灌溉管理：如何解決。為什么它比你想象的要容易
多年前，我們接到了幾位科學(xué)家的灌溉管理電話，關(guān)于他們與大學(xué)的認(rèn)證運(yùn)動(dòng)場經(jīng)理合作種植的運(yùn)動(dòng)草坪以及他們的草坪研究和教育計(jì)劃。他們希望在具有挑戰(zhàn)性的情況下優(yōu)化性能，例如灌溉控制器故障等。我們一起開始深入檢查根區(qū)的水。

天然草坪草
大學(xué)的研究人員正在專注于灌溉管理實(shí)踐，從而帶來更容易實(shí)現(xiàn)的更好結(jié)果。隨著我們隨著時(shí)間的推移收集灌溉和性能數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)了管理草坪和其他作物灌溉的新的關(guān)鍵實(shí)踐，包括測量“土壤水勢”。我們將土壤水勢傳感器與傳統(tǒng)的土壤含水量傳感器相結(jié)合，以減少保持草地性能所需的努力，同時(shí)節(jié)省水費(fèi)并減少疾病潛力和通風(fēng)不良。我們還通過限度地減少因過度澆水而導(dǎo)致的根區(qū)浸出損失來降低施肥成本。通過以土壤水分為主導(dǎo)的灌溉管理，提高任何作物的產(chǎn)量、質(zhì)量和利潤。本文使用草坪和馬鈴薯來展示如何使用水勢和含水量傳感器進(jìn)行灌溉，但這些實(shí)踐適用于灌溉科學(xué)家、農(nóng)學(xué)家、作物顧問、戶外種植者或溫室種植者種植的任何類型的作物。通過在他的含水量傳感器中添加水勢傳感器，一位馬鈴薯種植者減少了38%的用水量。這降低了他每100磅的水成本（抽水成本）。土豆，在一年內(nèi)為他節(jié)省了13,000美元。但這還不是部分。他的產(chǎn)量增加了8%，他的作物質(zhì)量得到了改善——他通常看到的腐爛幾乎消失了。

什么是土壤水勢？
簡單來說，土壤水勢是土壤中水的能量狀態(tài)的量度。它有一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)定義，但您不必了解土壤水分潛力是什么才能有效地利用它。將其視為一種指示“植物舒適度”的植物溫度計(jì)——就像人體溫度計(jì)指示人體舒適度（和健康）一樣。這是一個(gè)類比，從優(yōu)化灌溉的角度解釋了土壤水勢的概念。為植物生長管理土壤水分與這些故事有很多相似之處。通常，當(dāng)人們管理灌溉用水時(shí)，他們會(huì)意識(shí)到植物正在掙扎，并加水以使其再次舒適。問題是，就像機(jī)艙里的男孩子一樣，他們加水太多，因?yàn)樗麄儾恢郎舷拊谀睦锘?ldquo;多少”水就足夠了。然后他們讓土壤再次變干，達(dá)到干涸的程度。這個(gè)循環(huán)一遍又一遍地重復(fù)。在其他情況下，它們非常害怕褐斑，它們使土壤接近飽和，這既浪費(fèi)水又對植物有害。許多灌溉者認(rèn)為安裝土壤含水量傳感器可以解決這個(gè)問題，但他們錯(cuò)了。這種方法與向火中添加日志有類似的問題。含水量傳感器只能告訴您土壤中的“多少”水。它無法告訴您該數(shù)量是否植物。土壤水勢傳感器將為您提供該信息。使用水勢，您可以測量一個(gè)參數(shù)，例如溫度，它會(huì)告訴您土壤中水的能量，或者有多少土壤水可供植物使用。

土壤水勢是一個(gè)不太熟悉的術(shù)語，它定義了土壤中水的能量狀態(tài)，類似于溫度。它以類似于溫度定義人類舒適范圍的方式定義植物的水舒適范圍。簡單地說，它是植物水的溫度計(jì)。有些人拒絕使用水勢，因?yàn)檫@很難理解。雖然它的定義很復(fù)雜，但植物的“舒適范圍”已經(jīng)確立。因此，無需深入了解測量即可獲得收益。測量土壤水勢就像測量植物的溫度：它表明可用水量是否在舒適的范圍內(nèi)。該表給出了包括草在內(nèi)的各種作物的范圍。（例如，馬鈴薯植株的舒適度范圍約為-30至-50kPa。如果您將植物保持在該舒適范圍內(nèi)，則可以避免植物水分脅迫。您可能不知道kPa是什么，就像您可能不確切知道華氏度是什么一樣。但是，您仍然可以使用該比例來衡量植物的“舒適度”。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，緊密修剪的草坪草的舒適度范圍在-20到-100kPa之間。

