节水灌溉理论与技术教案Word文件下载.docx

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3、雨水汇集利用技术集流场（设计、集流面材料）、水窖，人工降雨

4、地下水利用技术（开采、补给、打井，旧井改造、提高泵装置效率）

5、劣质水资源化劣质水：

生活污水，工业废水、微咸水、灌溉回归水、海水淡化。

污水资源化及污灌技术还处于试验研究阶段

（1）污水处理

（2）水质监测（3）污水灌溉技术（4）污灌环境影响评价体系（立法）（5）技术的推广应用。

二、节水灌溉工程措施

1、渠道防渗技术砼护面、浆砌块石衬砌、塑料膜、水泥土、三合土。

2、低压管道输水技术硬管：

钢管铝管塑料砼软管：

尼龙小白龙

3、喷灌技术①经济问题，②管道标准化，③高质量的喷灌设备，④大型喷灌机研制。

4、微灌技术包括小管出流技术

5、覆膜灌溉膜上灌和膜下滴灌

6、地下灌溉技术地下水抬高，地下滴灌，地下渗灌。

7、坐水种（点水灌）人工、坐水种单体播种机，坐水种灌溉机。

8、沟畦改造技术（改进的地面灌）改进的沟畦灌，水平畦灌，波涌灌。

9、调亏灌溉施加一定的干旱锻炼

10、作物交替分根灌/作物交替分层灌

11、非充分灌溉理论基础生产函数

12、精细灌溉全球定位系统遥感遥测系统地理信息系统。

三、农艺节水措施

1、耕作保墒技术深耕松土镇压耙耱中耕除草免耕少耕

2、覆盖保墒技术地膜覆盖秸杆覆盖沙石覆盖

3、水肥耦合技术以肥调水以水调肥

4、节水作物品筛选技术高效种植制度抗旱节水、高产品种

5、化控节水保水剂复合包衣剂黄腐酸多功能抑蒸抗旱剂ABT生根粉。

四、节水管理措施

1、节水灌溉制度充分/非充分灌溉制度及其它

2、土壤墒情监测与灌溉预报技术张力计中子仪电阻法水分湿度仪实时适量灌水

3、灌区配水技术优化渠/管道工作制度编制灌区水量优化调度方案

4、灌区量水技术水位、流量、水质、数字化

5、现代化灌溉管理技术

五、水稻节水灌溉技术措施

1、水稻旱育稀植技术

2、水稻控制灌溉插秧返青后不建立田面水层，上限，饱合含水率，下限60～70%饱和含水率，近于田间持水率。

3、“浅湿晒”交替间断灌水技术

（1）薄露灌溉M=20mm薄水层，后自然落干露出田面，露田程度和历时，由水稻不同生育期需水规律确定，如早稻前期26天（返—分—拔）中期22d（孕—抽）后期24d（乳—黄）

（2）薄浅湿晒灌水技术：

（广西）薄水插秧、浅水返青，分蘖前期湿润，分蘖后期晒田，拔节孕穗期回灌薄水，抽穗开花期保持薄水，乳期湿润，黄熟期湿润落干。

4、水稻间歇灌薄水层—湿润—短暂落干交替进行

第三节发展节水灌溉的意义

一、全球水资源概况

二、我国水资源概况（基本情况，我国是一个水资源相对缺乏的国家，总量大人均/亩均不足）

1、来水

降水6.2亿m2，河川径流2.7亿m3，地下水0.83m3，重复计算0.73m3，可通过水循环更新的地表水和地下水的多年平均水资源总量为2.8亿m3，排名六，人均（1997人口计算）2220m32030年人口16亿，人均1760m3排名109位。

2、需水量（工业，农业）低方案

农业用水量2030年（3000—5000亿m3（粮食产量7000亿kg，7亿亩灌溉面积））工业用水或城镇生活用水2800亿m3合计7800亿m3

3、可供水量

2030年6990亿m3枯水年缺水800亿m3,考虑南水北调450亿m3，缺350亿

4、节水灌溉潜力：

水利用系数（0.46）提高10%～20%，节水400～800亿m3

5、水资源分区（基本情况，时空分配不均，南方水多，北方水少，就北方而言，年际间丰枯变化较大，年内70%降雨集中在7、8、9三个月，与土地分布不匹配，（黑河—彭冲）60%的人口占有40%的土地。

