作物种植面积上农用开采强度的变化趋势，分析其与降水量（尤其是有效降水量）之间的关系对粮食安全生产和地下水合理调控及降水量合理利用均具有较强的理论指导和实际意义。

6.3.4.1 作物需耗水的有效降水量理念与内涵

降雨对农作物的主要作用是补充生长所必需的耕作层土壤水分，降雨是否有效，主要取决于它是否将雨水补充到作物的有效根区，这是衡量耕地有效降雨的标志（杨燕山，2004）。有效降水量（effective precipitation）指旱作物种植条件下，用于满足作物蒸发蒸腾需要的那部分降水量，它不包括地表径流和渗漏至作物根区以下的部分，同时也不包括淋洗盐分所需要的降水深层渗漏部分，因为这部分水量没有用于作物的蒸散，应视为无效水（刘战东，2007）。影响有效降水量的因素多而复杂（Dastane N.G，1974），不同作物种类、生长阶段、耗水特性、降水特性、土壤特性、地下水位埋深以及农业耕作管理措施等因素都直接或间接影响它的大小（Dastane N G.，1974）。

计算有效降水量的方法主要有以下几种。

（1）经验公式计算有效降水量

P_e＝α×P 6.9

式中，P_e为有效降水量（mm）；P为次降水量（mm）；α为降水有效利用系数，如表6.9所示。

表6.18 1982年以来有效降水量、种植面积及农业开采量回归系数表

对1953～1981年及1982～2005年有效降水量、小麦玉米总种植面积及农业开采量之间的分段回归分析显示，在1982年之前，由于小麦玉米总种植面积变化幅度较大，成为决定农业开采量变化的主要因素，相关系数为0.956，有效降水量与农业开采量的相关系数只有-0.362；而在1982年之后，农业种植规模已经成型，变化幅度相对较小，小麦玉米总种植面积的变化对农业开采量的贡献度减小，相关系数减小为0.269，相应地有效降水量对农业开采量变化贡献度增加，相关系数为-0.509，即在1982年之后，有效降水量多的年份农业开采地下水量较小，而有效降水量小的年份农业开采地下水量较多。

6. 灌区主要作物灌溉需水量

作物灌溉需水量指通过灌溉补充的士壤原有储水量和有效降水量不能满足作物蒸发蒸腾、冲洗盐碱以及其他方面要求的水量（陕西省水利水士保持厅，1992）。对于旱地作物，灌溉需水量等于作物蒸发蒸腾量加上创造良好农田生态环境所必需的冲洗压盐水量，减去有效降水量、地下水补给量和生长期内的士壤水分利用量（段家旺等，2004）。如果不要求盐碱化冲洗和地下水补给量忽略时，作物全生育期的灌溉需水量近似等于作物蒸发蒸腾量减去有效降水量。因此，作物需水量是灌溉需水量研究的重要组成部分。

一、作物系数K_c的确定

作物系数指作物不同生育期中需水量与可能蒸散量之比值。作物系数K_c是农作物本身生物学特性的反映，它与作物的种类、品种、生育期、群体叶面积指数等因素密切相关（陈玉民等，1995）。根据各月田间实测需水量和利用同一时段的气象因素计算的参考作物需水量来计算，即

灌区农业节水对地下水空间分布影响及模拟

式中：K_c为作物系数；ET₀为参考作物腾发量；ET_c为作物需水量。作物系数的准确性很大程度上取决于实测作物需水量的精度，根据灌区灌溉试验站历年的实测需水量资料分析，经筛选之后得出灌区冬小麦、夏玉米等4种主要作物历年各月K_ci和全生育期总K_c，然后进行算术平均，得出历年平均各月的作物系数和历年平均全生育期总作物系数，其结果见表4-1。

表4-1 泾惠渠灌区历年平均作物系数K_c值 Table4-1 past years average crop coefficient K_cvalues in Jinghui Canal Irrigation District

（据陈玉民等，1995）

二、参考作物需水量ET₀计算公式

参考作物蒸发蒸腾量（ET₀）采用彭曼-蒙蒂斯（penman-Monteith）方法计算，彭曼-蒙蒂斯公式是联合国粮农组织（FAO，1998）提出的最新修正彭曼公式，并已被广泛应用且已证实具有较高精度及可使用性（阮本清等，2007）。该公式以及计算中需要的参数如表4-2所示。

