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家的灌溉管理電話，關于他們與大學的認證運動場經理合作種植的運動草坪以及他們的草坪研究和教育計劃。他們希望在具有挑戰性的情況下優化性能，例如灌溉控制器故障等。我們一起開始深入檢查根區的水。
 
天然草坪草
大學的研究人員正在專注于灌溉管理最佳實踐，從而帶來更容易實現的更好結果。隨著我們隨著時間的推移收集灌溉和性能數據，我們發現了管理草坪和其他作物灌溉的新的關鍵最佳實踐，包括測量“土壤水勢”。我們將土壤水勢傳感器與傳統的土壤含水量傳感器相結合，以減少保持草地性能所需的努力，同時節省水費并減少疾病潛力和通風不良。我們還通過最大限度地減少因過度澆水而導致的根區浸出損失來降低施肥成本。通過以土壤水分為主導的灌溉管理，提高任何作物的產量、質量和利潤。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行灌溉，但這些最佳實踐適用于灌溉科學家、農學家、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，在一年內為他節省了13,000美元。但這還不是最好的部分。他的產量增加了8%，他的作物質量得到了改善——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的量度。它有一個復雜的科學定義，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——就像人體溫度計指示人體舒適度（和健康）一樣。這是一個類比，從優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，當人們管理灌溉用水時，他們會意識到植物正在掙扎，并加水以使其再次舒適。問題是，就像機艙里的男孩子一樣，他們加水太多，因為他們不知道上限在哪里或“多少”水就足夠了。然后他們讓土壤再次變干，達到干涸的程度。這個循環一遍又一遍地重復。在其他情況下，它們非常害怕褐斑，它們使土壤接近飽和，這既浪費水又對植物有害。許多灌溉者認為安裝土壤含水量傳感器可以解決這個問題，但他們錯了。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。它無法告訴您該數量是否最適合植物。土壤水勢傳感器將為您提供該信息。使用水勢，您可以測量一個參數，例如溫度，它會告訴您土壤中水的能量，或者有多少土壤水可供植物使用。
 
土壤水勢是一個不太熟悉的術語，它定義了土壤中水的能量狀態，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。有些人拒絕使用水勢，因為這很難理解。雖然它的定義很復雜，但植物的“舒適范圍”已經確立。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。該表給出了包括草在內的各種作物的最佳范圍。（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，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”。根據我們的經驗，緊密修剪的草坪草的最佳舒適度范圍在-20到-100kPa之間。
 
土壤水勢是植物脅迫指標
因為我們經常與馬鈴薯種植者合作優化灌溉管理，所以我們將用馬鈴薯灌溉數據說明這一點，但同樣的原則也適用于草坪草和其他作物。顯示了40公頃土地中六個不同地點的馬鈴薯產量。顯然，馬鈴薯植物在壓力范圍內（低于-100kPa）停留的時間越長，產量損失就越大。這個相同的概念適用于所有植物。顯然，草坪草的目標是營造一個一致、穩健、穩定的運動場，看起來很棒（而不是產量），但概念是相同的。在其水舒適區管理草坪草將通過提供根區水和空氣的適當平衡來使植物更健康。它還可以最大限度地減少疾病并保留營養。它可以節約用水并提高比賽場地的質量。其他作物也是如此：將植物保持在最佳區域內會產生更健康的植物，這意味著更高的質量和產量。在當今充滿挑戰的淡水形勢下，這些是幫助保護的有力工具。
 
土壤水勢很難測量嗎？
有些人拒絕使用土壤水潛力進行灌溉管理，因為從歷史上看，這很難衡量。但這不再是事實。多年來，人們創造了許多設備來測量土壤水勢，但普遍存在諸如不準確、可重復性差和令人失望的壽命等問題。但與大多數技術一樣，進步已經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系。為什么不直接測量土壤水勢來控制灌溉？設置恒溫器溫度時，您也做同樣的事情。它不會告訴您加熱或冷卻需要多少能量，但通過設置溫度閾值，您知道自己會感到舒適。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間，使水勢恢復到舒適范圍的頂部；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間進行灌溉（例如在比賽中途或蒸發條件高時）。其次，有些土壤在您施水和水勢恢復到“舒適”之間可能會經歷一段滯后時間，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，以實現最佳灌溉管理。
 
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進行灌溉？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，但有時會使他們處于黑暗中。要了解原因，讓我們看一下在該領域收集的一些數據。如果圖表看起來很復雜，請不要擔心。我們將解釋什么是重要的關注點。常規噴灌條件下的土壤含水量趨勢。由于整個夏季的含水量僅下降3%，因此您可能會得出結論，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間的情況并不少見。但是，很難確定水是否存在問題。在這個來自馬鈴薯種田的例子中，這些粉質壤土中的傳感器似乎沒有顯示任何可用水問題。這些是在同一地點的測量值！在夏季的大部分時間里，一些地點仍處于壓力范圍內。在這種特定情況下，經理沒有意識到問題，甚至建議（沒有看到現場）傳感器可能有問題。我們訪問了現場，發現傳感器是正確的。他現在安裝了許多土壤水勢傳感器，并在進行任何其他測量以優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的好方法。盡管含水量相對較高，但三個測量點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。如果水勢（或張力）太強，植物將無法獲得水。
 
