第1章 绪论
1.1 作物需水量与耗水量的概念
从理论上说，作物需水量（crop water requirement）是指生长在大面积上的无病虫害作物，当土壤水分和肥力适宜时，在给定的生长环境中能取得高产潜力的条件下，为满足植株蒸腾和棵间蒸发以及组成植株体所需的水量。但在实际中，由于组成植株体的水量只占总需水量中很微小的一部分（一般小于1%），而且这一小部分的影响因素较复杂，难以准确计算，因此一般将此部分忽略不计，即认为作物需水量是正常生长、达到高产条件下的植株蒸腾量与棵间蒸发量之和[1]。作物需水量受作物生长发育和对水分需求的各种因素的影响，包括作物种类与品种、作物生育期、天气条件（包括太阳辐射、气温、日照、风速和湿度等）和土壤条件等[2]。作物需水量和主要影响因子之间的关系极为复杂。天气条件对作物需水量的影响很大。从物理角度来讲，最有理论依据又最便于实用的表示天气条件对作物需水量影响的参数是大气蒸发力，即认为大气中存在一种控制各种下垫面蒸发过程的能力。它是由大气状况决定的，是一个重要的天气、气候特征。这些特征是各种蒸发过程的共同原因或依据。它与蒸发面的类型无关。它的大小接近于自由水面蒸发量E0值。不同种类的作物，其本身形态构造和生长季节不同，对水分需求也不相同。凡生长期长、叶面积大、生长速度快、根系发达的作物需水量较大，反之需水量较小。同一作物，不同品种其需水量也各异。影响作物需水量的土壤因素主要是土壤质地、结构、养分、有机质和地下水埋深等。
作物耗水量（crop evapotranspiration，ET）通常指作物在正常或非正常生长条件下的植株蒸腾量和棵间蒸发量，有时也称为作物蒸发蒸腾量或作物蒸散（发）量。它受下垫面条件（如地形、土壤质地、土壤水分状况等），作物生理特性（如作物种类、品种、生育期等），气象因素（如太阳辐射、温度、湿度、风速等），灌溉与栽培管理措施等因素影响[2]。棵间蒸发是水从液态变成气态，并从蒸发面散失的过程。除受气象因素影响外，它还受作物冠层覆盖程度以及土壤水分状况的影响。频繁的降雨、灌溉或者地下水位较浅时，表层土壤含水率较高，土壤水分不构成棵间水分蒸发的限制因素，它只由气象条件控制。但是，如果降雨和灌溉的间隔过长，随着表层土壤变干，棵间蒸发迅速变小直至停止。植株蒸腾是由作物组织液态水在叶气孔腔内汽化并通过叶气孔进入大气的过程。植株蒸腾与直接蒸发一样，取决于能量供应、水汽压梯度和风速，同时土壤含水率、土壤向根系传导水的能力、渍涝、土壤含盐量、作物特性以及环境和栽培措施等对植株蒸腾速率也有较大影响。棵间蒸发与植株蒸腾在农田中同时发生，很难将两者区分开来。棵间蒸发与植株蒸腾的比例在作物生育期内会有很大变化。
作物需水量与耗水量既是水文循环的重要环节和水量平衡的主要分量，而且与作物的生理活动以及产量的形成有着密切的关系，是制定流域规划、地区水利规划以及灌排工程规划、设计、管理和农田灌排实施的基本依据。作物需水量与耗水量研究，一直是农田水利、农业气象、作物栽培、水文学与水资源、土壤物理以及自然地理等相关领域共同关注的重要课题，作物需水量与耗水量的观测、估算以及对变化环境的响应和调控是水科学领域研究的热点。
国外对作物需水量与耗水量的研究已经有200多年的历史[3]。1802年，Dalton提出综合考虑风、空气温度和湿度对蒸发影响的蒸发定律后，蒸发的理论计算才具有明确的物理意义。道尔顿蒸发定律对近代蒸发理论的创立有着决定性的作用。1887年，美国建立了农业试验站，开始进行作物需水量与耗水量试验。1887年，Mead测定了灌溉小麦、大麦、燕麦、玉米和园艺作物的需水量。1910—1913年，美国Briggs L J和Shantz H L在美国科罗拉多州USDA-ARS中部大平原试验站进行了包括有55种作物和品种的作物需水量试验，还记载了气象资料，并认为太阳辐射是影响作物需水量的主要因素。1916年，以此为基础，提出了估算作物需水量的水面蒸发量方法[4-6]。1926年，Bowen从能量平衡出发，提出了计算耗水量的波文比-能量平衡法。1939年，Thornthwaite和Holzman利用近地面边界层相似理论，提出了计算耗水量的空气动力学方法[7]。1948年，Penman和Thornthwaite同时提出了“蒸发力”的概念及相应计算公式[8，9]。1951年，Swinbank提出用涡度相关法计算作物耗水量[10]。