作物需水量的定义及影响因素

（一）作物需水量的定义

在联合国粮农组织编写的《作物需水量》一书中，作物需水量定义为：“为满足健壮作物因蒸发蒸腾损耗而需要的水量深度。这种作物是在土壤水分和肥料充分供应的大田土壤条件下生长的，并在这一环境条件中发挥全部产量的潜力”。在《中国主要作物需水量与灌溉》（陈玉民等编著，中国水利水电出版社1995年出版）一书中，作物需水量的定义描述为：“作物需水量系指作物在适宜的土壤水分和肥力水平下，经过正常生长发育，获得高产时的植株蒸腾、棵间蒸发以及构成植株体的水量之和”。可以看到，尽管这两段描述所用言词有所不同，但所表述的内容是完全一致的。作物需水量的定义反映了作物需水量的两个重要内涵。一是作物需水量的组成，即作物需水量等于植株蒸腾量、棵间蒸发量及构成植株体的水量之和。二是确定作物需水量所需的条件，即水分条件和肥力条件适宜，作物生长健壮，并可获得最大产量。作物需水量由植株蒸腾量、棵间蒸发量和组成植株体的水量三部分组成。植株蒸腾量是指从植株叶片表面（或其他部位）散发至大气中的水量，这些水分的散发过程与植株的生理活动密切相关，并受植株生理活动的控制。棵间蒸发量是指直接从棵间土壤表面（有水层时是直接从棵间水面上）散失的水量，其散失过程与植物的生理活动没有直接的关系。组成植株体的水量是指参与了植株的光合作用及其他生理过程，并最终成为植株组成部分的水量。由于与蒸腾量和棵间蒸发量相比，组成植株体的水量很少，一般不足耗水总量的1%，所以计算作物需水量时通常可以忽略不计，而将作物需水量简化为植株蒸腾量与棵间蒸发量的和。这一数值称为蒸散发量，也有人称为蒸发蒸腾量、腾发量、蒸散发量或农田总蒸发量等。作物需水量一般以某一时段或全生育期所消耗的水层深度（mm）或单位面积上所消耗的水量（m3/hm2）表示。

作物需水量是作物生长在最佳生长环境中，并最大限度发挥产量潜力状态下所需的水量。最佳生长环境取得和最大产量潜力发挥需要各方面的条件都处于最合适水平，包括播种时间和密度、土壤肥力水平、水分供给状况、病虫害防治等。严格地讲，如果因为某项或某几项因子无法达到最适宜水平而影响了作物的正常生长发育，不论其影响大小，这时得到的水量消耗值都不能作为作物需水量值使用。

实际生产中，作物整个生长期内各项因子始终都处于最适宜状态是几乎不可能实现的。由此可以看到，作物需水量表示的是一种潜势，是在理想状态下作物需要消耗的水量值。

在作物—水关系研究及农田用水管理实践中，作物耗水量和灌溉需水量是两个经常使用、容易与作物需水量引起混淆的术语。这两个术语与作物需水量关系密切，但含义却有明显差异，应当区分清楚。作物耗水量是指作物在任意生长状况和土壤水分条件下实际的蒸腾量、棵间蒸发量及构成作物体的水量之和。这些作物可能生长很好，也可能由于供水不适、病虫害防治不当或肥力不足而生长不良。可以看到，作物需水量是作物耗水量的一个特例值，是在各项条件都处于最合适状态下的作物耗水量值。灌溉需水量则除了降雨外，为了保证作物正常的生理活动，并维持作物生长发育的适宜环境所需补充灌溉的水量。维持作物适宜的环境条件所需的水量包括冲洗盐碱所需的淋洗需水量和防霜冻、植株降温、施用化学物质及耕作（如泡田、整地和播种等）等所要额外增加的灌溉水量。

