第五节 作物需水量
作物需水量是灌溉农业用水的主要组成部分，也是整个国民经济中消耗水分的最主要部分。因此，它是水资源开发利用时的必需资料，同时也是灌排工程规划、设计、管理的基本依据。目前全世界的用水量不断增长，水资源不足日益突出，为了更合理的利用水资源达到节水增产的目的，对作物需水量进行认真的分析研究，已经成为一个十分重要的研究课题。
一、作物需水量的概念
作物需水量从理论上说系指生长在大面积上的无病虫害，土壤水分和肥力适宜，能取得高产潜力条件下的作物植株蒸腾和棵间蒸发量，包括组成植株体所需的水量。
农田水分的消耗途径主要有五个部分：作物的植株蒸腾、棵间蒸发、深层渗漏（或田间渗漏）、地表径流和组成植株体。
植株蒸腾是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%以上是消耗于叶面蒸腾，只有不足1%的水量留在植株体内，成为作物植株体的组成部分。
棵间蒸发是指植株间土壤或田面的水分蒸发，又称株间蒸发。旱作物农田棵间蒸发是指旱作物植株间的土壤蒸发，水稻田的棵间蒸发是指水稻田的水面蒸发。
深层渗漏是指灌溉水或降水水量太多，使土壤水分超过了作物根系层土壤田间持水量，下渗到不能为作物利用的深层土壤的现象。通常情况下，对于旱作农田，深层渗漏是无益的水分消耗，且会造成养分的流失，灌溉要避免产生深层渗漏。田间渗漏是指水稻田的渗漏。由于水稻田需要经常保持一定的水层，所以水稻田经常产生渗漏，且数量较大。在丘陵地区的梯田，稻田的日平均渗漏量一般为2～6mm，冲田0～1mm，畈田0.5～2.0mm。平原圩区稻田多为轻黏土，但地下水位高，日平均渗漏量一般为0.5～1.0mm。对土质黏重，地下水位高且排水不畅的地区，长期淹灌的稻田，由于土壤中氧气不足，容易产生硫化氢、氧化亚铁等有毒物质，影响作物的生长发育，造成减产。因此近年来，认为稻田应有适当的渗漏量，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。但是渗漏量过大也会造成水量和养分的流失。
作物需水量包含生理和生态需水两个方面。作物生理需水是指作物生命过程中各种生理活动（如蒸腾作用、光合作用等）所需要的水分，植株蒸腾是作物生理需水的一部分。作物生态需水是指生育过程中，为给作物正常生长发育创造良好的生长环境所需要的水分，棵间蒸发即属于作物的生态需水部分。在整个作物的生育期内，植株蒸腾与棵间蒸发两者互为消长，一般在作物生育初期植株小，地面裸露大，以棵间蒸发为主；随着植株增大，植株蒸腾逐渐大于棵间蒸发，到作物生育后期，作物生理活动减弱，蒸腾耗水又逐渐减小。作物需水量大小及变化规律主要决定于作物种类、气象条件、土壤性质和农业技术措施等。
在一定供水条件下作物获得一定产量时实际所消耗的水量称为作物田间耗水量，简称耗水量。耗水量通常小于作物的需水量。作物需水量是一个理论值，又称为潜在蒸散量（或潜在腾发量），而作物耗水量是一个实际值，又称实际蒸散量或实际腾发量。需水量与耗水量的单位一样，常以m3/hm2或mm水深表示。
作物生产单位产量（如1kg玉米）的需水量称为作物需水系数。反之，作物每消耗单位水量（mm或m3）所能生产的产量，称为作物水分生产率，又可称为作物水分利用效率，其单位通常为kg/m3。
二、作物需水量的计算
根据大量灌溉试验研究分析，作物需水量的大小与气象条件（温度、日照、湿度、风速）、土壤含水状况、作物种类及其生长发育阶段、农业技术措施、灌溉排水措施等有关。这些因素对需水量的影响是互相联系的，也是错综复杂的，目前尚难从理论上对作物需水量进行精确的计算。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。
在生产实践中，计算作物需水量的方法，大致可归纳为两类，一类是直接计算出作物需水量，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）直接计算作物需水量的方法
一般是先从影响作物需水量的诸因素中，选择一个或几个主要因素（例如水面蒸发、气温、湿度、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。当已知影响因素的参数值时，便可算出其需水量。目前，在我国采用较多的有蒸发皿法、产量法和多因素法等。下面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）为例来介绍直接计算作物需水量的方法。
大量灌溉试验资料表明，日照、气温、湿度和风速等气象因素是影响作物需水量的重要因素，而水面蒸发量能综合反映上述各种气象因素的影响。因此，可以用水面蒸发量这一参数来衡量作物需水量的大小。这种方法的计算公式一般为：
