作物需水量的测定

    

    作物需水量的测定是灌溉试验的一个重要组成部分，是建立作物需水量计算方法的基础。其任务是针对不同气象条件、农业措施、灌溉方法及制度，测出作物各生长阶段及全生育期的蒸发蒸腾量，寻求作物需水量在全生育期中的变化规律，以及需水量与各种因素之间的关系，从而为作物需水量的估计提供基础，也为区域水资源利用规划、水利工程的设计与管理提供必要的参数。

    目前，作物需水量的测定方法主要有三类，分别是空气动力学方法、水量平衡法和直接称量法。

    (一)空气动力学方法

    1.涡度相关法

    采用涡度相关法测量蒸发蒸腾始于20世纪上叶。这种方法是通过测定作物冠层上方的水汽传输通量来确定作曲蒸散量。测定时要选择均匀一致的作物冠层，在其上方几个不同的高度上分别测定空气水汽压和空气流动速度。然后将有关的测定值结合起来，即可确定作物群体的瞬时蒸散速率。在一天内频繁的进行测定，最后将这些数值进行累积，就可以计算出作物群体一天的蒸散量。

    涡度相关法测定的是作物群体的瞬时蒸散速率，为了确定一个时期的蒸散总量，通常需要大量的瞬时测定数值，并且需要连续不断地进行，所以这种方法在作物生长季中仅用于一周或更短时间内的测定。此外，涡度相关技术需要安装精度较高的测量仪器。

    2.波文比法

    波文比法是在能量平衡方程的基础上演变而来的。这种方法假定净辐射是蒸散过程最主要的能量来源，并假定用于光合作用、土壤加热和冠层加热的能量可以忽略不计，这样可将描述作物群体的能量方程简化为:

    

    式中:Rn为净辐射量;Eet为用于蒸腾蒸发过程的能量;AH为用于加热空气的能量。

    现在引进一个称为波文比(β)的项，定义为用于加热空气的能量与用于蒸发水分的能量之比，用公式表达为:

    

    将公式(3－7)和(3－8)相结合，可以推导出下式:

    

    现在已有仪器设备可以直接测定公式(3－9)中的空气波文比。在适宜的生长条件下，将测出的空气波文比与可用于蒸发水分的能量值(Rn)一起使用，即可估算作物需水量。波文比法最主要的问题是没有考虑平流的影响，而这一假定在很多条件下是不能成立的。

    (二)水量平衡法

    作物蒸散过程消耗的水量绝大部分是来自土壤贮水。如果忽略降雨过程、喷灌过程和结露作用留在叶片和植株体上，然后蒸发掉的那部分水分(实际数量很小)，可以说作物蒸散过程所需的水量完全来自于土壤水。根据质量守恒法则，作物蒸散过程损失的水量应等于土壤中由蒸散引起的水分变化量，测定这一水分变化数量即可确定作物的需水量。

    对于灌溉农田而言，在假定水分的侧向移动可以忽略不计时，作物根系活动层内某一时段的土壤水量平衡过程可用下式表示:

    

    式中:SWb为时期开始时根系活动层中的土壤贮水量;SWe为时期结束时根系活动层中的土壤贮水量;P是时期内的总降雨量;In是时期内净灌水量;GW为时期内地下水对作物耗水的补给量;RO为时期内测定区域的地面径流量;Dp为时期内根系活动层的深层渗漏量;ETc为时期内作物蒸散量。

    