（二）影响作物需水量的主要因子

由前面的定义可知，作物需水量是作物蒸腾量和棵间土壤蒸发量的总和。蒸腾过程中，植株从土壤中吸取水分并传输至叶片，然后在气孔腔中蒸发，最后经过气孔进入大气。这一过程受外部环境的物理条件和植株内部的生理过程共同控制。水分从液态转化为气态要消耗能量，其转化速率主要受能量供给强度影响。蒸发过程形成的水汽要扩散进入大气，其扩散速率由大气的水汽饱和度和运动状况决定。此外，蒸腾过程中散失的水分需要植株的根系不断从土壤中吸取，并传输至蒸发发生部位，这一过程与植株的生理过程密切相关，受植株的生理过程控制。棵间蒸发过程与作物的生理过程没有直接的关系，主要由外部物理条件所决定。影响作物蒸腾过程和棵间蒸发过程的因子都会对作物需水量产生影响。这些因子很多，其中的主要影响因子可以概况为以下几个方面。

1.气象因子的影响

作物的需水量在很大程度上由所处环境的气象因子状况所决定。气象因子决定着作物需水量的潜势，即作物最多需要多少水，而其他因子则决定着这种潜势的实现程度。影响作物需水量的气象因子主要是太阳辐射、气温、空气湿度和风速。

（1）太阳辐射。蒸发蒸腾过程中水分由液态转化为汽态所需的能量主要来自太阳的辐射。太阳辐射越强，作物蒸发蒸腾的速率越高。但当太阳辐射太强时，作物根系的供水速率可能满足不了叶面蒸腾的需求，这时叶片上的气孔开度可能会减小，甚至关闭，蒸腾速率也相应降低。

可用于蒸腾蒸发过程的太阳辐射量受所处的地理位置、一年中的日序、实际日照时数、云层状况、植被的反射率等因子影响。这些因子也通过对太阳辐射量的影响而对作物需水量产生影响。

（2）温度。温度与太阳辐射量高度相关，因而与作物需水量的相关程度也很高。许多分析结果表明，作物需水量与气温呈线性或指数关系。但温度对作物蒸腾蒸发量的影响并非完全通过太阳辐射而间接起作用。温度与作物的一些代谢过程的强弱密切相关，在一定的范围内，温度越高，代谢越快。日本的一些研究者给出的研究结果表明，在植株冠部蒸腾环境保持不变的情况下，根部温度的迅速降低会导致蒸腾速度的迅速下降，而根温恢复原初状态后，蒸腾速率也恢复至正常。可见温度在蒸腾过程中起着重要的作用。

（3）空气湿度和风速。气体扩散的有关定律指出，水汽扩散速率与存在的水汽浓度梯度成正相关，与水汽扩散过程遇到的阻力成反相关。空气湿度主要与驱动水汽扩散的水汽浓度梯度相关。空气湿度低时，叶面与大气之间的水汽梯度就大，水汽扩散速率高，蒸腾量增加。在这样的条件下，棵间蒸发量也会增加。蒸腾蒸发量都增加，作物需水量会相应变大；反之，空气湿度高时，蒸腾量、蒸发量及作物需水量都会降低。风速与水汽扩散过程中阻力的大小相关，它对蒸发蒸腾过程的影响也主要是通过对这一阻力的影响实现的。风速越大，水汽扩散阻力越小，蒸发蒸腾过程越强。风速降低，蒸发蒸腾速度也相应降低。但这种关系只适于一定的范围，风速太大时，气孔开度会减小，甚至完全关闭，使蒸腾减少或完全停止。这一调节过程是由植株的生理过程控制的。

在实际的蒸腾蒸发过程中，上述各因子的作用往往是结合在一起共同表现出来的。某一时间或地点，某一因子的作用可能起主导作用，而另一时间或地点则可能是其他因子的影响更为显著，在估算作物需水量的许多模式中，常常将上述各因子综合在一起加以考虑，以大气蒸发力表示。(www.xing528.com)

2.作物因子的影响

蒸腾过程是通过作物体的水分散失过程，其数量与作物的生长发育状况密切相关。蒸发过程虽然主要在作物棵间进行，但其水分散失量受作物生长状况的影响也很大。因此，作物需水量的大小与作物本身的生长发育状况有着密切的联系。

