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灌溉水管理系统的目标是让作物健康生长，获得最佳产量和性能。实现精准农业战略的方法是利用测量工具在浇水过多和浇水过少之间找到完美平衡。然而，在现实中，我们经常会看到用水量增加、养分利用率降低、杂草压力增大以及劳动量增加。为什么会这样？因为我们在不知不觉中造成了我们想要避免的情况。本文将探讨如何避免这些陷阱，同时最大限度地减少用水、化肥、劳动力和除草剂。让我们先来探讨几个水系统不平衡的例子。

实例 #1 - 足球草坪

几年前，在 METER，我们曾有机会将传感器放置在一个湿滑地形的运动场上。运动场上经常积水，给草坪的美化管理带来困难，也给运动员带来危险。草皮覆盖在 12 英寸厚的 ASTM 标准土壤层上，即使在大雨过后，也能保持草皮的美观、可运动性和安全性。我们的目标是优化投入，减少入侵杂草的压力。在这片足球场上，入侵草 Poa 是最大的问题。

图 1 和图 2 代表在足球场两端采集的样本。它们都显示了土壤含水量的递减，所有含水量测量值都过高，尤其是 2 英寸深度，而这正是这种草皮的根部区域。

这片土壤的孔隙水电连通性（_ECp）也很低，这表明田地两端的土壤都缺乏营养。经检查，我们发现草皮有以下问题

• 养分供应量低--限制了树冠的绿度
• 过多的水--使一年生蓝草（Poa）比多年生蓝草更受欢迎，形成较弱的土壤结构
• 根系较浅--因为根系不需要伸得很远就能获得所需的水分

我们将在本文后面探讨这种情况的解决方案。现在，让我们来看看第二种不平衡的灌溉水管理方案。

示例 #2 - 户外大麻

下图显示了室外大麻田的土壤含水量测量结果。灌溉田的设置非常理想，从温室移植过来的植物之间的间距为一米，每行之间的间距为两米。在淤泥土壤上方的黑色塑料地膜下安装了开放式滴灌系统，传感器分别埋在 15 厘米、30 厘米和 60 厘米处。这一年的春夏两季炎热干燥，系统的土壤潜存水分有限，但在播种前对土壤进行了灌溉，使土壤湿润到 60 厘米的监测深度。周边安装的安全围栏可能造成了微气候。

图 3 说明，如果要有效地管理水分，仅仅检查土壤含水量是不够的。你可以看到，这片土壤并没有发生什么特别的事情。含水量保持在一个相当均匀的水平，但这并不能说明问题。

尽管土壤含水量看似最佳，但作物结果却不尽如人意。与测量条件下的预期产量相比，作物产生的生物量非常少。为了弄清土壤中发生了什么，科林-坎贝尔博士对灌溉管理系统进行了一些计算，并与蒸散量进行了比较。灌溉系统每小时灌溉约 0.4 毫米，每天灌溉两到三个周期。种植者甚至查看了黑色塑料地膜下的土壤，发现土壤不仅湿润，而且泥泞不堪，因此他们认为问题不在于施水量。但他们错了。当年的产量比预期的要低得多。

灌溉水良好管理的愿景

要正确灌溉，就必须知道何时开水，何时关水。理论上，这是一个简单的概念。实际上，计算何时需要开水和何时需要关水变得相当复杂。要计算这一点，您必须知道三个问题的答案：

1. 作物的用水量是多少？
2. 目前土壤中的可用水量是多少？
3. 您可以使用的总水量是多少？

让我们来看看使用哪些工具来回答这些问题。

3 个问题-3 种不同的工具

要确定植物每天的用水量，需要计算蒸腾量。知道植物每天损失多少水，就能知道它必须摄入多少水。要确定土壤中的水分是否最适合植物生长，就必须计算土壤水势。就像无论房间大小，温度都能显示人的热舒适度一样，无论土壤类型如何，水势都能确定植物是否能从土壤中汲取水分。最后，要了解植物可以自由吸收多少水分，需要了解土壤水分释放曲线。该曲线是水势和含水量之间的关系，它定义了植物可利用的水分范围。