如何結合含水量和土壤水勢進行精準灌溉管理
雖然最后一個例子中的經理最終只是利用水勢進行灌溉管理，但他也有幸在重土上工作。讓我們再看一個例子。運動場中種植的高性能草坪的根部區域內和下方安裝了傳感器。它讓我們有機會了解我們如何處理基于日歷的灌溉與傳感器控制的灌溉。我們將整個夏季的評估分為三個時期：基于日歷的標準灌溉、固定干燥期（基于土壤水勢），最后是極端干燥期。接下來的三幅圖將詳細顯示每個測試的數據。用于灌溉圖的土壤濕度傳感器，將水勢和含水量結合在一起是一個強大的工具。該草坪研究站點顯示了三個不同的處理時期及其在用水和壓力方面的趨勢。接下來的三幅圖將詳細介紹這些治療期。這塊特定草坪的根區大約為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厘米處安裝了單個含水量傳感器，以查看哪些水被沖刷到根部之外并被浪費掉。使用含水量來確定您的“滿”點，我們知道日歷灌溉會導致過度灌溉。用于灌溉管理的土壤水分圖，在這種草坪草的沙質土壤中，可以在含水量信號中清楚地看到每個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律地增加，即使沒有根達到那個深度。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，您可能會超出舒適區并導致問題）。每次灌溉事件都會使根區（25厘米）以下的含水量增加。顯然，我們需要回撥。我們的目標是使張力處于最佳范圍（-20至-100kPa）并保持25cm的含水量平坦。傳感器驅動管理生成最佳灌溉制度圖，傳感器驅動的管理生成了最佳灌溉制度，可以看出，在7月20日，當水勢恢復到最佳范圍時，25厘米傳感器的含水量沒有增加。仔細觀察傳感器輸出，我們朝著最佳灌溉方向發展，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到植物的最佳范圍，同時不會使25厘米的含水量飆升。因此，我們沒有在根區以下失去水分。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。當我們灌溉并將張力恢復到舒適范圍并且沒有導致25cm的含水量增加時，這是最佳的高水平。我們使用6cm含水量傳感器告訴我們灌溉的全點。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
相反，我們的“空”點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，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，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。當吸水停止時，假設不是因為陰天（事實并非如此），我們知道這是土壤水勢的最高水平或“空”點，草將進入休眠狀態(-500kPa).這是我們永遠不想接近的范圍。我們希望將植物保持在-20到-100kPa的舒適范圍內。如果它低于最佳范圍，我們知道是時候澆水了。 如何確定最佳灌溉制度
當我們將這兩個測量值放在一起時，發生了一些強大的事情。結合土壤中的水量（含水量）和土壤水勢，我們可以計算出水包絡線——從空到滿所需的水量——或應該施用于這種草坪草的最大水量.
 
用于灌溉管理的土壤水分釋放曲線
同時測量含水量和水勢會產生一個強大的工具：土壤水分釋放曲線。對于草坪試驗，藍色陰影區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），那么簡單的計算將顯示在任何時間可以施加的最大水量（12毫米）。使用一個滿桶來說明這個概念，以顯示應該施用于土壤的最大水量。再多就是跑過“桶頂”，和肥料等一起浪費掉。空桶（我們不想靠近這個點）是對應于張力的土壤含水量中的-500kPa，其中植物無法獲得更多水；相關水含量為8%。水包絡將是（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毫米的水將是應施用于草坪草的最大水量。但是，為了獲得最佳性能，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，我們還可以調高將其從最佳范圍的底部移動到頂部所需的水量。
 
灌溉管理——簡化
為灌溉管理測量水勢和含水量可以節省您的時間和金錢。為什么？因為它為您提供了正確的信息。回到小屋的比喻，我們不知道我們是否會因為知道我們在火中添加了多少原木而在我們的小屋里感到舒適。同樣，僅通過知道有多少水或含水量，我們也不會知道土壤是否處于植物生長的最佳濕度。土壤水勢與土壤含水量相結合，為我們提供精確的滿點和空點，以實現最佳性能。當水勢下降到作物舒適區或最佳范圍之外時，我們知道我們需要加水。我們確切地知道要添加多少水。這兩個測量組合是強大的工具，可用于完美的水和養分管理——不會因過度灌溉造成的問題而浪費時間和金錢。