土壤水勢是植物脅迫指標(biāo)
因?yàn)槲覀兘?jīng)常與馬鈴薯種植者合作優(yōu)化灌溉管理，所以我們將用馬鈴薯灌溉數(shù)據(jù)說明這一點(diǎn)，但同樣的原則也適用于草坪草和其他作物。顯示了40公頃土地中六個(gè)不同地點(diǎn)的馬鈴薯產(chǎn)量。顯然，馬鈴薯植物在壓力范圍內(nèi)（低于-100kPa）停留的時(shí)間越長，產(chǎn)量損失就越大。這個(gè)相同的概念適用于所有植物。顯然，草坪草的目標(biāo)是營造一個(gè)一致、穩(wěn)健、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)場，看起來很棒（而不是產(chǎn)量），但概念是相同的。在其水舒適區(qū)管理草坪草將通過提供根區(qū)水和空氣的適當(dāng)平衡來使植物更健康。它還可以限度地減少疾病并保留營養(yǎng)。它可以節(jié)約用水并提高比賽場地的質(zhì)量。其他作物也是如此：將植物保持在區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生更健康的植物，這意味著更高的質(zhì)量和產(chǎn)量。在當(dāng)今充滿挑戰(zhàn)的淡水形勢下，這些是幫助保護(hù)的有力工具。

土壤水勢很難測量嗎？
有些人拒絕使用土壤水潛力進(jìn)行灌溉管理，因?yàn)閺臍v看，這很難衡量。但這不再是事實(shí)。多年來，人們創(chuàng)造了許多設(shè)備來測量土壤水勢，但普遍存在諸如不準(zhǔn)確、可重復(fù)性差和令人失望的壽命等問題。但與大多數(shù)技術(shù)一樣，進(jìn)步已經(jīng)克服了許多這些問題。我們一直在草坪和其他作物中安裝這些下一代傳感器，我們學(xué)到了很多東西。


您可以僅使用土壤水勢來控制灌溉嗎？
所有植物的土壤水勢與其性能或行為之間都有密切的關(guān)系。為什么不直接測量土壤水勢來控制灌溉？設(shè)置恒溫器溫度時(shí)，您也做同樣的事情。它不會(huì)告訴您加熱或冷卻需要多少能量，但通過設(shè)置溫度閾值，您知道自己會(huì)感到舒適。你能在土壤中做同樣的事情嗎？是的，您可以簡單地將水打開足夠長的時(shí)間，使水勢恢復(fù)到舒適范圍的頂部；這是通常的做法。但是，存在一些潛在的問題。首先，您可能不想在傳感器確定您需要的確切時(shí)間進(jìn)行灌溉（例如在比賽中途或蒸發(fā)條件高時(shí)）。其次，有些土壤在您施水和水勢恢復(fù)到“舒適”之間可能會(huì)經(jīng)歷一段滯后時(shí)間，因此了解使用了多少水有助于了解施多少水。這就是為什么除了水勢之外，您還需要測量水含量，以實(shí)現(xiàn)灌溉管理。

