前言

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，即认为作物需水量就是正常生长、达到高产条件下的植株蒸腾量与棵间蒸发量之和。作物耗水量（crop evapotranspiration，ET）通常指作物在一般生长条件下的植株蒸腾量和棵间蒸发量之和，有时也称为作物蒸发蒸腾量或农田蒸散量、农田总蒸发量。

作物需水量与耗水量是水文循环的重要环节和水量平衡的主要分量，而且与作物生理活动以及产量形成有着密切的关系，是农业高效用水和水资源科学配置、流域规划制定、地区水利规划以及灌排工程规划、设计、管理的基本依据。作物需水量与耗水量研究，一直是农田水利、农业气象、水文学与水资源、作物栽培、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与调控是水科学领域研究的热点。

我从在武汉水利电力学院上大学开始，就对作物需水量研究产生了浓厚的兴趣，1982年大学毕业论文选择跟随茆智老师做“水稻需水量研究”。1981年第4期《农田水利与小水电》期刊上的多篇水稻需水量估算方法研究论文曾让我兴奋不已，能量平衡法、水汽扩散法、综合法等让我感觉有好多神秘的未知世界还需要继续探索。30多年前，苏联的布德科（БудыкоMИ）、英国的彭曼（Penman H L）、美国的布兰尼（Blaney H F）乃至詹森（Jensen M E）等早期在世界上从事作物需水量与水热平衡研究的代表性科学家的名字就深深地印在了我的脑海里。2013年暑假，我和胡笑涛、杜太生、佟玲等在美国科罗拉多州考察访问，参观美国农业部农业研究局（USDA-ARS）中部大平原试验站。在该站的前门大厅看到当年在大学本科学习《农田水利学》课程时，教科书中介绍的20 世纪初提出用水面蒸发量方法估算作物需水量的学者布莱格斯（Briggs L J）和尚兹（Shantz H L）的照片，依然使我兴奋不已。

在本科毕业论文中，依据茆智老师带领我们收集到的湖北漳河、广东石牌岭、安徽滁县等地的水稻需水量及相关气象和作物生长发育等试验资料，利用算盘和手拉计算尺，分析了水稻需水量与水面蒸发、气温、日照时数、相对湿度等气象因素的单相关和复相关关系，建立了估算水稻需水量的经验与半经验公式。为了追寻作物需水量研究的梦想，1982年秋，我到了当时很多人认为生活不便、条件艰苦的西北小镇——陕西杨凌，开始了人生的重要一站。我在那里学习和工作了整整20年，跟随西北农业大学熊运章教授攻读硕士、博士研究生。基于我在武汉跟随茆智老师做本科毕业论文对作物需水量研究的一点了解，加之我详细学习了1982年农业出版社出版的我的导师熊运章教授翻译的美国ASCE灌溉需水量委员会主席Jensen M E编写的《Consumptive Use of Water and Irrigation Water Requirements》和汪志农老师从意大利巴里地中海农学院学习时带回的那本1977年联合国粮农组织出版的Doorenbos J等编写的《灌溉排水丛书》第24分册《Guidelines for Predicting Crop Water Requirements》，更加激起了我对作物需水量研究的兴趣。在导师想让我做关中灌区地下水动态预报研究时，我还是选择了做“计算与预报作物需水量的数学模型研究”的硕士学位论文，怀着一定要建立中国人自己的估算作物需水量的“Penman”公式的幼稚理想，在当时的西北农业大学灌溉试验站建设了作物需水量试验场。我亲自到陕西石头河水库工程局二处买回了搭建活动防雨棚用的铁轨、从汉中买回了精密称重磅秤、在眉县段家做了防雨棚和小型称重式蒸渗器；在西安龙首村气象仪器商店买回了E601型水面蒸发皿、自动风速仪、两台热球微风仪、太阳净辐射仪、自记通风干湿表等，建设了气象参数梯度观测架。以小麦、玉米为对象，在两年试验资料和收集甘肃、山西、陕西等省灌溉试验资料的基础上，分析了旱作物需水量与大气蒸发力、土壤含水量、作物叶面积指数等因素的关系，建立了作物系数与叶面积指数的关系以及水分胁迫条件下土壤水分修正系数与相对有效含水率的关系，发展了一种估算大气蒸发力的热力学方法，并以此为基础构建了估算与预报作物需水量的数学模型。相关研究结果发表在1985年的《干旱地区农业研究》和1986年的《西北农业大学学报》等期刊上。相关试验观测研究一直持续到2002年我调离西北农林科技大学。在此期间，我多次赴野外调研，特别是1984年6月25日—7月24日，行程2600余公里，先后到山西省运城地区临猗县夹马口灌区灌溉试验站、山西省临汾地区汾西灌区灌溉试验站、山西省临汾地区水利局、山西省水利厅水管处、山西省水利科学研究所、河北省水利厅水管处、河北省水利科学研究所、河北省地理研究所、河北藁城灌溉试验站、中国科学院山东禹城综合实验站、中国农业科学院农田灌溉研究所、河南人民胜利渠忠义试验场、河南省水利科学研究所、河南省水利厅灌溉处、河南省地理科学研究所等地考察灌溉科学与水平衡试验并收集有关作物需水量试验资料，拜会了许多专家和有丰富实践经验的生产一线的同志，收获颇多。特别是在中国科学院山东禹城综合实验站的唐登银、程维新老师给我详细介绍了作物耗水与农田蒸发研究的国际进展及禹城站的研究状况。那时唐登银老师从英国留学回来不久，我清楚地记得他在现场介绍禹城站的蒸发观测工作以及英国Monteith模型等，使我思路更加开阔。1985年春天我硕士研究生毕业前，他还写信动员我到中国科学院禹城综合实验站工作。