工具 1 - 蒸散作用

在之前与 Campbell Scientific 的网络研讨会上，我们详细讨论了蒸散量（或 ET），但就本应用而言，计算蒸散量只需要知道几件事。在系统中，太阳辐射进入，热量以温度和水蒸气损失的形式排出，同时系统中还存在其他交换，这就是质量和能量交换的关系。我们可以用方程来解决这个问题。

图 4 顶部显示的是用于计算蒸散量的彭曼-蒙蒂斯方程。该方程利用系统内的其他能量交换来确定因蒸发和蒸腾而损失的水量。遗憾的是，我们不能很好地直接测量蒸散量，而是根据作物系数来计算。计算出系统的蒸散量后，就可以利用该值来安排灌溉。

计算参考蒸散发

"但怎么做呢？"这是我们经常被问到的问题。"这是一个很长很长的单词，还有一个很长很长的等式。我要它干什么？"实际上，要计算蒸散发，您只需要知道在您的地点测量到的太阳辐射量、风速、温度和相对湿度。放置在现场的 METERATMOS 41或ATMOS 41W一体式气象站等仪器可以测量所有这些指标及更多指标，从而使蒸散量计算变得更加容易。计算出蒸散量后，您就可以了解系统中损失了多少水，从而知道需要通过灌溉补充多少水。

以之前的室外大麻为例，我们可以利用图 6 了解基于参考作物系数的参考蒸散发（_ETo）计算。

图 6 显示的数字说明了参照作物每天的失水量。虽然大麻不是用作参照作物的 12 厘米高的浇水良好的草，但随着它在整个季节的生长，它实际上模仿了这种草冠。就室外大麻作物而言，即使在季节末期进行测量，田间的浇水量也严重不足，因此作物的表现严重不佳。

参考文献 ET 的问题

依赖参考 ET 的问题在于，它只能向你展示图片的一部分。最简单的解释方法就是想象一辆汽车在路上行驶。参考 ET 将帮助您保持一个方向行驶，但您却不知道自己是开错了路、开对了路，还是开过了沟渠。它能让你保持非常一致，但却不能给你真正了解自己所处位置的参考点。

让我们重温一下运动草坪的例子，以便更好地理解这一点。该足球场由本地淤泥质壤土构成，灌溉仅由_ETo 控制。

图 7 显示了练习场的土壤含水量，显示了显著的一致性。灌溉人员每天都设法使土壤含水量恢复到相同点。因此，通过监测含水量，他们可以保持土壤含水量的一致性，就像汽车朝一个方向行驶一样。从这些信息中，我们并不知道这个方向是否正确。如果你仔细观察图表，你会看到黄色的线，最深的传感器在 12 英寸处，远低于根部水平。这条线在 7 月 5 日和 7 月 14 日至 16 日出现波动。这表明在这段时间里，田里的水可能过多了，但并没有告诉我们过多了多少。

工具 #2 - 土壤水分潜力

了解土壤的含水量至关重要，但这并不能说明问题的全部。要了解土壤含水量，还必须了解土壤水势。水势一开始可能会让人望而生畏。因此，我们举办了多次有关该主题的网络研讨会，包括水势 101、水势 201、水势 301 和水势 401。但要使用水势，您不必了解各个方面的来龙去脉。同样，您不必了解华氏度表是如何计算的，就能知道什么温度让您感觉舒适，而对于水势，您只需知道您的植物在水势表（通常是千帕表）内各点的舒适度。使用TEROS 21 等仪器可以轻松计算土壤水势。

土壤水势的计算可以回答 "是否有水 "的问题。理想情况下，土壤中的水分应保持在最佳水平，这样植物才能茁壮成长。水势是一种可测量的方法，用来描述植物从土壤中汲取水分的难易程度。

如何知道特定作物的最佳水量？我们之前讨论过的温度比较可以帮助我们理解这一概念。温度定义的是人体舒适度，而不是热含量。热含量是房间中的热量。温度是室内热量的能量状态。因此，温度决定了房间内的舒适度。