在麥田土壤濕度傳感器
為什么僅靠含水量不能告訴您何時(shí)進(jìn)行灌溉？由于土壤中的含水量更容易測量，因此許多人使用它來安排灌溉，但有時(shí)會(huì)使他們處于黑暗中。要了解原因，讓我們看一下在該領(lǐng)域收集的一些數(shù)據(jù)。如果圖表看起來很復(fù)雜，請不要擔(dān)心。我們將解釋什么是重要的關(guān)注點(diǎn)。常規(guī)噴灌條件下的土壤含水量趨勢。由于整個(gè)夏季的含水量僅下降3%，因此您可能會(huì)得出結(jié)論，土壤中生長的植物沒有受到壓力。您甚至可以通過查看含水量有多高（幾乎30%或更多）來證明這一結(jié)論的合理性。但是請記住，就像您無法確定需要多少原木才能保持溫暖一樣，如果沒有更多信息，您也無法確定植物需要“多少”水才能舒適。人們通過測量含水量來確定灌溉時(shí)間的情況并不少見。但是，很難確定水是否存在問題。在這個(gè)來自馬鈴薯種田的例子中，這些粉質(zhì)壤土中的傳感器似乎沒有顯示任何可用水問題。這些是在同一地點(diǎn)的測量值！在夏季的大部分時(shí)間里，一些地點(diǎn)仍處于壓力范圍內(nèi)。在這種特定情況下，經(jīng)理沒有意識(shí)到問題，甚至建議（沒有看到現(xiàn)場）傳感器可能有問題。我們訪問了現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)傳感器是正確的。他現(xiàn)在安裝了許多土壤水勢傳感器，并在進(jìn)行任何其他測量以優(yōu)化灌溉管理之前信任它們。土壤水勢是查看水是否在植物舒適范圍內(nèi)的好方法。盡管含水量相對較高，但三個(gè)測量點(diǎn)在相同位置清楚地顯示出壓力。土壤水勢是衡量土壤與水保持緊密程度的指標(biāo)。如果水勢（或張力）太強(qiáng)，植物將無法獲得水。

如何結(jié)合含水量和土壤水勢進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉管理
雖然個(gè)例子中的經(jīng)理最終只是利用水勢進(jìn)行灌溉管理，但他也有幸在重土上工作。讓我們再看一個(gè)例子。運(yùn)動(dòng)場中種植的高性能草坪的根部區(qū)域內(nèi)和下方安裝了傳感器。它讓我們有機(jī)會(huì)了解我們?nèi)绾翁幚砘谌諝v的灌溉與傳感器控制的灌溉。我們將整個(gè)夏季的評(píng)估分為三個(gè)時(shí)期：基于日歷的標(biāo)準(zhǔn)灌溉、固定干燥期（基于土壤水勢），最后是干燥期。接下來的三幅圖將詳細(xì)顯示每個(gè)測試的數(shù)據(jù)。用于灌溉圖的土壤濕度傳感器，將水勢和含水量結(jié)合在一起是一個(gè)強(qiáng)大的工具。該草坪研究站點(diǎn)顯示了三個(gè)不同的處理時(shí)期及其在用水和壓力方面的趨勢。接下來的三幅圖將詳細(xì)介紹這些治療期。這塊特定草坪的根區(qū)大約為15厘米，因此我們分別在6厘米和15厘米處安裝了含水量和張力傳感器，在25厘米處安裝了單個(gè)含水量傳感器，以查看哪些水被沖刷到根部之外并被浪費(fèi)掉。使用含水量來確定您的“滿”點(diǎn)，我們知道日歷灌溉會(huì)導(dǎo)致過度灌溉。用于灌溉管理的土壤水分圖，在這種草坪草的沙質(zhì)土壤中，可以在含水量信號(hào)中清楚地看到每個(gè)基于日歷的灌溉事件。施加了如此多的水，以至于25厘米傳感器顯示水有規(guī)律地增加，即使沒有根達(dá)到那個(gè)深度。水勢傳感器沒有變化表明土壤接近飽和。

土壤水勢停留在0kPa附近（是的，您可能會(huì)超出舒適區(qū)并導(dǎo)致問題）。每次灌溉事件都會(huì)使根區(qū)（25厘米）以下的含水量增加。顯然，我們需要回?fù)堋Ｎ覀兊哪繕?biāo)是使張力處于范圍（-20至-100kPa）并保持25cm的含水量平坦。傳感器驅(qū)動(dòng)管理生成灌溉制度圖，傳感器驅(qū)動(dòng)的管理生成了灌溉制度，可以看出，在7月20日，當(dāng)水勢恢復(fù)到范圍時(shí)，25厘米傳感器的含水量沒有增加。仔細(xì)觀察傳感器輸出，我們朝著灌溉方向發(fā)展，就像您在固定干燥期制度中看到的那樣。在7月20日，我們的灌溉量剛好足以將土壤水勢恢復(fù)到植物的范圍，同時(shí)不會(huì)使25厘米的含水量飆升。因此，我們沒有在根區(qū)以下失去水分。您甚至可以看到水含量中的那些根在6厘米和15厘米處每天吸收的水。當(dāng)我們灌溉并將張力恢復(fù)到舒適范圍并且沒有導(dǎo)致25cm的含水量增加時(shí)，這是的高水平。我們使用6cm含水量傳感器告訴我們灌溉的全點(diǎn)。在這種特殊的土壤中，您可以看到它的含水量約為15%。