从1985年我在西北农业大学硕士研究生毕业参加工作开始，就参加了全国作物需水量等值线图协作研究，先后在陕西省水利厅贺正中高级工程师的支持下，主持承担了“汉中地区水稻需水量研究”（1987年12月通过鉴定，居国内先进水平）、“陕西省作物需水量及灌溉分区的研究”（1989年10月通过鉴定，居国内领先水平）以及“陕西省历年灌溉试验资料的整编与分析”（1991年6月通过水利部组织的验收），1988年在《水利学报》发表了《稻田腾发量预报方法的初步研究》一文。1992年以上述工作为基础，主编出版了《陕西省作物需水量及分区灌溉模式》一书。1994年，我参加了中国农业科学院农田灌溉研究所陈玉民、郭国双研究员主编的《中国主要农作物需水量与灌溉》一书的编写工作，并作为该书的技术统稿人之一，在河南新乡中国农业科学院农田灌溉研究所的招待所和广东省水科所罗怀彬等一起住了很长一段时间。在20世纪80年代中，我先后参加了在山东烟台和辽宁铁岭召开的两次全国作物需水量协作研究会议，1984年11月在山东烟台首次全国作物需水量协作研讨会上，已故的中国农业科学院农田灌溉研究所原所长粟宗嵩先生在开幕式的主席台上表扬了我提交的那篇“作物需水量——基本概念、研究动态和展望”的油印综述论文。当天晚上几个省水利科学研究所的研究人员到我住的房间讨论交流。这次会议成为了我进入全国作物灌溉理论研究学术领域的重要起点。在20世纪80年代中后期，我先后应邀给山西、陕西、甘肃等省的灌溉试验学习班和研讨班讲课或作报告。在全国作物需水量协作研究中，我和中国农业科学院农田灌溉研究所陈玉民、郭国双、中国水利水电科学研究院赵玲爽、内蒙古自治区水利科学研究所冯文基、辽宁省水利科学研究所宋毅夫、山西省水利科学研究所张鸿、新疆维吾尔自治区水利水电科学研究所薄玉华、黑龙江省水利科学研究所富作礼、山西省水利厅管理处杜友信、甘肃省水利厅管理处吴宜兰、陕西省水利厅农水处贺正中、西北水利科学研究所张学、陕西省汉中地区灌溉试验站董厥祥、泾惠渠灌区灌溉试验站王辛未和董作文、宝鸡峡灌区灌溉试验站郑明杰、洛惠渠灌区灌溉试验站蒋柏森、交口抽渭灌区灌溉试验站刘毓中等前辈相识，他们对我做好作物需水量研究工作给予了无私的帮助和鼓励。

20世纪90年代开始，我先后主持承担了国家自然科学基金面上项目“土壤-植物-大气连续体水分运移理论及其应用的研究”（编号58979385）、“黄土区农田水分微循环理论及其应用的研究”（编号39470428）、“西北旱区果园不同尺度耗水估算模型的建立及其耦合研究”（编号50679081）、“西北旱区流域尺度耗水对人-地关系变化响应的实验与模拟”（编号50528909）、国家杰出青年科学基金项目“农业生态系统中水分溶质迁移机制与调控”（编号49725102）、国家自然科学基金重点项目“西北旱区农业与生态节水应用基础研究”（编号50339030）以及国家重大基础性研究项目课题“海河流域农田水循环过程与农业高效用水机理”（编号2006CB403406）、霍英东教育基金会高校青年教师基金项目“农田水量转化规律及其节水调控原理的研究”、水利部水利水电科学基金项目“农田水分微循环规律及其节水调控原理的研究”（编号92046551）、中国科学院“百人计划”项目“黄土区土-植-气连续体水分运转与调控及其对土壤侵蚀环境影响的研究”等，这些项目力求把作物需水量与耗水过程作为土壤-植被-大气水分传输的一个环节，从不同尺度上研究农田水热通量过程、影响因素和量化表征，把作物需水量与耗水过程的机理研究推进到了一个新的阶段。