20世纪50年代，苏联学者提出大区域平均耗水量的气候学估算公式及水量平衡法。1965年，Monteith在研究下垫面耗水时引入冠层阻力的概念导出了Penman-Monteith公式[11]，为非饱和下垫面的耗水研究开辟了一条新途径。1966年，Philip提出较完整的土壤-作物-大气连续系统（SPAC）概念[12]，把其当作一个连续、动态的系统进行研究，以克服传统方法所存在的缺陷，在理论上是继Monteith后作物耗水计算领域的又一重大突破。20世纪70年代以来，遥感技术被越来越多地应用于区域作物耗水估算。1973年，美国土木工程协会灌溉排水分会组织出版由Jensen M E等编写的《Consumptive Use of Water and Irrigation Water Requirements》[4]。1977年，联合国粮农组织出版由Doorenbos J等编写的灌溉排水丛书第24分册《Guidelines for Predicting Crop Water Requirements》[6]。1998年，出版了由Allen R G等编写的灌溉排水丛书第56分册《Crop Evapotranspiration：Guidelines for Computing Crop Water Requirements》[5]。在上述著作中对作物需水量与耗水量的估算方法进行了系统的介绍。
中国的作物需水量与耗水量研究始于1926年中山大学农学院丁颖教授在广东省进行的多点水稻需水量试验，在积累了3年系统资料的基础上，于1929年发表了水稻需水量与水面蒸发量比值的系统结果[3]。20世纪50年代中期之前，中国仅有水文、气象台站应用小型水面蒸发器测得的水面蒸发数据，作物耗水研究工作甚少。中国大规模的作物需水量试验工作始于20世纪50年代中后期。为适应当时发展农业生产、提高灌溉用水管理水平和大量灌溉工程建设的需要，中央和大部分省（自治区、直辖市）都相继成立了灌溉试验研究机构和200多处灌溉试验站（场），当时从事灌溉试验的研究人员达2000多人，在全国范围内对小麦、水稻、玉米、棉花、大豆、油菜等主要农作物的需水量、需水规律、作物高产的土壤水分条件、灌溉制度和灌水方法以及盐碱地排水改良、污水灌溉、田间灌溉沟畦规格等，进行了大量的试验研究工作。1956年制定了《灌溉试验暂行规范》。十年动乱时期，以作物需水量为主的灌溉试验工作基本停顿。改革开放以后，1980年，水利部农水局在河南新乡中国农业科学院农田灌溉研究所主持召开了部分省（自治区、直辖市）灌溉试验工作座谈会；之后，又委托农田灌溉研究所组织全国各省（自治区、直辖市）开展了作物需水量协作研究。1984年与1986年，全国作物需水量研究协作组在山东烟台和辽宁铁岭召开了全国作物需水量等值线图协作研究工作会议。为了配合全国作物需水量等值线图协作研究，各省（自治区、直辖市）投入大量资金购置试验用地，并建设了标准测坑和气象站，充实了试验研究人员。全国灌溉试验站网基本形成。为了使灌溉试验工作进一步走向正规化和标准化，水利部于1990年10月颁布了《灌溉试验规范》（SL 13—90），进一步明确了灌溉试验站设置要求和技术要求。到1990年，全国灌溉试验站发展到460余处，试验研究人员达到7000余人，分布在除西藏以外的全国各省（自治区、直辖市）内，其中许多省（自治区、直辖市）成立了中心灌溉试验站。在水利部农村水利水保司组织全国灌溉试验资料系统整编和进行全国作物需水量等值线图协作研究的基础上，绘制了我国主要农作物需水量等值线图[13]，出版了《中国主要作物需水量与灌溉》。这些成果不仅为农业节水技术的研究和应用提供了理论指导，而且在中国的水资源评价、灌区节水规划、灌溉用水管理和流域规划等工作中得到了广泛采用。农业气象、自然地理等学科的专家对作物耗水量与需水量也做了大量研究，如1991年中国科学院地理研究所谢贤群、左大康、唐登银等出版了《农田蒸发——测定与计算》[14]；1994年，中国科学院地理研究所程维新等基于多年在山东禹城综合试验站的系统试验，出版了《农田蒸发与作物耗水量研究》[15]；国家气象局气象科学研究院裴步祥基于20世纪60—80年代在辽宁荣盘、山东泰安、山西万荣、河南郑州、广东广州等地的试验研究，出版了《蒸发和蒸散的测定与计算》[16]，这些著作的出版在早期也为中国的作物需水量与耗水量研究提供了重要的参考。