表4-2 彭曼公式各参数项的确定 Table4-2 Each parameter definition of penman

三、参考作物需水量ET₀影响因字分析

根据灌区1950～2005年气象资料，采用通径分析原理分析研究泾惠渠灌区ET₀主要气象影响因素，主要气象因子包括：最高气温（X₁）、最低气温（X₂）、平均气温（X₃）、相对湿度（X₄）、风速（X₅）和日照时数（X₆）等（表4-3）。通径分析理论于1921年由SewallWrixht提出，并经遗传和统计工作者不断发展完善，已证明在几乎所有的相关变数系统中作因果分析都是有效的（蔡甲冰等，2008；赵伟霞等，2009）。这一理论广泛应用于各个领域，为解决许多复杂的相关分析问题提供了一个简捷而灵活的方法。通过通径系数绝对值的大小，直接比较各自变量在回归方程中的重要作用，对于一个多变量的系统中抓住关键因子，改变依变量的反应量具有很好的实用价值（郑健等，2009；蔡甲冰等，2011）。在多变量的研究中，通径分析比相关分析更加全面，更加细腻。

表4-3 泾惠渠灌区气象因子与参考作物需水量的通径分析 Table4-3 path Analysis between meteorological factors and ET₀-pM in Jinghui Canal Irrigation District

注：X_i（i＝1，2，3，4，5，6）分别为最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速和日照时数。

从表4-3中可知，灌区各气象因子对参考ET₀都有不同程度的影响，根据各气象因子对ET₀的直接作用和间接作用分析，最高气温、最低气温及平均气温对ET₀的影响明显比其他气象因子影响作用大。最高气温对ET₀的直接作用系数、间接作用系数分别为2.1012和-1.4676；最低气温对ET₀的直接作用系数、间接作用系数分别为7.7622和-7.1028；平均气温对ET₀的直接作用系数、间接作用系数分别为-8.7018 和-8.054；相对湿度对ET₀的直接作用系数、间接作用系数分别为-0.895和0.2344；其他气象因子对ET₀的直接作用系数、间接作用系数相对较小，说明在泾惠渠灌区影响ET₀的主要气象因子是大气温度和相对湿度。通过各气象因子的间接作用分析，最高气温、最低气温及相对湿度通过平均气温对ET₀具有较强的作用，间接作用系数分别为-8.6541，-8.6129，-8.1727。风速和日照时数通过气温对ET₀具有一定的负面影响。

7. 农业需水预测可分为哪两大类

为农作物高产、节水制定的灌水方案，包括灌水定额、灌溉定额、灌水时间和灌水次数等。灌水定额是指某一种作物单位面积上的一次灌水量。灌溉定额是指某一种作物单位面积上各次灌水定额的总和。二者均以水量(单位为m3/亩)或以水层深度(单位为mm)表示。灌水时间和灌水次数根据作物需水要求和土壤水分状况来确定，以达到适时适量灌溉。
灌溉制度是计算灌溉用水量和制定灌区引水、配水计划的基本依据，也是进行灌区水利规划，灌溉工程设计和灌区用水管理的依据。灌溉制度的制定是在全生育期内进行水量平衡计算，分析各时段农田水分状况，以确定何时需要灌溉和灌多少水量，以便保持最佳土壤水分条件。
根据作物生理和生态特点对水分要求的不同，灌溉制度主要可分为两大类，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，常采用淹灌方式，因此，渗漏损失水量大，灌水次数多，灌溉定额大。灌溉制度应以满足不同时期稻田淹灌水层的深度要求。通过水量平衡计算，可以确定所需要的水量。
某时段内水稻灌水定额为：
m＝H＋E－P－H0+C

式中m为时段内水稻灌水定额；H0、H分别为时段初和时段末的稻田水层深度；E为时段内田间耗水量(蒸发、蒸腾和渗漏量)；P为时段内降雨量；C为时段内排水量。单位均为mm。
水稻灌溉制度，随着水稻品种和栽培季节的不同而异，多采用浅-深-浅的灌水方法，即分蘖和分蘖以前采用浅灌,分蘖后期到乳熟前采用深灌,乳熟以后浅灌，黄熟以后落干(有时也在分蘖末期落干晒田一次)。灌溉定额南方一般为300～360m3/亩,北方常在500m3/亩以上。
旱作物灌溉制度 根据旱作物的生理和生态特性，灌溉的作用在于补充土壤水分的不足，要求作物生长阶段土壤计划湿润层内土壤含水量维持在易被作物利用的范围内。其最大允许含水量为田间持水量，而最小允许含水量应保持在田间持水量的50％～60％。
旱作物灌溉制度可通过水量平衡计算来确定。当某一时段内尚未灌水时，时段末土壤储水量为W（m3/亩），则：
W＝W0＋P－E＋K