黄淮海平原土地面积13.4%，耕地39%，人口占35%，GDP32%，水资源7.7%，基本情况是，工程设施有限，老化失修，管理不善，供水能力不足。

（1）多水区：

P＞1600mm，东部沿海，华南沿海，云南西部，西藏的东南部，台湾中部。

三、国情

四、农业现状

五、粮食安全问题

六、节水灌溉与农业现代化

第四节我国节水灌溉的新进展

一、节水灌溉的发展历程

二、节水灌溉的目标

三、节水灌溉的新进展

第二章作物水分生理学基础

植物生命活动大致为物质代谢，能量转换和信息传递三个方面，物质代谢中有水分代谢、矿物质代谢和有机物（糖类、蛋白质、脂肪、核酸）代谢。

代谢（metabolism）是维持各种生命活动（生长过程）过程中化学变化（包括物质合成，转移和分解）的总称。

在以三个活动中，水都有参与，没有水，便没有生命，水分代谢是植物生理学的一个重要组成部分。

植物的一生中，要从自然界中吸收光、热、能量，吸收水分和矿物质和有机质养分和空气，把环境中简单的无机物直接合成为复杂的有机物，世界上就有了绿色生命，植物是地球上最重要的自养生物。

作物就其广义的概念来讲，它包括对人类有利用价值，为人类所栽培的各种植物，例如各种农作物、疏菜、果树、绿肥、牧草等。

就其狭义的概念来讲，所谓作物，主要是指农作物粮食、棉油、麻、糖、烟等而言，北方又常称之谓“庄稼”。

世界上栽培的农作物中最主要的有90多种。

在我国常见的有50多种。

目前栽培的农作物，大都起源于自然野生植物。

原始的野生植物，长期被人工栽培利用过程中，不断地经人工培育（人工选择）和自然选择所逐渐演化为今日丰富多彩的适宜于各地的栽培品种。

从这一意义上来说，保护生物的多样性，就是保护人类自己。

第一节植物对水分的需求

一、植物细胞

1、结构：

（1）细胞壁，

（2）细胞膜，（3）细胞质，（4）液泡，（5）细胞核，（6）胞间连丝。

2、细胞分裂：

由一个分裂成两个细胞，核分成两个后细胞质分成两份，中央壁膜形成。

3、植物体的组织与器官。

二、植物的含水量

1、不同植物的含水量有很大的不同水生植物90%，旱作植物60～70%（占鲜重的百分比）

2、同一种植物生长在不同环境中，含水量也有差异凡是生长在阴暗、潮湿环境中的植物，它们的含水量比生长在向阳、干燥环境中的要高一些。

3、同一植株中，不同器官和不同组织的含水量的差异也很大，例如，根尖，嫩梢，幼苗和绿叶的含水量为60～90%，树干为40～50%，风干种子为10～14%，由此可见，凡是生命活动较旺盛的部分，水分含量都较多。

三、植物体内水分存在的状态

水分在植物体细胞内通常呈束缚水和自由水两种状态，而这又与细胞质有关。

细胞质主要是由蛋白质组成，占总重的60%以上，蛋白质分子很大，其水溶液具有胶体的性质，因此细胞质是一个胶体系统。

蛋白分子有疏水基和亲水基组成，疏水基在分子内部、亲水基在分子表面，这些亲水基对水分有很大的集合力，容易起引水合作用，所以细胞质胶体微粒具有显著的亲水性，其表面吸附着很多水分子，形成一层很厚的水层。

