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灌溉管理--为什么正确灌溉比想象中容易

几年前，我们接到一对科学家夫妇（布莱恩-霍普金斯博士和尼尔-汉森博士）的灌溉管理电话，内容是他们与杨百翰大学（BYU）的认证运动场经理及其草坪研究和教育项目合作种植的运动草坪。他们希望通过灌溉控制器故障等挑战性情况来优化草坪性能。我们一起开始深入研究根区的水分。

随着我们对灌溉和性能数据的不断收集，我们发现了管理草坪草和其他作物灌溉的新的关键最佳实践，包括测量 "土壤水势"。我们将土壤水势传感器与传统的土壤含水量传感器结合在一起，从而减少了保持草坪高生长性能所需的工作量，同时节约了水成本，减少了潜在的病害和通气不良。我们还通过最大限度地减少因浇水过多而造成的根区沥滤损失，降低了施肥成本。

通过以土壤水分为主导的灌溉管理，提高任何作物的产量、质量和利润

在本文中，我们将使用草坪草和马铃薯来展示如何将水势传感器和含水量传感器的数据结合起来，但这些最佳做法适用于灌溉科学家、农艺师、作物顾问、户外种植者或温室种植者种植的任何类型的作物。一位爱达荷州的马铃薯种植者通过在含水量传感器上添加水势传感器，将用水量减少了38%。这降低了每 100 磅马铃薯的用水成本（抽水成本），在一年内为他节省了 13,000 美元。 但这还不是最好的部分。他的产量提高了 8%，作物质量也得到了改善--他通常看到的腐烂现象几乎消失了。

什么是土壤水势？

简单地说，土壤水势是对土壤中水的能量状态的测量。它有一个复杂的科学定义，但要有效利用它，并不一定要了解什么是土壤水势。把它想象成一种植物温度计，可以显示 "植物舒适度"--就像人体温度计显示人体舒适度（和健康状况）一样。下面的比喻从优化灌溉的角度解释了土壤水势的概念。

两个孩子玩了一个下午的雪橇后，艰难地走回冰冷的小木屋。他们急忙生火取暖，并把自己烤干。他们不断地添加木头，以便能烤得更舒服，但很快木屋里就闷热起来。为了降温，他们让火熄灭，很快就冻得瑟瑟发抖。显然，他们对木屋里取暖和所需原木的 "数量 "缺乏基本的了解。

19 世纪末，威斯康星州一位名叫沃伦-约翰逊（Warren S. Johnson）的教授也遇到过类似的问题。找看门人给楼下的火炉添煤，让他的学生感到舒适，是一件既不精确又费时的工作。他本可以试着计算每块煤含有多少热量、房间的大小以及已有多少热量。但他却发明了一种叫做恒温器的简单装置。这项发明利用温度和地下室的电铃来提醒看门人，当房间温度低于最舒适的温度范围时，就可以添加更多的煤。恒温器成为江森自控的主要产品，这家公司至今仍然存在。

管理土壤水以促进植物生长与这些故事有许多相似之处。人们在管理灌溉用水时，通常会意识到植物正在挣扎，于是加水让它恢复舒适。问题是，就像小木屋里的男孩一样，他们加了太多的水，因为他们不知道上限在哪里，也不知道 "多少 "水才是足够的。然后，他们又让土壤变得干涸。如此循环往复。在其他情况下，他们害怕出现褐斑，让土壤接近饱和状态，这样既浪费水又对植物有害。许多灌溉者认为安装一个土壤含水量传感器就能解决这个问题，但他们错了。这种做法与火上浇油有类似的问题。

含水量传感器只能告诉您土壤中 "有多少 "水。它并不能告诉你这个水量对植物来说是否最合适。而土壤水势传感器则能提供这一信息。通过水势传感器，您可以测量一个参数，该参数与温度一样，可以告诉您土壤中水的能量，或者植物可以利用多少土壤水。

了解土壤水势比想象中容易

每个人都熟悉温度。我们经常检查温度以做出决策，但在此过程中，我们很少（如果有的话）考虑温度作为系统能量状态的复杂定义。我们只知道它对我们的舒适度意味着什么。我们了解单位（度），却不知道它们是如何与热力学第三定律联系在一起的。

