利用土壤水分进行智能灌溉控制管理

灌溉管理：如何解决。为什么它比你想象的要容易
多年前，我们接到了几位科学家的灌溉管理电话，关于他们与大学的认证运动场经理合作种植的运动草坪以及他们的草坪研究和教育计划。他们希望在具有挑战性的情况下优化性能，例如灌溉控制器故障等。我们一起开始深入检查根区的水。
 
天然草坪草
大学的研究人员正在专注于灌溉管理最佳实践，从而带来更容易实现的更好结果。随着我们随着时间的推移收集灌溉和性能数据，我们发现了管理草坪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相结合，以减少保持草地性能所需的努力，同时节省水费并减少疾病潜力和通风不良。我们还通过最大限度地减少因过度浇水而导致的根区浸出损失来降低施肥成本。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。本文使用草坪和马铃薯来展示如何使用水势和含水量传感器进行灌溉，但这些最佳实践适用于灌溉科学家、农学家、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。通过在他的含水量传感器中添加水势传感器，一位马铃薯种植者减少了38%的用水量。这降低了他每100磅的水成本（抽水成本）。土豆，在一年内为他节省了13,000美元。但这还不是最好的部分。他的产量增加了8%，他的作物质量得到了改善——他通常看到的腐烂几乎消失了。
 
什么是土壤水势？
简单来说，土壤水势是土壤中水的能量状态的量度。它有一个复杂的科学定义，但您不必了解土壤水分潜力是什么才能有效地利用它。将其视为一种指示“植物舒适度”的植物温度计——就像人体温度计指示人体舒适度（和健康）一样。这是一个类比，从优化灌溉的角度解释了土壤水势的概念。为植物生长管理土壤水分与这些故事有很多相似之处。通常，当人们管理灌溉用水时，他们会意识到植物正在挣扎，并加水以使其再次舒适。问题是，就像机舱里的男孩子一样，他们加水太多，因为他们不知道上限在哪里或“多少”水就足够了。然后他们让土壤再次变干，达到干涸的程度。这个循环一遍又一遍地重复。在其他情况下，它们非常害怕褐斑，它们使土壤接近饱和，这既浪费水又对植物有害。许多灌溉者认为安装土壤含水量传感器可以解决这个问题，但他们错了。这种方法与向火中添加日志有类似的问题。含水量传感器只能告诉您土壤中的“多少”水。它无法告诉您该数量是否最适合植物。土壤水势传感器将为您提供该信息。使用水势，您可以测量一个参数，例如温度，它会告诉您土壤中水的能量，或者有多少土壤水可供植物使用。
 
土壤水势是一个不太熟悉的术语，它定义了土壤中水的能量状态，类似于温度。它以类似于温度定义人类舒适范围的方式定义植物的水舒适范围。简单地说，它是植物水的温度计。有些人拒绝使用水势，因为这很难理解。虽然它的定义很复杂，但植物的“舒适范围”已经确立。因此，无需深入了解测量即可获得收益。测量土壤水势就像测量植物的温度：它表明可用水量是否在舒适的范围内。该表给出了包括草在内的各种作物的最佳范围。（例如，马铃薯植株的舒适度范围约为-30至-50kPa。如果您将植物保持在该舒适范围内，则可以避免植物水分胁迫。您可能不知道kPa是什么，就像您可能不确切知道华氏度是什么一样。但是，您仍然可以使用该比例来衡量植物的“舒适度”。根据我们的经验，紧密修剪的草坪草的最佳舒适度范围在-20到-100kPa之间。
 
土壤水势是植物胁迫指标
因为我们经常与马铃薯种植者合作优化灌溉管理，所以我们将用马铃薯灌溉数据说明这一点，但同样的原则也适用于草坪草和其他作物。显示了40公顷土地中六个不同地点的马铃薯产量。显然，马铃薯植物在压力范围内（低于-100kPa）停留的时间越长，产量损失就越大。这个相同的概念适用于所有植物。显然，草坪草的目标是营造一个一致、稳健、稳定的运动场，看起来很棒（而不是产量），但概念是相同的。在其水舒适区管理草坪草将通过提供根区水和空气的适当平衡来使植物更健康。它还可以最大限度地减少疾病并保留营养。它可以节约用水并提高比赛场地的质量。其他作物也是如此：将植物保持在最佳区域内会产生更健康的植物，这意味着更高的质量和产量。在当今充满挑战的淡水形势下，这些是帮助保护的有力工具。
 