水分距离胶粒越近，吸附力越强；

相反，则吸附力越弱。

靠近胶粒而被胶粒吸附束缚不易自由流动的水分，称束缚水；

距离胶粒较远而可以自由流动的水分，称自由水。

自由水参与各种代谢作用，它的含量制约着植物的代谢速度，如光合速率、吸呼速率、生长速度等。

自由水占着含水量的比重越大，则植物代谢越旺盛。

束缚水不参与代谢作用，但植物要求低微的代谢强度来度过不良的环境，因此，束缚水含量与植物抗性大小有密切关系。

如抗旱、抗寒能力。

四、水分在生态活动中的主要作用

1、水分是细胞质的主要成分细胞中的含水量一般在70%～90%，使细胞质呈溶胶状态，保证了旺盛的代谢作用正常进行。

如果含水量减少，细胞质便变成凝胶状态，生命活动大大减速弱，如休眠的种子。

2、水分是代谢作用过程的反应物质在光合作用、呼吸作用、有机质合或与分解过程中都有水分子参与。

1）光合作用CO2+H2OCH2O（碳水化合物）+O2↑

每年同化2×

1011t碳（浮游生物60陆生植物）相当3×

1021J能量是世界能消耗的10倍。

2）呼吸作用C6H12O6+6O2→6CO2+H2O

3、水分是植物对物质吸收和运输的溶剂一般来说，植物不能直接吸收固体的无机物质和有机物质，这些物质只有溶解在水中才能被植物吸收，同样各种物质在植物体内的运输，也要溶在水中才能进行。

4、水分能保持植物的固有姿态由于细胞含有大量水分，维持细胞的紧张度（膨胀），使植物枝叶挺立，便于充分接受光照和换气体，使根尖具有刚性，便于渗入土壤扩大吸收范围，同时也使花朵张开，有利于传粉受粉。

5、水是世界之美的源泉

思考题

1、植物细胞内水分存在的状态。

2、水在作物生理中的作用。

3、细胞的结构

专业术语作物植物组织、器官自由水束缚水光合作用呼吸作用

第二节植物细胞对水分的吸收

一切生命活动都是在细胞内进行的，细胞吸水也不例外，植物细胞吸水主要有2种方式：

1）未形成液泡的细胞，靠吸涨作用吸，2）液泡形成以后细胞主要靠渗透性吸水。

一、细胞的渗透吸水

渗透作用是水分进出细胞的基本过程。

水分移动需要能量作功，下面首先讨论自由能和水势的概念。

（一）自由能和水势

根据势力学原理，水流中物质的总能量可分为束缚能和自由能两部分，束缚能是不能转化为用于作功的能量，而自由能是在温度恒定的条件下用于作功的能量。

化学势1mol物质的自由能，是衡量物质瓜或转移所用的能量。

水势同理衡量水分反应或转移能量的高低，可用水势表示。

在植物生理学上，水势定义为每偏摩尔体积水的化学势。

也就是说，水溶液的化学势

（μW）与同温、同压、同一系统中纯水的化学势（μW°

）之差（△μW），除以水的偏摩尔本积（

）所得的商，称水势。

水势（Psi；

希腊字母）

或

表示，公式为

式中：

偏摩尔体积，指在一定温度和压力下，1mol水中加入1mol某溶液后，该1mol水所占的有效体积

水势的单位=

（压力单位）

纯水的自由能量大，水势最高，定义为0（和其他溶液相比），溶液中的溶质分子降低了水的自由能，所以溶液的中的水的自由能低，溶液的水势就成了负值。

和其他物质运动一样，水分移动需要能量，因此水分一定是从高水势区域顺着能量梯度流向低水势区域，简言之，水分是由高水势处流向低水势处。

（宏观同）

（二）渗透作用

把种子的种皮紧缚在漏斗上，注入蔗糖溶液，然后把整个装置浸入盛有清水的烧杯中，漏斗内外液面相等。

由于种皮是半透膜（水分子能通过而蔗糖分子不能通过），整个装置形成一个渗透装置。

其结果是：

烧杯中的水流向漏斗内，漏斗内玻璃管内的液面上升，最后液面不再上升，实质上是水分进出的速度相等，呈动态平衡状态。

水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统转移的现象，就称为渗透作用。

说明从生命开始，水就开始起作用。

（三）植物细胞是一个渗透系统

一个成长植物细胞的细胞壁主要是由纤维分子组成的，它是一个水和溶质都可以通过的透性膜。

质膜和液泡膜则不同，两者都接近于半透膜，构成一个渗透系统。

1、质壁分离（P9T2-2）外渗使液泡失水而体积缩小，包在外面的原生质也随之收缩，由于细胞之间有吸附力，当原生质收缩时，细胞壁也随之收缩，如细胞继续失水，因原生质的收缩比细胞壁收缩性大，结果使原生质与细胞分离，这种现象称质壁分离。