土壤水势通过定义植物的舒适度来为植物提供同样的功能。含水量是指土壤中植物可利用的水分含量。水势是植物根区的水分 "温度计"，可以确定土壤中的水分是否能被植物利用，与土壤类型无关。

结合蒸_散发潜能值和水位

_蒸散发系数和水势都是了解土壤-植物-水相互作用的重要组成部分，但单独使用它们只能发挥一半的作用。结合_ETo和水势，可以根据经验确定植物是否拥有最佳水量。就像开车的例子一样，含水量确定了我们前进的方向，而水势则告诉我们这是否是我们想要前进的方向。

图 9 展示了将含水量和水势测量结果应用于运动草坪实例时的情况。水势所定义的绿色区域是草坪草能够从土壤中汲取水分的范围。将含水量测量值叠加到水势图上，情况就一目了然了。这片草地的含水量虽然一致，但始终过高。就像插图中的服务员一样，你正在继续给一个杯子注水，而这个杯子所能容纳的水量已经超过了它的最大值。

结合含水量和电位的力量

为了巩固同步进行两种测量的重要性，让我们再来看几个例子。我们使用水势传感器进行的首次实验就说明了这一重要性。我们在爱达荷州格雷斯的一块马铃薯田里安装了设备，选择使用TEROS 11 传感器 测量含水量，使用TEROS 21 传感器 测量土壤水势。

图 10 显示了两幅图，上图是马铃薯田的含水量，下图显示了水势。含水量图在整个季节中变化不大，没有显示出任何形式的问题或困扰。然而，水势（图 10 中称为母水势）在三个传感器中保持在最佳范围内，但其他三个传感器则开始下降到受压和永久枯萎范围内。

由于在这次实验中，有 3 个传感器的水势数字出现了下降，我们通知农民应该在这些区域增加水量。农民到这些地方挖了挖，发现有水，于是认定数据或传感器一定有问题。虽然我们力求每件产品都准确无误，但我们也承认，设备故障可能是一个有效的答案，也可能是安装不正确。但是，当我们将每个地点的产量与测量到的这些地点处于压力下的天数进行比较时，数据清楚地说明了问题所在。

季节结束后，我们整理了数据，并向农民展示了一个非常有趣的相关性。数据显示，产量低的地点与压力天数高的地点之间存在很强的相关性。这对农民来说是一个重大的 "啊哈 "时刻。他的下一步是在所有田地里安装含水量和水势传感器。从那时起，这位农民的灌溉水管理策略发生了翻天覆地的变化，产量持续增加，现在他已经知道了。

在爱达荷州雷克斯堡马铃薯农场的另一个例子中，_ETo和含水量的测量结果如下图所示。

图 12 显示，_ETO和浇水事件之间的吻合度相当高。如果这是参照作物，那么所提供的水量应该相当准确。不过，由于这些马铃薯不是 12 厘米高的井水草，我们无法确定这种浇水模式在该系统中是否最佳。

图 13 显示了同一时期同一田块的水势测量结果。其中一个传感器（绿线）显示，该地点获得的水量超过了需要量，刚刚超过水势包络线，浪费了资源，还可能冲走土壤中的养分。第二个传感器（橙色线）的深度较低，在水势包络线内，但仍处于水势范围的高端。在此示例中，田间获得的水量超过了需要。种植者提到冠层中水分过多，对产量造成了一定的影响。在该系统中，可以对灌溉管理系统进行微调，使其处于最佳范围内，并在此过程中节约资源。

工具 #3 - 湿度释放曲线

如前所述，水分释放曲线是我们用来回答 "植物可自由获得多少水分 "这一问题的工具。

让我们以汽车在路上行驶为例，来了解水分释放曲线是如何回答这个问题的。如果您的植物生长在淤泥质壤土中，它就像一条车道很宽的马路。当你沿着这条路行驶时，你可以向左或向右蜿蜒，而不会有离开车道的危险。有很大的误差空间来纠正微小的摆动。如果您的工厂在沙地上，那么道路上的车道就会非常狭窄。约束条件非常苛刻，方向盘的微小倾斜都会让你很快陷入危险境地。