式中W0为时段初的土壤储水量;P为时段内的有效降雨量；E为时段内农田耗水量；K为时段内地下水补给量。单位均为m3/亩。若计算时段较长,计划湿润层加深，则在水量平衡方程式右端加上因计划湿润层增加而增加的水量WH。
当时段末土壤储水量W 小于或等于土壤允许最小含水量的土壤储水量时，则应进行灌水。其灌水定额等于土壤允许最大储水量（田间持水量）与时段末土壤储水量W的差值。旱作物灌溉制度也可用图解法来确定。
旱作物的灌溉制度随作物种类和地区不同而异。①北方半干旱地区、中等干旱或干旱年，几种主要农作物灌溉制度如下。冬小麦灌水4～5次，分别在播种前、分蘖期、 返青-拔节期、抽穗期、灌浆期。如遇后期干旱，在成熟期也可灌水一次。灌水定额40～50m3/亩。灌溉定额160～220m3/亩。②玉米灌水 3～4次，分别在拔节期、抽穗期、开花期、乳熟期进行灌溉。灌水定额约40m3/亩。灌溉定额120～160m3/亩。③棉花灌水2～4次,分别在现蕾期、开花期、花铃期、成熟期进行灌溉。灌水定额约40m3/亩。灌溉定额80～160m3/亩。
其他灌溉制度 当采用喷灌、滴灌、地下灌溉或进行某些特种灌溉（如施肥灌溉、 洗盐灌溉、 防冻灌溉、降温灌溉、引洪淤灌等）时，灌溉制度必须按不同要求另行制定。
对干旱缺水地区，可以制定关键时期的灌水、限额灌水或不充分灌水的灌溉制度，以求得单位水量的增产量最高或灌区总产值最高。
展望 为了及时和合理调整灌溉制度，需要加强灌溉预报工作，重点是对降水、作物耗水及土壤水分变化进行预测预报。同时需要进一步研究主要作物的节水型灌溉制度，以适应日益紧张的农业水资源供需关系和发展灌溉的需要。
参考书目
武汉水利电力学院郭元裕主编：《农田水利学》,第2版，水利电力出版社，北京，1986。