2、质壁分离复原在质壁分离后，若使细胞开始吸水，则液泡体积逐渐增大，原生质又逐渐紧贴细胞壁，这种现象称质壁分离复原。

（四）细胞的水势

细胞吸水固然与其细胞液的渗透势有关，但并不完全取决于渗透势，因为原生质体的还有细胞壁，限制原生质体膨胀；

与此同时，细胞亲水胶体又有吸水的能力，所以细胞吸水的情况远比前述的渗透系统更为复杂。

细胞吸水情况决定于细胞水势，典型的细胞水势

中3个部分组成

细胞水势渗透势压力势补质势

渗透势亦称溶质势。

渗透是由于溶质颗粒的存在，降低了水的自由能，因而其水势为负值（低于纯水的水势）。

一般而言，温带生长的大多数作物叶组织的渗透势在-1-2Mpa，旱生植物叶片的渗透势很低，达-10Mpa。

压力势是指细胞的原生质体吸水膨胀，对细胞壁产生一种作用力，细胞壁对原生质产生反作用力，即压力，压力势是细胞壁压力的存在而增加的水势，压力势是正值。

草本植物叶片细胞的压力势，在温暖天气的下午为0.3～0.5Mpa，晚上可达1.5Mpa。

补质势是细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水的束缚而引起的水势，常为负值。

如种子状态衬质势可达-100Mpa，当发芽以后，细胞内形成液泡，这时衬质势只有-0.01Mpa。

（五）细胞间水分移动

当有多个细胞连在一起时，如果一端的细胞水势较高，另一端水势较低，顺次下降，就形成了一个水势梯度，水分便从水势高一端流向水势低的一端。

植物器宫之间水分流动便遵循这个规律。

有了这样一条规律，人们便可判别细胞的水势高低，以说明细胞水分足充与否，故可用水势作为灌溉指标，确定作物灌溉的适宜时期。

二、细胞的吸涨作用

吸涨作用是亲水胶体吸水膨胀的现象。

种子的蛋白质、淀粉和纤维等都呈胶体状。

三者的亲水性依次递减，所以含蛋白质较多的豆类种子吸涨现象非常明显。

一般说来，细胞在形成液泡前的吸水主要靠吸涨作用。

三、水分进入细胞的途径

水分是怎样通过膜系统流进出细胞的呢？

研究表明，水分在植物细胞膜系统内移动的途径有2种：

一种是单个水分子通过膜脂双分子层的空隙进入细胞；

另一种是水集流通过质膜上水孔蛋白中的水通道进入细胞。

水孔蛋白是一类具有选择性、高效运转水分的膜通道蛋白。

水孔蛋白最早是在动物体内发现的，以后陆续在植物中发现。

水孔蛋白模型：

图示

水孔蛋白的单体是中间狭窄的四聚体，呈“滴漏”模型。

每个亚单位的内部形成狭窄的水通道。

水孔蛋白的活性是被磷酸化调节的。

试验证明，依赖Ca+2的蛋白激酶可使特殊丝氨酸残基磷酸化，水孔蛋白的水通道加宽，水集流通道加大。

如果把该残基团除去则水通道变窄，水集流通过量减少。

水孔蛋白广泛分布于植物的各个组织，其功能以存在的部位而定，在茎中参与水分的运输，在根中参与根尖的分化和伸长。

外界环境（兰光）和植物激素（脱落酸、赤霉素）等可诱导水孔蛋的表达。

思考题1、植物细胞吸水的主要方式2、细胞间水分是怎样移动的

名词术语水势渗透势压力势质壁分离质壁（分离）复合

第三节根系对水分的吸收

一、根的形态和结构

各种植物的根，它们的功能基本上是相同的，但是它们的形态并不完全相同。

（一）根的形态

1、主根、侧根、不定根主根：

由种子的胚根发育而成的根，主根与茎相连，向下生长。

侧根：

从主根上生出的根。

侧根又依次生出侧根。

侧根主要向四周扩展。

不定根：

从茎叶上生出的根，如小麦、玉米，主根不发达，主要是由许多不定根组成的。