不同种类作物的需水模式和绝对数量的差异表现在许多方面。一是不同作物的生育过程所处的时期不同，如有的主要在冬春生长，有的则主要在夏秋生长。不同的环境条件使得需水量出现较大差别。二是不同作物生存所要求的水分环境不同，有的作物耐旱，可以在缺水条件下生长，有的作物则喜湿，要求在较湿润的条件下种植，这会造成需水量的不同。三是不同作物的需水特性有明显差异，例如小麦、大豆等C3作物与玉米、谷子等C4作物相比，日需水过程就不完全相同。C3作物日出后蒸腾速率便迅速增加，很快达到较高数值，并在日落前仍保持在较高的水平。C4作物蒸腾速率的迅速增加出现在11时左右，到16时则急剧下降，峰值明显比C3作物要窄。表现在作物生长盛期的平均日需水量上，C3作物要比C4作物高一倍多，如表3-6所示。

同一种作物不同生育时期的需水量也有很大差异，主要表现在两个方面。一是需水量的组成结构明显不同。对于大多数一年生作物，在生长开始时棵间蒸发量在总蒸散量中所占比例通常很高，随着植株生长，作物群体不断加大，叶面积指数迅速提高，棵间蒸发所占比例也迅速下降。作物对地面形成完全覆盖后，蒸腾量要远远超过蒸发量，成为总蒸散量的主要组成部分。二是需水量数值有较大差异。在排除了大气蒸发力变化的影响后，一年生作物的需水量与生育时期的关系非常密切。在作物生长初期，由于群体较小，尽管棵间蒸发量较高，但总需水量并不大。随着作物生长，群体增大，叶面积增加，需水量也不断增大。完全覆盖地面后，需水量通常也达到最大。作物的叶面积指数通常能在很长一段时间内保持稳定，使得作物需水量在较长时间内保持较高水平。作物开始成熟后，叶片衰老过程加快，叶面积指数急剧下降，需水量也迅速降低。多年生作物由于群体比较稳定，所以生育时期对需水量的影响不像一年生作物那么强烈。只是像苜蓿那样不断收割的多年生作物，在收割后到再次形成充分覆盖的一段时期内需水量会出现较大的变化。

表3-6　不同类型作物生长盛期的日需水量

注 引自中国科学院禹城综合试验站测定结果[2]。

3.其他因子的影响

除了气象因子和作物因子外，作物的耗水过程还受其他一些因子的影响，主要包括土壤水分状况、耕作栽培措施及灌溉方式等。这些因子对作物需水量的影响主要是通过对作物棵间蒸发的影响而实现的。

（1）土壤水分状况的影响。棵间蒸发消耗的水分直接来自于土壤，蒸腾过程消耗的水分也主要由植株从土壤储水中吸取，因此土壤水分状况与作物需外量的大小关系密切。如前所述，作物需水量是作物水分需求得到充分满足条件下的水分消耗量，因此土壤水分应当始终处于适宜于作物生长的范围内，对作物的蒸腾过程没有明显的影响。但在蒸腾量不受影响的土壤水分范围内，棵间土壤蒸发量会随着水分管理状况的不同而有所变化。土壤蒸发量会随着土壤含水量，特别是表层土壤含水量的增加而增加，这种情况在—年生作物的生育初期更为显著。因此在土壤表层频繁湿润的水资源管理体系下，或是在降水和灌溉后的一个短时期内，作物需水量都会明显的增大。

（2）耕作栽培措施的影响。一些耕作栽培措施会使土地表面状况发生变化，影响作物耗水过程，从而影响到作物需水量。广泛采用的中耕保墒措施，以及秸秆和地膜覆盖措施，可以明显的减少棵间蒸发量，从而使需水量有所降低。这些措施的作用程度差异较大，表层土壤含水量高时的作用要比含水量低时的作用明显的多，另外在作物生育初期的作用相对较大些，在生育中后期相对小些。

（3）灌水方法的影响。不同灌水方式下，地面的湿润程度及频度都不相同，因而棵间蒸发所占的比重也有明显的差异，这会引起作物需水量的变化。特别是滴灌条件下，土壤只是局部的湿润，可以明显地减少棵间蒸发量，故而滴灌条件下的作物需水量要比喷灌和地面灌条件下低些。