8. 薯仔开花时的需水量浇水方法

马铃薯属于需水量大的农作物之一，其茎叶的含水量占到90%，块茎中含水量也达80%左右。马铃薯必须有充足的水分才能提高产量，水能够让马铃薯更充分地吸收土壤中的无机盐营养。马铃薯的光合作用和有机营养制造都离不开水，实验表明每生产一公斤马铃薯，需吸收140L水，因此水在马铃薯的生长发育周期中十分重要。要具备充足的水源供给马铃薯种植。
植株的蒸发和蒸腾作用消耗着土壤水分，当水分由田间最大持水量损失到作物生长开始受限制的水量时，这一水量称临界亏缺。临界亏缺值以降雨量单位毫米表示，它相当于恢复到土壤田间最大持水量所需补充的水量。马铃薯的水分临界亏缺值估计为25mm，相当于250m³/ha的水量。土壤水分消耗超过这一临界值时，马铃薯叶片的气孔便缩小或关闭，蒸腾率随之下降，生理代谢不能正常进行，使其生长受阻，因此导致了马铃薯减产。
马铃薯不同生长发育期的需水特点有所不同，主要分为以下几个时期：
1、发芽期：马铃薯发芽期所需水分主要靠种薯自身薯块里的水分供应，如芽块较大，能达到30～40克，土壤含水量也能够达到14%左右，就可以保证发芽出苗。
2、幼苗期：幼苗期叶面积小，蒸腾量不大，因此此时的耗水量相对较少。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。此时不宜水分过剩，否则影响根系发育，并降低后期抗旱能力，但水分不足则影响地上部分发育，造成发育缓慢，棵小叶小，花蕾脱落。
3、块茎形成期：马铃薯块茎形成时期需要充足的水分，此时蒸腾量迅速增大，耗水量占全生育期耗水量的30%左右，为确保植株个器官迅速建成，很好地增长块茎，要保持田间最大持水量在70%-75%。水分不足会造成植株生长缓慢，块茎减少，影响增产。
4、块茎膨大期：从开花到话落后的一周是块茎膨大期，此时马铃薯需水量最多，田间持水量应保持在75%-80%。辞职植株体内营养分配由供应茎叶迅速生长为主，转变为主要满足块茎迅速膨大为主，这时茎叶的生长速度明显减缓。据测定，这个阶段的需水量占全生育期需水总量的50%以上。此时如缺水会导致块茎就会停止生长。以后即使再降雨或有水分供应，植株和块茎恢复生长后，块茎容易出现二次生长，形成串薯等畸形薯块，降低产品质量。但水分也不能过大，如果水分过大，茎叶就易出现疯长的现象。这不仅大量消耗了营养，而且会使茎叶细嫩倒伏，为病害的侵染造成了有利的条件。
5、淀粉积累期：马铃薯淀粉积累期需适量水分供应，保证植株叶面积的寿命和养分向块茎转移，淀粉积累期耗水量约占全生育期需水量的10％左右，保持田间最大持水量的60％-65％即可。不可水分过大，土壤过于潮湿，块茎的气孔开裂外翻，就会造成薯皮粗糙。这种薯皮易被病菌侵入，对贮藏不利。如造成田间烂薯，将严重减产。

9. 主要作物净灌溉需水量

一、作物净灌溉需水量I_N计算公式

作物净灌溉需水量是指农作物在生育期内必须依靠灌溉来补充的水量。作物净灌溉需水量等于生育期内作物需水量与有效降水量之差（刘钰等，2009），即

I_N＝ET_c-P_e+∆w-G（4-2）

式中：I_N为作物净灌溉需水量，mm；P_e为作物生育期内的有效降水量，mm。ET_c为农作物生育期需水量，mm；G为农作物生育期内的地下水补给量，mm；由于灌区大部分地区地下水位较深，故地下水补给量可以忽略。∆w为农作物生育期始末的士壤储水量变化量，mm，若忽略不计此项，作物净灌溉需水量可由I_N＝ET_c-P_e近似确定。

二、有效降水量的确定

对于旱作物，有效降水量指保持在作物根系吸水层中供蒸发、蒸腾所利用的降水量，即降水量减去径流量和深层渗漏量。其值大小与次降水量、降雨强度、降雨延时、士壤质地、降雨之前的士壤湿度、农作物种类、生育阶段及田面条件等有关，通常由灌溉试验站农田水量平衡实测资料确定。由于旱地一般有田埂或畦埂，因此不易产生较大的地表径流，只有在降水较大的季节会产生深层渗漏。深层渗漏量可以利用时段内的初始储水量、时段末士壤储水量、降水量和作物需水量来确定，有效降水量可以通过时段内的水量平衡方程确定（刘中培，2010），即

P_e＝P-R-F_d （4-3）

式中：p_e为有效降水量，mm；p为降水量，mm；F_d为由于降水入渗超过士壤最大储水能力产生的深层渗漏量，mm。对于农作物全生育期内的有效降水，如果历年分次计算，它是极其复杂的一个问题。因此，在农田灌溉生产实践中通常采用下面简化方法，即

P_e＝σP （4-4）

式中：σ为降雨有效利用系数，其值与一次降雨总量、降雨强度、降雨延时、士壤性质、作物生长、地面覆盖程度和计划湿润层深度等因素密切相关，通常根据实测资料确定。

三、作物净灌溉需水量计算

泾惠渠灌区主要农作物生育期内多年平均有效降水量及净灌溉需水量列于表4-7至表4-10，灌区冬小麦作物蒸发蒸腾量较大，生育期有效降水量相对较少，农田灌溉需水量较大；棉花作物蒸发蒸腾量较小，生育期有效降水量相对较大，净灌溉需水量最小。作物生育期内总有效降水量采用总降水量乘以降水有效利用系数的方法来确定，冬小麦生育期内降水分布比较均匀，一般无暴雨发生，其降水入渗深度基本在1m深士层之内，冬小麦有效降水量近似等于其降水总量，总降水有效利用系数取1.0。夏玉米和棉花生育期内的降水有效利用系数见表4-8。