2、根系一棵植物生长有许多的根，这些根的总和及空间分布叫根系。

根系可以分为两大类。

1）直根系主根比较发达，较长而粗，侧根比较短而细。

主根与侧根有明显的区别。

一般说，双子叶植物的根系都是直根系，如棉花、豆类。

2）须根系主根不发达，主根生出后不就不再继续生长，另在原来的胚轴部位和茎的基部生长许多条不定根。

因此须根系主要由不定根组成，一般说，单子叶植物的根系都是须根系，如小麦、玉米。

3、根的分布根系入土深度一般都大于地上部的主茎高度，根系的扩展范围一般都大于地上部分的扩展范围。

4、根的特性向地生长的特性，向水生长和向肥生长的特性。

（二）的结构

1、根尖

从根的顶端到生有根毛的一段，叫做根尖，根尖是吸水的主要部分。

主根、侧根、不定根都有根尖。

根尖由四部分组成，从顶端向上依次是根冠、分生区、伸长区和成熟区。

1）根冠在根尖的顶端，细胞比较大，排列不够整齐，像一项帽子一样套在外面，具有保护作用。

2）分生区被根冠包围着。

细胞很小，排列紧密，细胞壁薄，细胞核大，细胞质浓，有很强的分裂能力，能够不断地分裂出新细胞，因此，分生区属于分生组织。

3）伸长区在分生区的上部，细胞逐渐分裂，开始迅速伸长。

伸长区是根伸长的最快地方，能够吸收水分和无机盐。

根的长度能够不断增加，就是因为分生区的细胞能够分裂和伸长区的细胞能够伸长的缘故。

4）成熟区在伸长区的上部，细胞停止伸长，并且开始分化；

表皮的细胞一部分向外突出，形成根毛。

成熟区生有大量根毛，使表皮细胞的吸水面积大大增加，是根系吸收水分和无机盐的主要部位。

在根尖中，根毛区吸水能力最大，根冠、分生区和伸长区较小。

2、成熟区及其上部结构在成熟及其上部，根内部一些细胞的细胞质和细胞核逐渐消失。

这些细胞上下连接，中间失去横壁，形成中空的长管，叫维管，也叫导管，整个上部由维管束组成。

根吸收的水分和无机盐，通过维管束向上输送到茎、叶等器官。

二、根系吸水的途径

土壤水移动到根部表面后，便从表皮向维管束转移。

根系吸水的途径有3条。

即质外体途径，跨膜途径和共质途径。

1、质外体途径：

是指水分通过细胞壁、细胞间隙等没有原生质的部分移动，这种方式速度快。

2、跨膜途径：

指水分从一个细胞移动到另一个细胞，要经过两次质膜，此途径只跨过膜而不经过细胞质。

3、共质体途径：

是水分从一个细胞的细胞质经过胞间连丝，移动到另一个细胞的细胞质，如此下去，移动速度较慢。

这三条途径共同作用，使根部吸收水分。

三、根系吸水的动力

根系吸水有两种动力：

根压和蒸腾拉力，后者较为重要。

（一）根压

植物根系的生理活动使液流从根部上升的压力，根压把根部的水分压到地上部，土壤中的水分便不断补充到根部，这就形在了吸水过程，这是根部形成的力量引起的主动吸水。

各种植物的大小不同，大多数植物的根压为0.05～0.5Mpa（5～50m水柱）

1）伤流现象

从植物茎的基部把茎切断，由于根压作用，切口不久即流出液滴。

从受伤或折断的植物组织溢出液体的现象，称为伤流。

流出的汁液是伤流液。

不同的植物的伤流程度不同，葫芦科植物伤流液较多，稻、麦等较少。

伤流液除了含水分以外，还含有各种无机盐，有机物和植物激素。

所以，伤流的数量和成分，可作为根系活动能力强弱的指标。

2）吐水现象

没有受伤的植物如处于土壤水分充足，天气潮湿的环境中，叶片尖端或边缘也有液体外泌的现象。