水分释放曲线比较了土壤中的含水量和植物可利用的含水量。可以看出，粘土、壤土和砂土的含水量和水势之间的关系非常不同。例如，如图所示，当含水量为 0.2 立方米^/立方米、水势为-100 千帕时，粘土中的植物将超过枯萎点。而壤土则处于最佳范围。如果植物生长在沙土中，水分和养分会直接从土壤中冲刷出来。

随着土壤的干燥，植物越来越难从土壤中汲取水分。水分释放曲线可以描述这种关系，并了解灌溉水管理系统中植物可利用的水量。

几年前，我们在一种壤质沙土中进行了一项研究。研究期间，作物的主人在阵亡将士纪念日的周末回家了，却不知道灌溉系统发生了故障，三天后回来时发现草已经枯死。

图 15 显示，这种土壤中该植物的水势包络非常小。在永久枯萎点（图中右侧）和过饱和点（图中左侧）之间仅有 12 毫米的差距，多余的水分会从土壤中排出。在这种情况下，作物每天需要 6 毫米的水量。在灌溉系统关闭三天的情况下，系统根本无法保留足够的水分，使作物在没有灌溉的这段时间里继续存活。这张图清楚地说明了这块草地在周末三天死亡的原因。

如何使用水分释放曲线

在系统中应用水分释放曲线需要以下四个步骤：

1. 确定水势的上限和下限 - 这取决于所测量的作物和土壤的具体情况
2. 找出水势上限和下限的含水量值
3. 确定植物根区深度 (_Zroot)
4. 将含水量的差值乘以生根深度

最大灌溉量 = (_VWCup-_VWClow)_Zroot

以室外种植大麻为例，计算公式如下：

最大灌水量 = (0.16 - 0.08) x 15 厘米 = 1.2 厘米或 12 毫米

如果您还记得，该研究的含水量测量值和_Eo值相当一致，并没有显示出问题。然而，一旦将这些信息与水势数据结合起来，就更容易发现问题所在了。

由于他们没有注意到这种作物的水势，水势急剧下降到-1500 千帕，即永久枯萎点。虽然还没有对大麻这种植物进行广泛的研究，但它确实会一直从土壤中汲取水分，直至达到枯萎点。不过，长期处于这种状态对植物不利，因为这会迫使植物将所有能量从制造生物质转移到生存上。种植者在八月初看到了这个问题，灌溉过度了一天，没有继续浇水，水势很快又下降了。

应吸取的经验教训

虽然种植者希望从作物中获得最大收益，但在以往情况下可能行之有效的解决方案可能会伤害到他们试图帮助的植物。如果不能全面了解灌溉水管理计划各个方面的需求和后果，他们就不会像希望和期待的那样成功。

这三种工具可以改善植物健康和资源限制。蒸散量是一个很好的开始，但仅靠它还不足以了解灌溉用水管理的全貌。它能让我们的汽车朝着一致的方向行驶，只是我们不知道方向是否正确。将水势与蒸散发系数相结合，可以使灌溉在 "线间 "行驶，但仍不确定在这些线内有多大的回旋余地。增加水分释放曲线可通过定义包络线向我们展示最佳区域的灌水量。

灌溉水管理常见问题

未来可能出现的干旱地区，大面积的蔬菜作物缺乏植物可利用的灌溉用水，怎么办？

正如您在新闻中看到的那样，我们面临着淡水遍地的挑战。我们需要考虑如何继续保持这些资源。去年，化肥价格翻了一番甚至更多，投入、水、化肥和杀虫剂都面临挑战。这不仅仅是一把巨大的锤子，可以把所有这些东西都砸碎。但我们可以在这些因气候变化而变得更加干旱的系统中实现水的平衡。如果我们能进行更好的测量，并将其纳入如何灌溉和改善这些问题的理解中，我们就能更好地理解我们的系统。这些数据应能让我们继续灌溉那些承受着巨大水压的地区。我们需要想办法做到这一点。我们不能抱着这样的心态："嘿，如果植物看起来有点压力，我们就多灌点水"。我们需要利用工具来更多地了解植物以及它们的表现，然后有效地利用这些工具来改进我们的浇水方式，而不是一味地过度浇水。

