灌溉是中国农业发展的关键，中国80%左右的耕地分布在相对缺水的北方，如果没有灌溉，大量的耕地将无法进行粮食生产。中国农业的发展是与灌溉的发展紧密相连的，以灌溉为特征的农耕文明是华夏文明起源、发展和延续的重要基础。中国水资源分布与耕地分布的极度不均衡性，使得我国农业发展对灌溉的依赖度很高，由于人口增加、工业化和城市化的快速发展及灌溉水利用率的低下，我国灌溉农业的发展面临着巨大的挑战。农业是用水大户，大力发展节水农业，改变用水观念、革新灌溉方式是农业及经济社会可持续发展的必然选择。正是在这种背景下，实现了地面灌溉向设施灌溉的逐步转变，极大降低了农业用水量、提高了用水效率。
3.1作物与水分关系
3.1.1水分对作物的作用水分和养分一样，都是作物正常生长发育基本的物质条件，一定条件下，水分对作物增产的作用更大。水分供应不足，作物生长发育缓慢，甚至死亡。水对作物生产的作用，可分为生理效应和生态效应两个方面，也称为生理需水与生态需水。主要表现在以下几个方面：
（1）水分是作物的重要组成成分
水分在生活细胞中的含量高达80%以上，是维持原生质胶体状态及其稳定性的重要条件。生命活动较强的部位，如嫩叶、根尖等，含水量均达70%~90%。
（2）水分维持了作物的固有姿态
正因为作物体细胞和组织含有大量水分，维持了细胞的膨胀度，才使这些细胞和组织保持一定的紧张状态，使叶片挺立，并向空中伸展，接受阳光，交换气体，进行各种生理活动。如果缺水，茎叶细胞就会失去紧张状态而发生萎蔫现象，使正常的新陈代谢受到不同程度的损害。
3农业灌溉技术的发展00科普通鉴·农业科技（3）水和二氧化碳一样，是光合作用的原料作物体内几乎所有的营养物质都是光合作用的直接和间接产物，这些产物不仅是作物生长发育的物质基础，也是作物高产的物质基础。
（4）水分是各种物质吸收和运输的重要媒介
土壤中的肥料要首先溶解在水里才能被根系吸收并且输送到其他部分，氮、磷、钾等化学肥料一般随水同时施入，就是为了提高肥料的利用效率。另外，叶片通过光合作用制造的有机物质，也要溶解在水里才能被送到各部分去。
（5）水分是作物体内一切生化反应的介质
作物体内所有新陈代谢活动都必须在水中才能正常进行，并且水分直接参与了许多生化反应。例如，水直接参与呼吸作用以及淀粉、蛋白质、脂肪等的水解反应。
（6）水分还可以调节作物植株温度
水的比热容、汽化热均较高。较高的比热容使作物植株温度在外界温度变化较大时仍能保持相当稳定，使作物在寒冷的冬天避免冻害。较高的汽化热可使作物在夏季高温条件下，通过水分的蒸发，调节体温，排除呼吸作用产生的热量，使它与环境温度达到平衡，避免高温伤害。
3.1.2作物需水量与灌溉制度
（1）作物需水量的概念及其影响因素
作物从土壤中吸收的水分，绝大部分（99%以上）通过植物蒸腾作用进入大气，只有一少部分留在体内。除作物蒸腾需水外，植株棵间适宜的土壤蒸发对于调节田间小气候、保证作物正常生长发育也是必需的。作物需水量是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。由于构成植株体的水量很少，所占比例一般不足三者之和的1%，可忽略不计。因此，在实际计算时，认为作物需水量在数量上即等于高产水平条件下的植株蒸腾量与棵间蒸发量之和。作物需水量的单位一般以某时段或全生育期所消耗的水层深度（毫米）或单位面积上的水量（米3/公顷）来表示。
但是在实际生产中，作物并非全部处于适宜的土壤水分和肥力条件下，除作物需水量的概念外，还经常用到作物耗水量的概念。作物耗水量是指作物在任一土壤水分条件下的植株蒸腾量、棵间蒸发量以及构成植株体的水量之和。显然，作物需水量和耗水量的概念内涵有所不同。
作物需水量并非固定值，受多种因素的影响，笼统地概括为内因和外因。不同作物种类、同类作物不同品种、同品种作物不同生育时期的需水量都有差异，这些属于内在因子。外部因子包括不同气候气象条件、不同土壤条件、不同产量水平和农业生产技术水平等。
