单元二 作物需水量
农田水分消耗的途径主要有植株蒸腾、株间蒸腾和深层渗漏（或田间渗漏）。
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%以上是消耗于蒸腾，只有不足1%的水量是留在植物体内，成为植物体的组成部分。
株间蒸发是指植株间土壤或田间的水分蒸发。株间蒸发或植株蒸腾都受气象因素的影响，但蒸腾因植株的繁茂而增加，株间蒸发因植株造成的地面覆盖率加大而减小，所以蒸腾与株间蒸发二者互为消长。一般作物生育初期植株小，地面裸露大，以株间蒸发为主；随着植株增大，叶面覆盖率增大，植株蒸腾逐渐大于株间蒸发，到作物生育后期，作物生理活动减弱，蒸腾耗水又逐渐减少，株间蒸发又相对增加。
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量，向根系活动层以下的土层产生渗漏的现象。深层渗漏一般是无益的，且会造成水分和养分的流失。田间渗漏是指水稻田的。由于水稻田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，会造成水量和肥料的流失，与开展节水灌溉有一定矛盾。
在上述几项水量消耗中，植株蒸腾和株间蒸发合称为蒸发，两者消耗的水量合称为腾发量，通常又把腾发量称为作物需水量。腾发量的大小及其变化规律，主要取决于气象条件、作物特性、土壤性质和农业技术措施等，而渗漏量的大小与土壤性质、水文地质条件等因素有关，它和腾发量的性质完全不同。因此，一般都是将腾发量与渗漏量分别进行计算。对水稻田来说，也有将稻田渗漏量计入需水量之内，通常则称之为“田间耗水量”，以使与需水量概念有所区别。
作物需水量是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，因此，对作物需水量的研究和估算，已成为一个重要研究课题。
根据大量灌溉试验资料分析，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相互联系的，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，另一方面常采取某些计算方法确定作物需水量。
现有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。目前常见的这类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）
大量灌溉试验资料表明，各种气象因素都与当地的水面蒸发量之间有着较为密切的关系，而水面蒸发量又与作物需水量之间存在一定程度的相关关系。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——某时段内的作物需水量，以水层深度mm计；
E0——与ET同时段的水面蒸发量，以水层深度mm计，E一般采用80cm口径蒸发皿的蒸发值；
a、b——经验常数；
α——需水系数，或称蒸发系数，为需水量与水面蒸发量之比值。
由于“α值法”只要水面蒸发量资料，易于获得且比较稳定，所以该法在我国水稻地区曾被广泛采用。多年来的实践证明，用a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a值的影响，否则将会给资料整理工作带来困难，并使计算成果产生较大误差。
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措施的综合结果。因此，在一定的气象条件下和一定范围内，作物田间需水量将随产量的提高而增加，如图2-5所示，但是需水量的增加并不与产量成比例。由图2-5还可看出，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，必须同时改善作物生长所必需的其他条件。作物总需水量的表达式为：
式中 ET——作物全生育期内总需水量，m3/亩；
Y——作物单位面积产量，kg/亩；
K——以产量为指标的需水系数。对于ET=KY公式，则K代表单位产量的需水量，m3/kg；
n、c——经验指数和常数。
式（2-4）中的K、n及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，此法使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。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。
图2-5 作物需水量与产量关系示意图