这种从未受伤叶片尖端或边缘向外溢出液滴的现象，称为吐水。

吐水也是由根压所引起的。

在自然条件下，当植物吸水大于蒸腾时（如清晨、傍晚），往往可以看到吐水的现象。

在生产上，吐水现象可作为根系生理活动的指标。

3、机理到目前为止，关于根压的机理解释，还没有得到彻底解决。

目前主要有两种理论。

1）渗透论根部导管四周的细胞由于代谢，不断向导管分泌无机盐和有机物，导管内水势下降，而附近的细胞的水势高，所以水分不断深入导管。

形成根压（负压）。

2）代谢论：

呼吸释放能量参与根系吸水过程，也就是说给了吸水做功的能量（象水泵一样）。

（二）蒸腾拉力

叶片蒸腾时，气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水而水势下降，所以从旁边的细胞取得水分，同样旁边细胞又从另一个细胞取得水分，如此下去便从叶脉中的导管吸水，通茎的导管到根的导管，最后从土壤吸收水分。

这种吸水完全是蒸腾失水而产生的蒸腾的拉力所引起的，是叶片蒸腾形成的力量传到根部而引起的被动吸水。

根压和蒸腾拉力在根系吸水过程所占的比重，因植株蒸腾速度而异。

通常蒸腾强的植物的吸水主要是由蒸腾拉力引起的。

只有春季叶片未展开时，蒸腾过度很低的植株，根压才成为主要吸水的动力，北方冬季树木。

四、影响根系吸水的土壤条件

1、土壤水分的有效性土水势和根水势

2、土壤通气状况土壤通气不良可使根系吸水量减少，是因为土壤缺氧和二氧化碳浓度过高引起的，短期内可使细胞呼吸减弱影响根压，继而阻碍吸水，时间过长，就形成无氧呼吸，产生和累积较多的酒精，根系中毒受伤，作物吸水更少，旱作物受涝时，反而表现出缺水现象，是因为土壤空气不足，影响吸水。

而水生植物有特殊的通气导管组织。

3、土壤温度低温能降低根系的吸水过率，其原因是，温度降低，水的粘滞力增大，作物细胞的粘性也增大，水分流动减缓，水分不易通过细胞质，导致蒸腾速度下降。

土壤温度过高时对根系吸水也不利。

高温加速根的老化，使根的木质化部分加大，影响吸水面积和导管束的面积，蒸腾速率也下降。

同时，温度过高使酶钝化，影响根系主动吸水。

4、土壤溶液浓度

土壤溶液中所含盐分的高低，直接影响其水势的大小。

土壤含盐量较低，水势高，便于根系吸水；

反之土壤中盐分浓度高，水势很低，作物吸水困难。

如施肥过量，发生“烧苗”现象。

思考题1、根系吸水的动力2、影响吸水的外界因素3、根系吸水的途径

名词术语主根侧根不定根根压蒸腾拉力伤流吐水

第四节蒸腾作用

陆生植物吸收的水分，一小部分（1～5%）用于代谢，绝大部分散失到体外。

水分从植物体中散失到外界的方式有两种：

1）以液体状态散失到体外，就是前面讨论过的吐水现象；

2）以气体状态散逸到体外，便是蒸腾作用，这是主要的方式，

蒸腾作用是指水分以气态状态，通过植物的叶片，从体内散失到体外的现象。

蒸腾作用虽然基本上是一个蒸发过程，但是与物理学上的蒸发有所不同，因为蒸腾过程中受到植物结构和气孔行为的调节，这一过程远比水面蒸发或陆面蒸发复杂的多。

一、蒸腾作用的生理意义和发生的部位

植物在进行光合作用过程中，必须与周围环境发生气体交换，在气体交换同时只会引植物大量失水。

植物在长期进化中，对这种生理过程形成了一定的适应能力，以调节蒸腾的水量，所以适当降低蒸腾速度，减少水分消耗，在生产实践中是有意义的。

但是，人为地过分抑制蒸腾作用，对植物反而有害，因为蒸腾作用在植物生命活动中有重大意义。

（一）蒸腾作用的生