式中：ET为某时段内的作物需水量，以水层深度mm计；E0为与ET同时段的水面蒸发量，以水层深度mm计，一般采用E601型蒸发皿或20cm口径蒸发皿测定值；a、b为经验常数；α为需水系数，或称为蒸发系数，为作物需水量与水面蒸发量之比值。
需水系数α随作物生育阶段而改变，由实测资料确定，一般条件下α值，水稻为0.8～1.57，小麦为0.3～0.9，棉花为0.34～0.9，玉米为0.33～1.0，谷糜为0.5～0.72。
由于“α值法”只需要水面蒸发量资料，易于获得且比较稳定，所以该法在我国水稻地区被广泛采用。多年来的实践表明，用α值法时除了必须注意使水面蒸发皿的规格、安设方式及观测场地规范化外，还必须注意非气象条件（如土壤、水文地质、农业技术措施、水利措施等）对α值的影响，否则将会给资料整理工作带来困难，并使计算结果产生较大误差。
（二）基于参照作物需水量的计算方法
参照作物需水量是指土壤水分充足、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔（地块的长度和宽度都大于200m）矮草地（草高8～15cm）上的蒸发量，也称为参照物腾发量，一般是指在这种条件下的苜蓿的需水量而言。因为这种参照作物需水量主要受气候条件的影响，所以都是根据当地的气候条件分（月和旬）计算。有了参照作物需水量，然后再根据作物系数对参照作物需水量进行修正，即可求出作物的实际需水量ET。此概念最早是由英国气象学家彭曼1946年提出来的。它不受土壤含水量和作物种类的影响，故可以分为以下两步：
第一步，考虑气象因素对作物需水量的影响，用理论的、经验的或半经验的方法先算出参照作物需水量。
第二步，考虑土壤水分及作物条件的影响，对参照作物需水量进行修正，计算出实际作物需水量。
1.参照作物需水量的计算
在国外，对于这一方法的研究较多，有多种理论和计算公式，如Penman法、Penman—Monteith法、辐射法、布莱尼—克雷多法等。其中以能量平衡原理比较成熟、完整。其基本思想是：将作物腾发看作是能量消耗的过程，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。其中Penman—Monteith法是在Penman法基础上加以修正提出的，并由联合国粮农组织（FAO，1998年）推荐世界各地使用。
经国内外大量研究证明，该公式适用于不同地区估算参考作物需水量，该腾发量为一种假想的参照作物冠层的蒸发蒸腾速率，即，假设作物高度为12cm，固定叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面且不缺水的绿色草地的蒸发蒸腾速率。与20世纪70年代应用的Penman公式比较，该公式统一了计算标准，无需进行地区率定和使用当地的风速函数，同时也不用改变任何参数即可适用于世界各个地区和各种气候，估算值精度高且具备良好的可比性。公式为：
式中：ET0为参照作物需水量，mm/d；Rn为作物表面的净辐射量，MJ/（m2·d）；G为土壤热通量密度，MJ/（m2·d）；T为地面以上2m处的平均温度，℃；u2为地面以上2m处的风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；es-ea为饱和气压亏缺量，kPa；Δ为饱和水汽温度曲线斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。
（1）确定ea、es。
式中：e0（T）为气温为T时的饱和水汽，kPa；Tmax、Tmin为地面以上2m处最高、最低气温，℃；RHmax、RHmin为最大、最小相对湿度，%。
若缺乏RHmax、RHmin，可用RHmean值按式（2-7）计算
式中：RHmean为平均相对湿度，%。
（2）确定γ。
式中：P为大气压强，kPa；Z为海拔高度，m。
（3）确定Rn。
式中：Rs为太阳短波辐射，MJ/（m2·d）；Rs0为晴空时太阳辐射，MJ/（m2·d）；Tmax，k、Tmin，k分别为24h内最高、最低绝对温度；as、bs为短波辐射比例系数，我国一些地点的as、bs值可从表1-3查得，如无实际的太阳辐射数据，可取as=0.25，bs=0.50；Ra为地球大气圈外的太阳辐射通量，MJ/（m2·d），也可以mm/d为单位的等效蒸发量表示，单位换算关系为1MJ/（m2·d）=0.408mm/d；GSC为太阳辐射常数，为0.0820 MJ/（m2·min）；dr为日地相对距离，dr=1+0.033cos