上述诸公式都可估算全生育期作物需水量，也可估算各生育阶段的作物需水量。在生产实践中，过去常习惯采用所谓模系数法估算作物各生育阶段的需水量，即先确定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——需水量模比系数，即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。
然而，这种按模比系数法估算作物各生育阶段需水量的方法存在较大的缺点。例如水稻整个生育期的需水系数α值和总需水量的时程分配即模比系数Ki均非常量，而是各年不同的。所以按一个平均的α值和Ki值计算水稻各生育阶段的需水量，计算结果不仅失真，而且导致需水时程分配均匀化而偏于不安全。因此，近年来，在计算水稻各生育阶段的需水量时，一般根据试验求得的水稻阶段需水系数αi直接加以推求。
必须指出，上述直接计算需水量的方法，虽然缺乏充分的理论依据，但我国在估算水稻需水量时尚有采用，因为方法比较简便，水面蒸发量资料容易取得。
二、通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量的方法
近代需水量的理论研究表明，作物腾发耗水过程是通过土壤—植物—大气系统的连续传输实现的，大气、土壤、作物三个组成部分中的任何一部分的有关因素都影响需水量的大小。根据理论分析和试验结果，在土壤水分充分的条件下，大气因素是影响需水量的主要因素，其余因素的影响不显著。在土壤水分不足的条件下，大气因素和其余因素对需水量都有重要影响。目前对需水量的研究主要是在土壤水分充足条件下的各项大气因素与需水量之间的关系。普遍采取的方法是通过计算参照作物的需水量来计算实际需水量。相对来说理论上比较完善。
所谓参照作物需水量ET0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，一般是指在这种条件下的苜蓿草的需水量而言。因为这种参照作物需水量主要受气象条件的影响，所以都是根据当地的气象条件分阶段（月和旬）计算。
有了参照作物需水量，然后再根据作物系数kc对ET0进行修正，即可求出作物的实际需水量ET，作物实际需水量则可根据作物生育阶段分段计算。
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。其中以能量平衡原理比较成熟、完整。其基本思想是：将作物蒸发看作能量消耗的过程，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。
作物腾发过程中，无论是体内液态水的输送，或是田间腾发面上水分的汽化和扩散，均需克服一定阻力。这种阻力越大，需要消耗的能量也越大。由此可见，作物需水量的大小，与腾发消耗能量有较密切的关系。腾发过程中的能量消耗，主要是以热能形式进行的，例如气温为25℃时，每腾发1克重的水大约需消耗2468.6J的能量。如果能在农田中测算出腾发消耗的总热量，便能由此推算出相应的作物需水量数值。
作物腾发所需的热能，主要由太阳辐射供给。所以能量平衡原理，实际上是计算“土壤—作物—大气”连续系统中的热量平衡。根据这一理论以及水汽扩散等理论，在国外曾研究有许多计算参照作物需水量的公式。其中最有名的、应用最广的是英国的彭曼（Penman）公式。公式是1948年提出来的，后来经过多次的修正。1979年，联合国世界粮农组织对彭曼公式又作了进一步修正，并正式认可向各国推荐作为计算参照作物需水量的通用公式。其基本形式如下：
式中 ET0——参照作物需水量，mm/d；
——标准大气压下的温度函数，其中Δ为平均气温时饱和水汽压随温度之变率。即
；其中ea为饱和水汽压，t为平均气温；γ为湿度计常数，γ=0.66hPa/℃；
——海拔高度影响温度函数的改正系数。其中p0为海平面的平均气压，p0=1013.25hPa；p为计算地点的平均气压，hPa；
Rn——太阳净辐射，以蒸发的水层深度计，mmd。可用经验公式计算，从有关表格中查得或用辐射平衡表直接测取；
Ea——干燥力，mm/d，Ea=0.26（1+0.54μ）（ea-ed），其中ed为当地的实际水汽压，μ为离地面2m高处的风速，m/s。
近些年来，我国在计算作物需水量和绘制作物需水量等值线图时多采用上述公式。在农田水利工程设计规范中也推荐采用这一公式。由于该公式计算复杂，一般都用计算机完成。有关Penman公式的计算机程序可参考有关书籍。
2.实际需水量的计算
已知参照作物需水量ET0后，则采取“作物系数”kc对ET0进行修正，即得作物实际需水量ET，即
式中的ET与ET0应取相同单位。
根据各地的试验，作物需水系数kc不仅随作物而变化，更主要的是随作物的生育阶段而异。生育初期和末期的kc较小，而中期的kc较大。表2-1为山西省冬小麦作物需水系数kc值；表2-2为湖北省中稻作物需水系数kc值。
表2-1 山西省冬小麦作物需水系数kc值
表2-2 湖北省中稻作物需水系数kc值