2002年开始，在“十五”“十一五”和“十二五”国家“863”计划中，我们先后实施了“作物高效用水生理调控与非充分灌溉技术研究”（编号2002AA6Z-3031）、“基于作物生命健康需水信息的非充分灌溉技术”（编号2006AA100203）、“作物生命需水过程控制与高效用水生理调控技术及产品”（编号2011AA100502）等课题，我有幸与西北农林科技大学蔡焕杰教授、中国农业科学院农田灌溉研究所孙景生研究员、中国科学院遗传与发育研究所农业资源中心张喜英研究员、中国农业大学冯绍元、郭萍、杨晓光教授等合作。这些课题力求通过研究作物生命需水信息获取与尺度转换技术、作物生命需水与区域耗水时空格局优化设计技术、作物生命需水和区域水资源健康利用条件下的经济耗水控制指标、控制作物生命需水过程的节水调质高效灌溉新模式、作物生命需水信息管理与高效用水决策技术及新产品、控制作物生命需水过程的高效用水生理调控技术与新产品、实施田间小定额非充分灌溉的新技术与施灌控制设备，获取更准确的多尺度作物生命需水信息，提出更科学与实用的需水指标及标准，开发更实用的田间小定额非充分灌溉设备和产品，研制更通用的需水信息查询与非充分灌溉决策支持系统。在研究过程中，优选了适合不同类型区、不同尺度条件下的作物生命需水信息采集与估算的最优方法，创新了单株-农田-区域等不同尺度的作物生命需水信息时空尺度转换技术和作物耗水时空格局优化设计技术；提出了典型缺水地区不同水文年综合考虑产量和品质的主要作物生命需水指标和区域水资源健康利用的作物经济耗水指标；建立了基于生命需水信息与水分-品质-产量-效益综合模型的节水调质高效灌溉多目标优化决策方法与北方不同区域主要作物的节水调质高效灌溉模式，考虑水分调控对产量和品质的综合影响，并由粮食作物向特色经济作物扩展；开发了基于WEB GIS的作物生命需水多维信息查询与管理系统以及非充分灌溉决策支持系统；研制出智能式非充分灌溉预报器以及实施作物生命需水过程控制的田间小定额非充分灌溉设备和环保型作物高效用水生理调控产品。这些研究把作物生命需水过程及其调控与作物高效用水更加紧密地联系在一起，更加突出了作物需水量与耗水量研究和农业高效用水的有效对接。

上述研究过程中，在甘肃河西走廊建设了中国农业大学石羊河实验站，并与合作者一起在甘肃武威、河南新乡、河北栾城、陕西杨凌、新疆阿克苏等地的试验站进行了作物耗水与水热碳通量的长期定位综合观测，积累了较系统的试验研究资料。我所指导的孙景生、龚道枝、佟玲、夏桂敏、刘晓志、张宝忠、李思恩、张晓涛、许小燕、汤博、丁日升、张彦群、李小娟、曾勰婷、刘春伟、郭维华、邱让建、王景雷、姜雪连、纪莎莎、赵鹏等的博士学位论文研究工作以及孙景生、马清林、龚道枝、佟玲、马福生、庞秀明、李霆、屈艳萍、张晓涛、杨磊、王若水、康敏、张鑫、关雪等的硕士学位论文研究工作，进一步充实了该领域的研究成果。他们毕业后有的成为了我重要的合作者，有的成为了我研究团队的重要成员，有的还在该领域继续探索。