土壤水势很难测量吗？
有些人拒绝使用土壤水潜力进行灌溉管理，因为从历史上看，这很难衡量。但这不再是事实。多年来，人们创造了许多设备来测量土壤水势，但普遍存在诸如不准确、可重复性差和令人失望的寿命等问题。但与大多数技术一样，进步已经克服了许多这些问题。我们一直在草坪和其他作物中安装这些下一代传感器，我们学到了很多东西。
 
 
您可以仅使用土壤水势来控制灌溉吗？
所有植物的土壤水势与其性能或行为之间都有密切的关系。为什么不直接测量土壤水势来控制灌溉？设置恒温器温度时，您也做同样的事情。它不会告诉您加热或冷却需要多少能量，但通过设置温度阈值，您知道自己会感到舒适。你能在土壤中做同样的事情吗？是的，您可以简单地将水打开足够长的时间，使水势恢复到舒适范围的顶部；这是通常的做法。但是，存在一些潜在的问题。首先，您可能不想在传感器确定您需要的确切时间进行灌溉（例如在比赛中途或蒸发条件高时）。其次，有些土壤在您施水和水势恢复到“舒适”之间可能会经历一段滞后时间，因此了解使用了多少水有助于了解施多少水。这就是为什么除了水势之外，您还需要测量水含量，以实现最佳灌溉管理。
 
在麦田土壤湿度传感器
为什么仅靠含水量不能告诉您何时进行灌溉？由于土壤中的含水量更容易测量，因此许多人使用它来安排灌溉，但有时会使他们处于黑暗中。要了解原因，让我们看一下在该领域收集的一些数据。如果图表看起来很复杂，请不要担心。我们将解释什么是重要的关注点。常规喷灌条件下的土壤含水量趋势。由于整个夏季的含水量仅下降3%，因此您可能会得出结论，土壤中生长的植物没有受到压力。您甚至可以通过查看含水量有多高（几乎30%或更多）来证明这一结论的合理性。但是请记住，就像您无法确定需要多少原木才能保持温暖一样，如果没有更多信息，您也无法确定植物需要“多少”水才能舒适。人们通过测量含水量来确定灌溉时间的情况并不少见。但是，很难确定水是否存在问题。在这个来自马铃薯种田的例子中，这些粉质壤土中的传感器似乎没有显示任何可用水问题。这些是在同一地点的测量值！在夏季的大部分时间里，一些地点仍处于压力范围内。在这种特定情况下，经理没有意识到问题，甚至建议（没有看到现场）传感器可能有问题。我们访问了现场，发现传感器是正确的。他现在安装了许多土壤水势传感器，并在进行任何其他测量以优化灌溉管理之前信任它们。土壤水势是查看水是否在植物舒适范围内的好方法。尽管含水量相对较高，但三个测量点在相同位置清楚地显示出压力。土壤水势是衡量土壤与水保持紧密程度的指标。如果水势（或张力）太强，植物将无法获得水。
 
如何结合含水量和土壤水势进行精准灌溉管理
虽然最后一个例子中的经理最终只是利用水势进行灌溉管理，但他也有幸在重土上工作。让我们再看一个例子。运动场中种植的高性能草坪的根部区域内和下方安装了传感器。它让我们有机会了解我们如何处理基于日历的灌溉与传感器控制的灌溉。我们将整个夏季的评估分为三个时期：基于日历的标准灌溉、固定干燥期（基于土壤水势），最后是极端干燥期。接下来的三幅图将详细显示每个测试的数据。用于灌溉图的土壤湿度传感器，将水势和含水量结合在一起是一个强大的工具。该草坪研究站点显示了三个不同的处理时期及其在用水和压力方面的趋势。接下来的三幅图将详细介绍这些治疗期。这块特定草坪的根区大约为15厘米，因此我们分别在6厘米和15厘米处安装了含水量和张力传感器，在25厘米处安装了单个含水量传感器，以查看哪些水被冲刷到根部之外并被浪费掉。使用含水量来确定您的“满”点，我们知道日历灌溉会导致过度灌溉。用于灌溉管理的土壤水分图，在这种草坪草的沙质土壤中，可以在含水量信号中清楚地看到每个基于日历的灌溉事件。施加了如此多的水，以至于25厘米传感器显示水有规律地增加，即使没有根达到那个深度。水势传感器没有变化表明土壤接近饱和。
 