；J为从1月1日算起的日序数，介于1和365（366）之间；φ为纬度，北半球为正值，南半球为负值；δ为太阳磁偏角，δ=0.409sin
；ωs为日落时相位角，ωs=arccos（-tanφtanδ）；n、N分别为实际日照时数与最大可能日照时数，
，h。
（4）确定G。对于月计算：
式中：Gm，i为第i月（计算月）土壤热通量密度；Tm，i+1、Tm，i-1为计算月下一个月和前一个月的月平均气温℃。
表1-3 我国一些城市的as、bs值
如果Tm，i+1未知，则可按式（1-98）计算。
对于时计算或更短的时间，则以式（1-99）、或式（1-100）估算。
白天
夜晚
（5）确定u2。当实测风速距地面不是2m高时，用式（1-101）进行调整。
式中：u2为地面以上2m处的风速，m/s；uz为实测地面以上z（m）处的风速，m/s；z为风速测定实际高度，m。
（6）确定Δ。
Peman—Monteith方法使用一般气象资料（湿度、风速、温度和实际日照时数）即可计算日、旬、月的参照作物蒸发蒸腾量，因此我国在计算作物需水量时多采用此公式。
2.实际作物需水量的计算
参照作物需水量只考虑了气象因素对作物需水量的影响，实际作物需水量还应考虑作物因素和土壤含水率进行修正。Wright（1982年）最早提出作物系数，用于计算实际作物需水量，并被联合国粮农组织（FAO）推荐采用。其计算公式为：
式中：ET为实际作物需水量；ET0为参照作物需水量；Kc为作物系数，与作物种类、品种、生育期和作物的群体叶面积指数等因素有关，是作物自身生物学特性的反映；Ks为土壤水分修正系数，反映根区土壤水分不足对作物需水量的影响。
（1）作物系数。研究结果表明，作物系数取决于作物冠层的生长发育。作物冠层的发育状况通常用叶面积指数（LAI）描述。叶面积指数为叶面积数值与其覆盖下的土地面积的比率。随着作物的生长，LAI逐步从零增加到最大值。玉米的LAI可高达5.0。作物系数的变化过程与生育期LAI的变化过程相近。作物系数Kc在作物全生育期内的变化规律是：在生育期初始，作物系数很小；随着作物生长，作物系数也随着冠层的发育而逐渐增大；在某一阶段，冠层得到充分发育，作物系数达到最大值；此后作物系数会在一定时期内保持稳定；随着作物成熟及叶片衰老，作物系数开始下降。对于那些衰老前就已经收获的作物，其作物系数直至收获都可以保持在峰值。由于实际作物需水量与参照作物蒸发蒸腾量两者受气象因素的影响是同步的，因此，在同一产量水平下，不同水文年份的作物系数相对较稳定。
作物系数受土壤、气候、作物生长状况和管理方式等诸多因素影响，因此确定作物系数的主要方法是通过田间试验，利用试验资料反求作物系数。在没有实测资料的情况下，也可采用计算的方法确定作物系数。FAO（1998年）给出了两种计算作物系数的方法：一种是分段单值平均法，这是一种比较简单实用的方法，可用于灌溉系统的规划设计和灌溉管理；另一种是双值作物系数法，该方法需逐日进行水量平衡计算，计算复杂，需要数据量大，一般只适用于灌溉制度制定和田间水量平衡分析。其中分段单值平均法把作物系数的变化过程概化为几个阶段，对于大多数一年生作物，依植被覆盖率的变化可概化为四个阶段。四个阶段的划分为：
初始生长期，从播种到作物覆盖率接近10%，此阶段内的作物系数为Kcini。
快速发育期，从覆盖率10%到充分覆盖（大田作物覆盖率达到70%～80%），该阶段内作物系数从Kcini快速增加到Kcmid。
生育中期，从充分覆盖到成熟期开始，叶片开始变黄，此阶段内作物系数为Kcmid。
成熟期，从叶片开始变黄到生理成熟或收获，其作物系数从Kcmid，下降到Kcend。
段爱旺等（2004年）采用分段单值平均法分析计算给出了我国北方地区主要作物的作物系数，作为示例，表1-4给出了山西省介休市的作物系数。
表1-4 山西介休市几种主要作物的作物系数值
（2）土壤水分修正系数。若供水充足，没有水分胁迫时，土壤水分修正系数Ks=1；若供水不足，作物遭受水分胁迫时，土壤水分修正系数Ks<；1。其值主要与土壤含水率或土壤水势有关，有多种计算方法，如，詹森（Jensen）模型（1970年）：
式中：AW为土壤实际有效水分百分数；θ为土壤根系层实际含水率，cm3/cm3；θc为田间持水量，cm3/cm3；θwp为永久凋萎点含水量，cm3/cm3。
雷志栋等建议的模型（1988年）：
该式表示当含水率大于临界含水率θj时，作物蒸发蒸腾量达到最大值，且不受土壤水分限制，当含水率低于该临界值时，蒸发蒸腾量随含水率的降低而线性减小；a和b为待定系数。
对于多数作物，当根区的土壤水分含量低于毛管断裂含水量点时，作物蒸发蒸腾过程受到土壤水分含量的限制，作物蒸发蒸腾量开始减少，也即水分胁迫开始发生。一般可取θj等于田间持水量的65%～80%。