土壤水势是植物压力指标

由于我们经常与马铃薯种植者合作优化灌溉管理，我们将用马铃薯灌溉数据来说明这一点，但同样的原则也适用于草坪草和其他作物。图2显示了一块40公顷的田地中六个不同地点的马铃薯产量。显然，马铃薯植株在压力范围内（低于-100千帕）停留的时间越长，产量损失就越大。

这一概念同样适用于所有植物。显然，草坪草的目标是一个一致、健壮、稳定、美观的运动场地（而不是产量），但概念是相同的。将草坪草管理在其水分舒适区内，通过提供适当平衡的根区水分和空气，使植物更健康。它还能最大限度地减少病害，保存养分。同时还能节约用水，提高比赛场地的质量。其他作物也是如此：将植物保持在最佳生长区域内，植物会更健康，这意味着更高的质量和产量。面对当今严峻的淡水形势，这些都是有助于保护水资源的有力工具。

土壤水势是否难以测量？

有些人不愿意将土壤水分潜力用于灌溉管理，因为从历史上看，土壤水分潜力很难测量。但现在已不再如此。多年来，人们发明了许多测量土壤水势的设备，但这些设备普遍存在不准确、可重复性差、寿命短等问题。但与大多数技术一样，技术的进步已经克服了其中的许多问题。我们已经在草坪和其他作物上安装了这些新一代传感器，并从中获益良多。

仅利用土壤水势就能控制灌溉吗？

所有植物的表现或行为都与土壤水势密切相关。为什么不直接测量土壤水势来控制灌溉呢？设置恒温器温度时也是如此。它不会告诉你加热或制冷需要多少能量，但通过设置温度阈值，你知道自己会感到舒适。您能在土壤中做同样的事情吗？可以，您只需将水开足够长的时间，使水势回到舒适范围的顶端；这是常用的方法。

不过，也有一些潜在的问题。首先，您可能不希望在传感器确定需要灌溉的确切时间进行灌溉（比如在比赛中间或蒸发条件较高时）。其次，有些土壤在施水和水势恢复到 "舒适 "状态之间可能会有一段滞后期，因此了解用水量对知道施水多少会有帮助。这就是为什么要测量含水量和水势，以优化灌溉管理。

为什么仅凭含水量不能告诉您何时灌溉？

由于土壤中的含水量更容易测量，很多人都用它来安排灌溉，但有时也会让他们摸不着头脑。为了了解原因，让我们来看看在田间收集到的一些数据。如果图表看起来很复杂，不用担心。我们将解释哪些是需要重点关注的。

请看图 5 中常规喷灌条件下土壤含水量的变化趋势。由于整个夏季的含水量只下降了 3%，您可能会得出结论，在这种土壤中生长的植物没有受到压力。你甚至可以通过观察含水量有多高（近 30% 或更高）来证明这一结论的正确性。但请记住，就像你无法知道需要多少原木才能保持温暖一样，在没有更多信息的情况下，你也无法知道植物需要 "多少 "水来保持舒适。

请看图 6 中的土壤水势。这是同一地点的测量结果！有些地点在夏季的大部分时间都处于应力范围内。在这个具体案例中，负责人并没有意识到问题所在，甚至（在没有看到现场的情况下）暗示传感器可能有问题。我们实地考察后发现传感器没有问题。现在，他安装了许多土壤水势传感器，在优化灌溉管理方面，他对传感器的信任胜过其他任何测量方法。

土壤水势是衡量土壤对水分的紧握程度。如果水势（或张力）过强，植物就无法获得水分。从图 6 中很容易看出压力状况，但在含水量（图 5）中并不明显。

如何结合含水量和土壤水势进行精准灌溉管理

虽然上一个例子中的管理者最终只是将水势用于灌溉管理，但他也有耕作厚土的奢望。让我们来看另一个例子。我们在 ASTM 规格（F2396 - 11）的沙基运动场上种植的高性能草坪的根部及以下区域安装了传感器。这让我们有机会了解日历灌溉与传感器控制灌溉的对比情况。

我们将整个夏季的评估分为三个时期（如图 7 所示）：标准日历灌溉期、固定干燥期（基于土壤水势）和极端干燥期。接下来的三幅图将详细展示每项测试的数据。

这种草坪草的根部区域约为 15 厘米，因此我们在 6 厘米和 15 厘米处分别安装了含水量和张力传感器，并在 25 厘米处安装了一个含水量传感器，以了解有哪些水被冲到根部以外而被浪费掉了。