表4-8 灌区玉米、棉花生育期内的降水有效利用系数σ Table4-8 precipitation effective utilization coefficients of corn，cotton in birth period

灌区冬小麦、夏玉米等主要农作物历年种植面积见图4-1。由图4-1可知，灌区冬小麦、夏玉米种植面积呈逐年递增趋势，由于其他果蔬类经济作物种植面积增加，棉花种植面积锐减。

图4-1 泾惠渠灌区主要作物历年种植面积 Fig.4-1 Main crop area over the years in Jinghui Canal Irrigation District

采用2005年灌区农作物种植面积统计资料，分别估算典型年冬小麦、夏玉米、棉花和油菜的总净灌溉需水量，年际之间可能存在变动，但变动幅度不会太大，其结果见表4-9。

表4-9 泾惠渠灌区主要作物净灌溉需水量的估算结果 Table4-9 Net irrigation water requirement of main crops in Jinghui Canal Irrigation District

续表

10. 未来气候变化对作物需水量的影响

石家庄平原区种植的主要农作物为冬小麦和夏玉米，种植面积占农作物总种植面积的70%以上，为一年两季轮作种植。因此，本研究以冬小麦和夏玉米为代表作物进行计算。计算时间段为2011～2060年。

为了将未来气候情景与现状气候条件进行对比，采用由中国国家气候中心研制的NCC/GU-WG(2.0)天气发生器软件生成2011～2060年现状气候条件(RCP)气象数据作为对照。该模拟软件由中国国家气候中心根据全国671个气象站点1961～2000年的逐日气象资料率定研制，具有较高的精度，见表7-1，软件操作方便，直接选用相应模拟站点，然后点击输出按钮即可，主要为2011～2060年逐日降水量、最高气温、最低气温和日照时数等。

表7-1 模拟气象数据与实测数据之间的对比

注：表中最高气温为多年平均日最高气温，最低气温为多年平均日最低气温，降水量为多年平均降水量，日照时数为多年平均日照时数。实测数据来自中国气象数据共享服务网。

一、计算方法

采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式计算农作物需水量，计算公式如下：

石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究

式中：ET_o为参照作物需水量，mm；R_n为地表净辐射，MJ/m²；G为土壤热通量，MJ/m²；T为2.0m高处日平均气温，℃；U₂为2.0m高处风速，m/s；e_s为饱和水气压，kPa；e_a为实际水气压，kPa；Δ为饱和水气压曲线斜率，kPa/℃；r为干湿表常数，kPa/℃。以上计算公式所需基础计算数据有逐日最高温、逐日最低温、平均风速、平均相对湿度及日照时数等，其余计算参数均可由相应经验公式计算获得。本文计算过程在联合国国际粮农组织研发的ET_oCalculatorV32软件上实现，空气湿度(%)选用 【T_dew=T_min+2℃】 按钮，风速(m/s)选用 【light tomoderate wind】 按钮，选用 【interior lacation】 按钮。

农作物灌溉需水量采用如下公式计算：

IR =K_cET_o-P_e (7-2)

式中：IR为灌溉需水量，mm；K_c为作物需水系数，采用刘钰等(2009)的实测数据；P_e为作物生育期内有效降水量，mm。

作物生育期内有效降水量(P_e)采用如下公式计算，计算时间单元为旬。

石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究

式中：P为作物生育期内的降水量，mm。

二、数据来源

由于MPI-ESM-MR大气环流模型的输出数据分辨率较低(1.865°×1.875°)，需要进行降尺度处理。本文采用统计降尺度软件SDSM(4.2)，对RCP4.5气候情景模式的逐日最高气温和逐日最低气温进行降尺度处理，预测因子为地面2.0m温度场和海平面气压场，统计模型校核期为1961～1975年，验证期为1976～1990年。

图7-1和图7-2 为研究区逐月最高气温和逐月最低气温实测数据与模拟数据1976～2010年系列。采用归一化均方根差(RMSE)来度量实测与模拟系列的差异化程度，其计算公式为式(7-4)，用两者相关性来度量其一致性。