近10多年来，我国的节水灌溉事业得到了较快的发展，灌区节水工程改造和高效节水灌溉工程面积、水肥一体化技术推广面积增加迅速，但还是较多的注重工程建设、轻视科学管理。在节水灌溉工程规划设计、水资源配置与管理以及灌溉系统运行控制中依然缺乏基础科学数据的支持。虽然建设的高效节水工程很漂亮，但仍然没有按照作物生命需水信息进行科学灌溉，没有按照作物水肥需求规律进行真正意义上的水肥一体化，致使水肥利用效率偏低。究其原因，还是在规划设计和运行管理过程中缺乏方便采用和精确可靠的作物需水量与耗水量数据及其估算方法，虽然国际上 1973 年美国土木工程协会（ASCE）灌溉排水分会组织出版了Jensen M E等编著的《Consumptive Use of Water and Irrigation Water Requirements》，1977年和1998年，联合国粮农组织出版了Doorenbos J等编著的《灌溉排水丛书》第24分册《Guidelines for Predicting Crop Water Requirements》和Allen R G等编著的《灌溉排水丛书》第56分册《Crop Evapotranspiration：Guidelines for Computing Crop Water Requirements》，但上述著作中介绍的作物需水量与耗水量估算方法并不完全适合我国实际情况，导致直接应用时会产生较大的误差。中国1994年由水利电力出版社出版的《中国主要农作物需水量与灌溉》和1993年由中国农业科技出版社出版的《中国主要农作物需水量等值线图研究》，介绍了大量的作物需水量与耗水量及其变化规律的资料，但采用的是20世纪90年代前的试验观测数据。由于科学技术进步以及气候、作物品种、栽培模式、灌溉技术水平等均发生了较大变化，上述著作中的作物需水量与耗水量及其变化规律、作物需水估算方法和模型参数已不能满足现代农业高效用水发展的需要。所以，2010年我就开始拟定编写大纲，组织参加国家“863”计划课题“基于作物生命健康需水信息的非充分灌溉技术”的相关同志，拟根据本世纪的最新研究资料编写《中国北方主要作物需水量与耗水管理》一书，力求将我们研究所取得的最新成果告知社会，供生产设计和管理部门以及研究者参考使用。但写这本书的难度确实较大，牵涉的作物种类多、区域范围广、资料年限长、技术内容涉及面广，有些方面的研究还不系统，加之本人近年总是忙于到处奔波，很难静下心来总结思考和提炼。虽然大多数合作者们一年前就把初稿交给了我，我也没有集中时间修改书稿尽快给大家反馈意见，影响了出版进程。

本书力求全面总结“十五”“十一五”和“十二五”我们所承担的国家“863”计划课题和其他相关课题的研究成果。全书共13章，具体包括绪论、作物耗水量的测定方法及对比分析、中国北方主要作物需水量与耗水规律、作物需水量与耗水量估算方法及应用、作物需水量与耗水量的尺度转换方法及应用、作物耗水对变化环境响应的量化与评价、中国北方主要作物需水量分区与耗水时空格局优化设计、中国北方主要作物需水量数字化图、中国北方主要作物需水量信息查询系统、作物水分动态响应模型与有限水高效灌溉模式、温室作物节水调质高效灌溉优化决策方法、变化环境下的作物耗水管理对策和基于作物生命需水信息的高效用水调控技术与产品研发及应用等内容。其中，第1章由康绍忠、佟玲、张晓涛、张宝忠、丁日升、杜太生撰写；第2章由丁日升、李思恩、康绍忠、张晓涛、张喜英撰写；第3章由刘祖贵、孙景生、张喜英、康绍忠、佟玲、杨晓光、蔡焕杰撰写；第4章由李思恩、康绍忠、张喜英、丁日升、张宝忠、龚道枝、刘春伟、邱让建、姜雪连、赵鹏撰写；第5章由佟玲、王景雷、张晓涛、张彦群、姜雪连、康绍忠撰写；第6章由佟玲、汤博、翟平蕾、康绍忠撰写；第7章由王素芬、王峰、康绍忠、张喜英、李小娟、孙景生撰写；第8章由王景雷、宋妮、陈智芳、孙景生撰写；第9章由陈智芳、王景雷、宋妮、孙景生撰写；第10章由张喜英、杜太生、孙景生、李小娟、蔡焕杰、康绍忠撰写；第11章由杜太生、康绍忠、王峰、陈金亮、郭萍撰写；第12章由杜太生、张喜英、粟晓玲、康绍忠、纪莎莎、吴友杰、吴迪、薄晓东、李建芳撰写；第13章由张喜英、冯绍元、康绍忠、丁日升、王凤新、蔡焕杰、陈素英、杜太生撰写。全书由康绍忠、孙景生、张喜英统稿，佟玲、王景雷为学术秘书。

在撰写过程中，我们力求注重全书的系统性、科学性、创新性和前瞻性，但由于著者水平和时间所限，对该领域的最新进展了解还不是十分全面，对有些问题的分析与认识还有待更进一步深化，一些科学数据还需进一步积累，错误和不足之处也在所难免，恳请读者批评指正。

康绍忠
2016年11月16日于北京