使用含水量确定 "满 "点

当我们开始查看图 8 中的数据时，我们知道日历灌溉导致了过度灌溉。

土壤水势停留在 0 千帕附近（是的，你可以高于舒适区，但也会造成问题）。每次灌溉都会导致根区以下（25 厘米）的含水量骤增。很明显，我们需要回调。我们的目标是将张力控制在最佳范围内（-20 到 -100 千帕），并保持 25 厘米的含水量不变。

通过仔细观察传感器的输出，我们逐渐实现了最佳灌溉，就像您在固定干燥期制度中看到的那样。图 9 显示，7 月 20 日，我们的灌溉量刚好能使土壤水势恢复到植物生长所需的最佳范围，同时又不会使 25 厘米的含水量过高。因此，我们在根区以下没有失水。你甚至可以从含水量中看到这些根系每天在 6 厘米和 15 厘米处的吸水情况。当我们灌溉后，张力恢复到舒适范围内，并且没有导致 25 厘米含水量增加时，这就是最佳高位。我们使用 6 厘米含水量传感器来告诉我们灌溉的满点。在这种土壤中，你可以看到含水量约为 15%。

利用土壤水势确定 "空 "点

相反，我们的 "空 "点是根据土壤水势确定的。九月份，我们让水往下流，直到植物不再吸收为止。

在图 10 中，25 厘米处的含水量没有变化，这很好。9 月 5 日，在 6 厘米处，草坪草停止吸水（没有日降水量）。由于土壤水势过高，植物无法从土壤中获得水分。当吸水停止时，假设不是因为阴天（事实并非如此），我们知道这是土壤水势的最高水平或 "空 "点，草会在此进入休眠状态（-500 千帕）。这是我们永远不想接近的范围。我们希望让植物保持在 -20 至 -100 千帕的舒适范围内。如果低于最佳范围，我们就知道该浇水了。

如何确定最佳灌溉制度

当我们把这两项测量结果结合在一起时（图 11），一些强大的事情发生了。将土壤中的含水量（含水率）和土壤水势结合起来，我们就能计算出水包络线--从空水量到满水量所需的水量，或者说该草坪草的最大用水量。

图 11 用一个装满水的水桶说明了这一概念，显示了应该施到土壤中的最大水量。任何超过这个量的水都会溢出 "桶顶"，与肥料等一起被浪费掉。空桶（我们不想接近这一点）是图 10 中-500 kPa 张力对应的土壤含水量，此时植物无法获得更多水分；相关含水量为 8%。水包络线为（含水量差值）*（根系深度），在本例中为（16% - 8%）* 0.15 米 = 12 毫米灌溉水。

12 毫米的水量是施加到草坪上的最大水量。但是，为了达到最佳效果，我们只希望降到 -100 千帕。在这种特殊土壤中，VWC（体积含水量）约为 12%，或 VWC 变化 4%，灌溉水量为 6 毫米。因此，除了看到舒适度范围外，我们还可以调节将其从最佳范围底部移至顶部所需的水量。

灌溉管理--简化

在灌溉管理中测量水势和含水量可节省时间和金钱。 为什么？因为它能为您提供正确的信息。回到小木屋的比喻，我们不可能只知道往火堆里加了多少原木，就知道我们在小木屋里是否舒适。同样，光知道土壤里有多少水或含水量，我们也无法知道土壤是否处于植物生长的最佳湿度。土壤水势与土壤含水量相结合，可以为我们提供精确的满水点和空水点，从而达到最佳效果。当水势下降到作物舒适区或最佳范围之外时，我们就知道需要加水。而且，我们还能准确知道需要加多少水。这两项测量结果结合起来就是强大的工具，可以用来完善水分和养分管理，而不会因为过度灌溉造成的问题而浪费时间和金钱。

想了解有关灌溉管理的更多信息？

观看我们的灌溉管理网络研讨会，或科林-坎贝尔博士和布莱恩-霍普金博士最近的草坪管理网络研讨会，或与灌溉专家交谈。我们的土壤学家在帮助研究人员和灌溉人员测量土壤湿度以优化灌溉方面拥有数十年的经验。

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