有可能在实地绘制水分释放曲线吗？

我们上面展示的草坪水包络线信息实际上是我们在现场获得的。我们将TEROS 12含水量传感器和 TEROS 21水势传感器放在一起，并问了自己同样的问题：我们能否在田间建立这种水分包络？我向你们展示的数据并没有涉及这个问题。当然，METER Group 也有一些很酷的仪器，可以在实验室中绘制水势、含水量和水分释放曲线。我们想看看它们之间的比较。正因为如此，我们确实走进了实验室，收集了一些数据。我在例子中没有提到，但有一些实验室数据，它们实际上非常吻合。因此，我们开始与很多不同的人交谈，有趣的是，很多人都有在实验室里尝试我们在野外所能做的事情的想法。总的来说，事情是吻合的。现在，它们可能不匹配吗？会的。为什么？因为我们的根在土壤里。如果你把它带进实验室，这些根可能会变干，我们可能会压实样本，我们可能会让这些传感器靠得不够近，它们可能不会同时做出反应，这是真的，因为水势传感器的反应速度比含水量传感器慢。所以它们可能会有所不同吗？是的。目前我们看到了什么？它们非常接近。

建模与直接测量相比有哪些优缺点？

作为一家致力于创建直接测量工具的公司，有时很难不偏向于直接测量，但显然需要建模并将建模与测量相匹配。本文所讨论的方法与将实地蒸散和土壤水分测量结果与建模以及我们可以从其他测量结果中预测的结果相匹配的方法是一致的。我们面临的一个挑战是，我们在田间的一个或少数几个地点进行测量，但我们并没有测量田间的每一个点。我们确实无法对足够多的地点进行测试，来驱动像变速灌溉系统这样可以在田间任何地点精确灌溉的系统。有时问题出在单一开关的灌溉系统上，如中心枢轴，它在田间以一定的速度运行，即使有数据也无法在田间进行调整。在田间使用水势传感器之类的传感器，即使是在几个深度的一个位置，也能大大提高建模效果。估算水分平衡、添加气候条件、创建水分释放曲线，所有这些工作都需要在田间进行。我们可以利用水分释放曲线创建一种系统模型，但我认为，到实地直接测量水势是我们迄今为止所忽略的，也是我们今后需要考虑的。过去，由于缺乏准确、可靠和经济实惠的工具来进行现场测量，通常的做法是在田间测量含水量并建立水势模型。我们在METER Group 的毕生工作之一就是改变这种状况。

一天中什么时候应该测量水势？

本题需要分别考虑两种不同的水势。一种是植物的水势，另一种是土壤的水势。土壤的昼夜缓冲能力很强。因此，除了在非常干燥的情况下，土壤水势不会有太大的波动。在植物水势中，昼夜之间确实会出现波动。植物的测量值会根据蒸发需求而变化。因此，在测量植物水势时，最好在黎明前进行测量。

如果测量了含水量损失，还需要测量_ETo吗？

对这个问题的回答是：可以，也可以。你当然可以只使用水势传感器和_ETo。这也是我们将其作为工具一和工具二的原因。_ETo可以提供作物系数。有些人很有说服力地认为他们根本不需要_ETo。测量土壤中的含水量和水势应该与_ETo测量的土壤用水量相同，对吗？迄今为止，我们所看到的是，将含水量传感器与水势传感器一起埋入地下，以获得水分释放曲线，这样就能更全面地了解情况。通常情况下，反对意见是认为需要在每块地里都建立气象站，成本太高。在我们的研究中，我们并不认为每块田都需要ATMOS 41。相反，我们在每 15 公里半径范围内使用一个ATMOS 41。然后，您可以使用单个ATMOS 41 获取该地区几块田的_ETo，然后使用该特定田的含水量对计算结果进行微调。

有问题吗？

我们的科学家拥有数十年帮助研究人员和种植者测量土壤-植物-大气连续体的经验。

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