（2）作物田间需水量的估算
估算作物田间需水量的方法大致可分为两类，一类是从作物需水量对外界各种影响因素的响应变化规律中，建立某种经验数值关系，从而确定在某种条件下作物需水量的变化。另一类是根据能量平衡方程，求出作物蒸腾、田间蒸发所消耗的能量，再换算成相应的作物田间需水量。
1）经验数值法。该方法选择几个对作物田间需水量影响较大的气象因素（如气温、湿度等），根据已有的试验资料，分析这些主要因素与作物需水量之间存在的数量关系，最后归纳总结成经验公式。
2）能量平衡法。作物蒸腾、棵间蒸发散失水分的过程都需要克服一定阻力，即需要消耗能量，作物需水量的大小与蒸腾蒸发消耗的能量关系密切。能量平衡法就是通过计算出蒸腾蒸发所消耗的能量，然后再将能量折算成水量，即作物田间需水量。
（3）作物灌溉制度确定
灌溉制度是指特定作物在一定的气候、土壤、供水等自然条件和一定的农业技术措施下，为了获得高产或高效，所制订的农田灌水方案。
1）灌溉制度的内容。灌溉制度内容包括作物播种前及全生育期内的灌水次数、每次灌水的日期、灌水定额以及灌溉定额。此四项内容又被称为灌溉制度的“四要素”。
灌水定额是指一次灌水单位面积上的灌水量。作物全生育期各次灌水定额之和，叫作灌溉定额。灌水定额及灌溉定额常以米3/公顷或毫米表示。
2）确定灌溉制度的原则。在水源供水充足条件下的最优灌溉制度是适时、适量地对农作物进行灌溉，使其生长条件得到最大限度的满足，从而获得高产。
在水量有限的条件下，农作物全生育期的总需水量及各生育阶段的需水量不可能得到全部满足，这将不可避免地引起农作物不同程度的减产。减产程度随着不同作物、不同生育时期的缺水程度而异。在这种情况下，合理的灌溉应是在弄清各种作物不同生育时期缺水减产情况的基础上实行省水灌溉，把有限的水量在作物生育期内进行最优分配，确保作物关键时期用水，减少非关键期供水。此时，所寻求的不是单产最高，而是在水量有限条件下的全灌区总产值最大。
3）确定灌溉制度的依据。灌溉制度随作物种类、品种和自然条件及农业技术措施的不同而变化。灌溉制度一般都需在灌水季节之前加以确定，带有部分估算（预报）的性质。因此，必须以作物需水规律和气象条件（特别是自然降水）等作为主要依据。
如水稻属于湿生类作物，具有喜水耐水特性，耗水强度大，灌水次数多，灌溉定额大。旱生作物只要求有适宜的土壤水分，不需要有明水层，因而耗水强度低，灌水次数少，灌溉定额相对较小。在干旱地区或遇干旱年份，降水少，蒸发量大，需要灌水次数多，灌溉定额也较大。相反，在湿润地区或湿润年份，灌水次数少，灌溉定额小。如土质黏、地势低洼，相应需要的灌水次数和灌溉定额均减少。如采用喷灌、滴灌、微灌等先进节水灌溉技术，灌溉定额也相应减少。
4）确定灌溉制度的方法。
A.根据群众丰产灌水经验。农民在多年的生产实践中，积累了丰富的经验，创造了“看天、看地、看作物”的“三看”经验，能够根据天气、土壤及作物生长状况适时适量灌水。看天，主要是根据天气的变化，如天气干旱、气温高，就应该及时灌水、加大灌水定额。看地，主要是看土壤含水量的变化。看作物，是根据作物的生育期及生长状况来确定作物适宜的灌水定额。
B.根据试验资料。我国建有较系统、完善的灌溉试验站，积累了作物需水量、灌溉制度、灌水技术等多方面的数据资料，这些数据资料可以作为制定灌溉制度的主要依据。但是不能照搬，要根据当地具体情况因时、因地制宜。
C.根据水量平衡方程。这种方法是根据典型年型的气象资料和作物需水量，并参照灌溉试验资料和群众丰产经验制定。用水量平衡方程制定作物灌溉制度时，通常以作物主要根系吸水层作为灌溉时的土壤计划湿润深度，一般为80厘米，根据不同作物对水分的需求不同，要求该层次的储水量保持在适宜的范围之内，在生产中，一般要求田间土壤相对含水量维持在60%~80%。
3.1.3作物水分平衡与亏缺反应
（1）作物水分平衡