土壤水势停留在0kPa附近（是的，您可能会超出舒适区并导致问题）。每次灌溉事件都会使根区（25厘米）以下的含水量增加。显然，我们需要回拨。我们的目标是使张力处于最佳范围（-20至-100kPa）并保持25cm的含水量平坦。传感器驱动管理生成最佳灌溉制度图，传感器驱动的管理生成了最佳灌溉制度，可以看出，在7月20日，当水势恢复到最佳范围时，25厘米传感器的含水量没有增加。仔细观察传感器输出，我们朝着最佳灌溉方向发展，就像您在固定干燥期制度中看到的那样。在7月20日，我们的灌溉量刚好足以将土壤水势恢复到植物的最佳范围，同时不会使25厘米的含水量飙升。因此，我们没有在根区以下失去水分。您甚至可以看到水含量中的那些根在6厘米和15厘米处每天吸收的水。当我们灌溉并将张力恢复到舒适范围并且没有导致25cm的含水量增加时，这是最佳的高水平。我们使用6cm含水量传感器告诉我们灌溉的全点。在这种特殊的土壤中，您可以看到它的含水量约为15%。
 
使用土壤水势确定“空”点
相反，我们的“空”点是使用土壤水势确定的。九月，我们让水下降，直到植物不再吸水为止。限制灌溉以确定草坪吸水的下限。在这里，直到9月4日土壤变得太干而无法提取大量水分时，可以清楚地看到每日吸水量。这与-500kPa的较低生存水势相吻合。25厘米的水含量没有移动，这很好。9月5日，在6厘米处，草坪停止吸水（没有每日下降）。由于土壤水势太高，植物无法从土壤中吸取水分。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，草将进入休眠状态(-500kPa).这是我们永远不想接近的范围。我们希望将植物保持在-20到-100kPa的舒适范围内。如果它低于最佳范围，我们知道是时候浇水了。 如何确定最佳灌溉制度
当我们将这两个测量值放在一起时，发生了一些强大的事情。结合土壤中的水量（含水量）和土壤水势，我们可以计算出水包络线——从空到满所需的水量——或应该施用于这种草坪草的最大水量.
 
用于灌溉管理的土壤水分释放曲线
同时测量含水量和水势会产生一个强大的工具：土壤水分释放曲线。对于草坪试验，蓝色阴影区域显示可用水的范围和有多少水。如果您知道您的根有多深（在这种草坪草中为15厘米），那么简单的计算将显示在任何时间可以施加的最大水量（12毫米）。使用一个满桶来说明这个概念，以显示应该施用于土壤的最大水量。再多就是跑过“桶顶”，和肥料等一起浪费掉。空桶（我们不想靠近这个点）是对应于张力的土壤含水量中的-500kPa，其中植物无法获得更多水；相关水含量为8%。水包络将是（含水量差异）*（生根深度），或者在这种情况下（16%–8%）*0.15m=12mm的灌溉水。12毫米的水将是应施用于草坪草的最大水量。但是，为了获得最佳性能，我们只想降到-100kPa。在这种特殊的土壤中，这将是大约12%VWC（体积含水量）或4%VWC的变化和6毫米水的灌溉。因此，除了仅查看舒适范围之外，我们还可以调高将其从最佳范围的底部移动到顶部所需的水量。
 
灌溉管理——简化
为灌溉管理测量水势和含水量可以节省您的时间和金钱。为什么？因为它为您提供了正确的信息。回到小屋的比喻，我们不知道我们是否会因为知道我们在火中添加了多少原木而在我们的小屋里感到舒适。同样，仅通过知道有多少水或含水量，我们也不会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，为我们提供精确的满点和空点，以实现最佳性能。当水势下降到作物舒适区或最佳范围之外时，我们知道我们需要加水。我们确切地知道要添加多少水。这两个测量组合是强大的工具，可用于完美的水和养分管理——不会因过度灌溉造成的问题而浪费时间和金钱。