图7-1 逐月最高气温实测数据与模拟数据之间的对比

图7-2 逐月最低气温实测数据与模拟数据之间的比较

一般认为，RMSE＜10%为极好，10% ＜RMSE＜20%为好，20% ＜RMSE＜30%为中等，RMSE＞30%为差。两者相关系数越接近1，说明两者相关性越好(图7-3)。

图7-3 实测逐月气温数据与降尺度数据相关关系

a—最高气温；b—最低气温

石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究

式中：S_i为模拟值，℃；R_i为实测值，℃；R为实测平均值，℃。经计算，1976～1990年年均最高气温的归一化均方根差(RMSE)为8.9%，为极好水平，年均最低气温的为22.6%，为中等水平；从相关系数来看，最高气温为0.98，最低气温为0.99，均很高，说明实测值与模拟值一致性较好。

由于对降水序列进行降尺度处理相对复杂，且运用SDSM(4.2)软件降尺度所得到的数据较同期实测数据误差较大。本文参考了丛振涛等(2010)人的研究方法，采用如下步骤进行降尺度处理：

(1)分别统计大气环流模型 MPI-ESM-MR 历史输出数据(1961～2000年)和RCP4.5气候情景2011～2060年输出数据1～12月降水量平均值。

(2)对比分析计算RCP4.5情景模式下1～12月降水平均值分别相对于历史输出数据1～12月平均值的增大程度。

3)将计算得到的RCP4.5情景模式下1～12月降水量平均值相对于历史输出数据的增大幅度分别计算叠加到由NCC/GU-WG(2.0)天气发生器模拟生成的石家庄站2011～2060年1～12月降水序列，从而得到石家庄站RCP4.5情景模式下的逐日降水序列。

主要计算流程如图7-4所示：

图7-4 逐日降水量降尺度计算流程

三、结果分析

以气温为横坐标，作物需水量为纵坐标，建立相关关系图(图7-5)。从图上可以看出，随着温度的升高，两种气候情景下农作物需水量均呈直线递增关系，但递增幅度有所不同。在现状气候条件下，气温每升高1.0℃，农作物需水量增大40.7mm，RCP4.5情景下，需水量增大27.8mm。从未来50年2011～2060年农作物平均需水量来看，现状气候条件为1107mm，RCP4.5情景增大到1139mm。

图7-5 不同气候情景下年均最高气温对作物需水量的影响

a—RCP；b—RCP4.5

利用公式(7-2)和公式(7-3)可以计算得到石家庄平原区2011～2060年作物灌溉需水量。以降水量为横坐标，灌溉需水量为纵坐标，建立相关关系图(图7-6)。可以看出，随降水量的增大，两种气候情景下灌溉需水量均呈直线递减关系，但递减幅度有所不同。在现状气候条件下，降水量每增加100mm，灌溉需水量减小40mm，RCP4.5情景下，需水量减少45mm。

图7-6 不同气候情景下年均最高气温对作物灌溉需水量的影响

a—RCP；b—RCP4.5

从多年平均水平来看(2011～2060年)，现状气候条件灌溉需水量为715mm，2011～2035年期间为709mm，2036～2060年期间为720mm。RCP4.5需水量为712mm，2011～2035年期间为707mm，2036～2060年期间为717mm。为了定量评价气候变化对年需水量的影响，以需水量大于750mm为高强度灌溉需水量，700～750mm为中强度灌溉需水量，小于700mm为低强度灌溉需水量，则在现状气候条件下(RCP)，低强度灌溉需水量年占42%(2011～2060年)，中强度占34%，高强度占24%；RCP4.5气候情景下，低强度需水量年所占比例较现状气候条件增大8%，中强度减小6%，高强度减小2%。

从年际角度来看，现状气候条件下，在2011～2035年期间，灌溉需水量在5%显着水平上呈明显下降趋势，下降速率为13.5mm/10a，2036～2060年期间，无明显上升或下降趋势(图7-7)。RCP4.5气候情景下，在2011～2035年期间，灌溉需水量下降速率较现状气候条件下有所增大，为15.7mm/10a，同样在2036～2060年期间，灌溉需水量无明显上升或下降趋势(图7-8)。

图7-7 现状气候条件下石家庄平原区2011～2060年期间灌溉需水量演变特征

图7-8 RCP4.5气候情景下石家庄平原区2011～2060年期间灌溉需水量演变特征