    根据对等式右边各项的控制和测定方法的差异，田间水量平衡法可以分为以下两类。

    1.田测法

    田测法是在大田条件下直接测定作物蒸散量。这种方法的优点是测定环境与作物生长发育所处的环境完全相同，有较强的真实性和代表性，缺点是易受环境条件的干扰。如果控制不好，或某些项目测定不准，则引起的误差都会导致作物需水量的测定结果不准确。公式(3－11)中等号右边的各项中，降雨量可用雨量计测定，灌水量可通过水表计量，时期开始和结束时的土壤含水量可用重量法、中子仪法或其他方法测定。只要严格按照操作规程进行，这几项测定的误差是可以得到很好控制的。在田测法中，地下水补给量、地面径流量和深层渗漏量的测定是非常困难的。如果没有适宜的设备和技术，这些项目的测定结果可能产生较大的误差。实际使用田测法测定作物需水量时，最佳的解决方法是在试验过程中通过精细的设计和安排消除这些项，使其数值为零。试验时选择地下水位埋深较大的田块，比如大于5 m，即可基本保证地下水补给量为零。地面径流量一般可以通过修筑较高的围埂和控制灌水强度来消除。通过控制灌水数量和间隔时间，深层渗漏也基本可以消除。唯一难以控制的情况是强度高、持续时间长的降雨发生时，有可能引起较多的地面径流和深层渗漏。出现这种情况后，应该在雨后及时补测土壤含水量，并对降雨前的土壤水分消耗量作合理的估计，使误差减少到最低限度。如果设计合理，操作精细，田测法通常是可以取得较为满意的结果的。

    2.坑测法

    坑测法是在专门修建的测坑中测定作物漏水量，这是目前我国应用的最主要的方法。测坑通常为上表面呈正方形或长方形的坑。上表面积应大于4 m2，深度一般为2 m左右。四周用混凝土或其他材料封闭，要求侧向不透水。侧坑壁露出地面部分的表面积应当小于测坑总面积的5%。

    测坑分有底和无底两种。有底测坑中，土壤通常为回填土，底部一般铺设20 cm厚的、由砂和砾石组成的滤水层，基部设侧向排水管与排水收集系统相连。坑中土壤回填时应严格按照原有土层容重分层回填，这是保证测坑试验结果具有代表性的一个关键环节。无底测坑可用原状土，也可以为扰动回填土。为了控制降雨，测坑上方通常还要安设防雨设施。测坑内的水分变化通过先后两次测定的土壤含水量的差值计算。测定含水量最好选择可以定点、连续测定的方法，如中子散射法、电阻法、TDR法等。

    坑测法的不足之处是试验条件很难做到与大田条件完全相同，易造成系统误差。优点是可以对土壤水量平衡方程中的有关项进行较为严格的控制，确保试验结果不受这些因子的影响。测坑中的侧向水分移动可以完全消除，地下水补给可以通过有底测坑加以排除，地面径流和深层渗漏也可以通过控制灌水强度和降雨量而得到很好控制或消除。在这样的条件下，土壤水分平衡方程可以大大简化，测定作物需水量的过程基本上转化为测定土壤含水量变化的过程。

    3.直接称量法

    将作物种在填满土壤的容器中，然后定期称重，忽略不计作物干物质量的增加时，前后两次称重的差值即为这一时段的作物蒸散量。如果在容器中生长的作物，其生长条件与生长状况满足作物需水量定义的要求，那么通过称重直接测定的作物蒸散量即可作为作物需水量值使用。

    过去使用的筒测法和现今使用的各种规格、精度的蒸渗仪都属于直接称量法。这些方法的原理完全相同，所不同的是使用的容器大小、称量方法及测定精度各异。直接称量法的突出优点是测定简便、快速，测定的精度也相对较高。但这一方法也有明显的不足之处，即作物在容器中生长时所处的条件可能与在大田中生长时有明显的差别，测定结果的代表性也就受到质疑。

    近些年，随着技术的发展及经济条件的改善，许多地方都安装了大型蒸渗仪。蒸渗仪的上口有正方形、长方形和圆形几种，上口面积也不断加大，有的可达10～20m2，土体深度为2～5m或更深。这些蒸渗仪采用液压或电传感技术测定重量，测量精度可高达0.002～0.005 mm的水层变化。另外，蒸渗仪重量变化的测定也基本实现了由计算机控制的定时、自动进行，免除了人工操作过程对作物生长环境的干扰。现在的蒸渗仪系统已基本做到与大田环境融为一体，其中生长的作物的环境条件也基本与大田一致，故而测定数值的精度和可靠性也有明显的提高。

    作物需水量还可以通过其他一些方法测定，如利用气孔计测定叶面蒸腾速率，用微型蒸渗仪测定棵间土壤蒸发量，然后计算作物蒸散量;利用红外温度计测定群体红外辐射状况，然后结合太阳辐射和大气、植被状况的测定数据估算群体蒸散速率;利用区域水量平衡法估算一个大的区域的作物需水量等等。