作物一生需用大量水分。研究表明，干旱条件下作物每生产1千克干物质需要500千克以上的水分。这其中大部分水分通过作物蒸腾和地表蒸发散失到大气之中，保持在作物体内的水分只占其总用水量的1%左右，然而正是这部分水在作物正常的生长发育中起着非常重要的作用。保持作物体内的水分处于适宜范围非常重要，取决于作物根系吸水和蒸腾失水的平衡。
1）作物根系吸水：作物首先通过根系从土壤中吸收水分，经过根、茎的运输转移到叶片，最后通过蒸腾作用从气孔散失到大气中，这是一个连续进行的过程。作物体内为何水从低处向高处流？这主要与水势有关。
水势是在等温条件下从某一系统中（如土壤或植物体）提取单位水分所需要的能量，它表示水的能量状态。在土壤-作物系统中，水的吸收与移动是被动过程，从水势高的地方移向水势低的地方。
在土壤-作物-大气连续体中，大气水势最低，土壤水势最高，作物水势介于两者之间，总势差的主要部分在叶部与大气之间。因此说叶-大气界面的水势差是植物吸水的主要动力，即蒸腾拉力，可保证植物体内的水分能从土壤流向百米以上的高度，以满足植物对水分的要求。
影响根系吸水的因素很多，主要有土壤水势、植物种类、大气条件等。土壤水势高，根系吸水容易。一般土壤相对含水量在50%以上时，利于植物吸水。随土壤含水量降低，根系吸水越来越难，当土壤水势下降到-1.5兆帕时，大多数作物不能从土壤中继续吸水，作物处于永久萎蔫状态。湿生植物处于永久萎蔫状态的水势较高，耐旱性强的作物较低。因此，在旱地种植作物，应尽量选择在低土壤水势条件还能吸收土壤水分的品种。此外，根系吸水还与大气条件有关，大气湿度低、温度高、风速高等有利于作物根系吸水。
2）作物蒸腾失水：作物蒸腾作用在作物水分关系中占支配地位，控制着水分吸收和液流上升的速度，进而间接地影响着作物根系对土壤中有机、无机营养的吸收以及这两类物质在植株体内的运输。
作物吸收的水分主要是以气态形式通过角质层和叶片上的气孔向外散失，一般通过角质层的蒸腾作用十分微弱，主要是通过叶片气孔。影响气孔蒸腾的主要因素是气孔阻力，而影响阻力大小的因素是气孔开度。
通常表示作物蒸腾作用的方法有三种。蒸腾速率：作物在单位时间内，单位叶面积上蒸腾的水量，其单位为毫摩尔/（米2·秒）；蒸腾效率：作物每消耗1千克水所形成的干物质克数，以克/千克表示；蒸腾系数：制造1克干物质所需消耗水分的千克数，它是蒸腾效率的倒数。
3）作物水分平衡：在作物正常生长状态下，吸水和蒸腾失水过程应该保持动态平衡，但是在自然状况下，二者往往不相等，作物水分平衡被打破。如果蒸腾失水快，作物体内发生水分亏缺，气孔就会部分关闭。反之，气孔开度增加。
（2）作物水分亏缺
作物生产过程中经常受到多重环境胁迫，包括异常气象因素、不利的土壤条件及各种病虫草害等，严重影响产量的进一步提高。在所有影响作物产量的因素中，干旱即水分亏缺对产量的影响最大，其引起的作物产量降低超过了其他所有胁迫的总和。
作物水分亏缺，简单地说是由于蒸腾失水超过了根系吸水，原有的水分平衡被打破。作物对水分亏缺的反应首先是含水量和水势降低，导致萎蔫，气孔部分或全部关闭，生长缓慢。如果水分亏缺加剧，作物光合作用下降，多种代谢失调，生长停滞，最终死亡。
作物自身在形态和生理上会发生部分改变，以适应水分亏缺环境。例如，根系生长加快，地上部分生长缓慢，根冠比提高；叶片变小，结构发生改变；在细胞中累积溶质，使组织水势降低，较低的组织水势增加了从土壤到叶片的水势梯度，加速了水分吸收。
3.1.4土壤水及其有效性
（1）土壤水的类型
土壤是作物生产的基础，为作物生长提供必要的矿物质、有机质、水分和空气。土壤水是土壤的组成部分，是作物水分的主要来源。此外，土壤水又是土壤中许多化学、物理和生物学过程进行的必要条件。土壤水并非纯水，其含有各种溶质，还悬浮有土壤胶体颗粒，土壤水吸附在土壤孔隙中，是为作物生长提供养分的重要介质。
土壤水具有不同形式及能量状态。根据所受力的不同，土壤水可分为四种类型：吸湿水、薄膜水、毛管水及重力水。