使用土壤水勢確定“空”點(diǎn)
相反，我們的“空”點(diǎn)是使用土壤水勢確定的。九月，我們讓水下降，直到植物不再吸水為止。限制灌溉以確定草坪吸水的下限。在這里，直到9月4日土壤變得太干而無法提取大量水分時(shí)，可以清楚地看到每日吸水量。這與-500kPa的較低生存水勢相吻合。25厘米的水含量沒有移動(dòng)，這很好。9月5日，在6厘米處，草坪停止吸水（沒有每日下降）。由于土壤水勢太高，植物無法從土壤中吸取水分。當(dāng)吸水停止時(shí)，假設(shè)不是因?yàn)殛幪欤ㄊ聦?shí)并非如此），我們知道這是土壤水勢的或“空”點(diǎn)，草將進(jìn)入休眠狀態(tài)(-500kPa).這是我們永遠(yuǎn)不想接近的范圍。我們希望將植物保持在-20到-100kPa的舒適范圍內(nèi)。如果它低于范圍，我們知道是時(shí)候澆水了。如何確定灌溉制度
當(dāng)我們將這兩個(gè)測量值放在一起時(shí)，發(fā)生了一些強(qiáng)大的事情。結(jié)合土壤中的水量（含水量）和土壤水勢，我們可以計(jì)算出水包絡(luò)線——從空到滿所需的水量——或應(yīng)該施用于這種草坪草的水量.

用于灌溉管理的土壤水分釋放曲線
同時(shí)測量含水量和水勢會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的工具：土壤水分釋放曲線。對于草坪試驗(yàn)，藍(lán)色陰影區(qū)域顯示可用水的范圍和有多少水。如果您知道您的根有多深（在這種草坪草中為15厘米），那么簡單的計(jì)算將顯示在任何時(shí)間可以施加的水量（12毫米）。使用一個(gè)滿桶來說明這個(gè)概念，以顯示應(yīng)該施用于土壤的水量。再多就是跑過“桶頂”，和肥料等一起浪費(fèi)掉。空桶（我們不想靠近這個(gè)點(diǎn)）是對應(yīng)于張力的土壤含水量中的-500kPa，其中植物無法獲得更多水；相關(guān)水含量為8%。水包絡(luò)將是（含水量差異）*（生根深度），或者在這種情況下（16%–8%）*0.15m=12mm的灌溉水。12毫米的水將是應(yīng)施用于草坪草的水量。但是，為了獲得性能，我們只想降到-100kPa。在這種特殊的土壤中，這將是大約12%VWC（體積含水量）或4%VWC的變化和6毫米水的灌溉。因此，除了僅查看舒適范圍之外，我們還可以調(diào)高將其從范圍的底部移動(dòng)到頂部所需的水量。

灌溉管理——簡化
為灌溉管理測量水勢和含水量可以節(jié)省您的時(shí)間和金錢。為什么？因?yàn)樗鼮槟峁┝苏_的信息。回到小屋的比喻，我們不知道我們是否會(huì)因?yàn)橹牢覀冊诨鹬刑砑恿硕嗌僭径谖覀兊男∥堇锔械绞孢m。同樣，僅通過知道有多少水或含水量，我們也不會(huì)知道土壤是否處于植物生長的濕度。土壤水勢與土壤含水量相結(jié)合，為我們提供精確的滿點(diǎn)和空點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)性能。當(dāng)水勢下降到作物舒適區(qū)或范圍之外時(shí)，我們知道我們需要加水。我們確切地知道要添加多少水。這兩個(gè)測量組合是強(qiáng)大的工具，可用于的水和養(yǎng)分管理——不會(huì)因過度灌溉造成的問題而浪費(fèi)時(shí)間和金錢。