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负压计（张力计）监测土壤墒情基质势指导灌溉的方法

2021.6.02

　　总体上，指导灌溉的方法有两种。一种是灌溉频率一定，估算灌水周期内的农田蒸发量，依此确定灌溉水量。另一种是土壤墒情的下限一定，每次灌水量相同，或者将作物的生育期分成几个阶段，每个阶段内灌水量相同，当土壤墒情下降到下限时便进行灌溉。由于灌溉频率法需要确定农田蒸发量，而农田蒸发量跟气象条件、土壤供水能力、作物耗水规律等诸多要素有关，因此到目前为止确定农田蒸发量的方法，误差都还比较大，效果还不够理想。土壤墒情法的准确性比较高，因为无论晴天还是阴天，降水还是干旱，作物本身的耗水量大还是小，最终都反映在根系分布区土壤水分的变化。对于微灌（滴灌、微喷灌、涌泉灌）等高频灌溉，尤其适合。那么，监测土壤墒情，该采用什么方法比较好呢？

　　大家知道，自然界中水总是由高的地方向低的地方流，水从土壤中进入根系，也是这样。土壤水势高低决定着水分在土壤中的运动方向和速率，而土壤水势由基质势、重力势、渗透势（溶质势）、压力势和温度势等几部分组成。其中，土壤基质势由土壤含水量决定，土壤含水量越大，基质势越高；土壤含水量越小，基质势越低。渗透势由土壤中的可溶性物质决定，可溶性物质浓度越高，渗透势越小，反之渗透势越高。重力势顾名思义由重力决定，土壤表面的重力势最高，随深度增加而减小。由于植物的根系与土壤接触，所以影响根系吸水的，主要是土壤基质势和渗透势。负压计（张力计）就是专门用来测定土壤基质势的小仪器。

　　用负压计监测的土壤墒情指导灌溉，是农业发达国家应用较早、较多，而且一直延续到现在的方法。负压计测得的土壤基质势与植物生长、产量的关系，在不同质地结构的土壤上有一定的通用性。也就是说尽管土壤质地结构有很大差异，不管土壤含水量相差有多大，如果土壤基质势相同，则植物吸水的难易程度基本相同。尽管土壤含水量大小决定着土壤基质势高低，但由于土壤含水量跟土壤的质地结构有关，所以含水量相同，如果质地结构不同，则土壤基质势不同，植物根系吸收水分的多少也就不同。

　　能够保存在土壤中被植物吸收利用的水，主要贮存在毛管孔隙中。灌水或降水后进入空气孔隙中的水，在重力作用下会很快渗漏到根系分布层以下，最后进入地下水。除非地下水埋深很浅，或者根系分布层以下有不透水层形成浅层临时地下水，具有地下水通过毛管作用上升到根系分布层的条件，否则植物利用不上。毛管孔隙中贮存水分最多时的土壤含水量，就是熟知的田间持水量。土壤颗粒越小或土壤中的粘粒越多，毛管孔隙越多，空气孔隙越少，反之毛管孔隙越少，空气孔隙越多。由于土壤的空间变异性很大，不但同一地块不同位置的质地结构会有比较大（甚至很大）的变化，而且随不同深度有分层等现象，土壤质地结构也有比较大（甚至很大）的变化。耕作后上层土壤疏松，随着时间逐渐变紧实，这个过程中土壤孔隙结构也在发生变化，即毛管孔隙逐渐增加，空气孔隙逐渐减少。所以如果测得某个点的土壤含水量，必须知道其土壤质地结构，利用土壤水分特征曲线（土壤含水量与土壤基质势的关系曲线）换算成土壤基质势，或者测定了该点的田间持水量，换算成相对含水量（土壤含水量与田间持水量的比值），才能知道比较准确的水分状况。然而由于测定土壤水分特征曲线需要专门的仪器和训练有素的实验人员，而且取样对土壤结构有不同程度的影响，对测定结果的代表性也会产生很大影响，所以在生产实践中很少这么测定和转换。尽管田间持水量测定的仪器设备很简单，但同样需要专门人员花时间测定，所以生产实践中要获得监测点准确的相对含水量也有一定困难。

　　因此用负压计（张力计）监测土壤墒情指导灌溉，可以说是最好的方法，这就是为什么农业发达国家应用较早、较多，而且一直延续到现在的原因。但过去对负压计到底埋设在什么位置、埋几个深度等研究的尚不透彻，一般泛泛地认为应该埋在主要根系分布层，其实不然。经过我们研究团队对滴灌条件下农田水分养分循环过程、土壤基质势空间变异特征及分布规律、灌溉频率与作物生长耗水的关系、不同点土壤基质势与作物生长耗水的关系、水肥耦合规律等的系统研究，发现滴灌农田只要监测滴头正下方20cm深度处的土壤基质势进行灌溉，则土壤基质势与作物产量、耗水量和水分利用效率的关系很好，如果通过试验确定了该点土壤基质势与某个作物生产耗水的关系，就能获得适宜的土壤基质势下限（土壤基质势阈值），按照该土壤基质势下限确定灌水时间，每次灌水量相同，或者将作物的生育期分成几个阶段，每个阶段内灌水量相同，便能获得高产、高水分利用率和高水分利用效率等效果，实现增产增收和节水双重目标。这个方法使得极为头疼的灌水时间确定，变得极为简便，基本实现“傻瓜化”。

　　从2001年开始，我们研究团队历时16年，通过在河北、北京、天津、宁夏、新疆、内蒙、甘肃、青海、湖北等地区建立的近20个试验基地进行的试验研究，确定了20多种主要作物土壤基质势阈值，如：（1）糯玉米、油葵、棉花、番茄、豆角、苦瓜、西葫芦、莴笋、萝卜、大白菜等，土壤基质势下限：-35kPa；（2）马铃薯、黄瓜等，土壤基质势下限：-25kPa；（3）芹菜等，土壤基质势下限：-20kPa。对于多年生作物，考虑到春灌和冬灌等方面的需要，需要在50cm深度处也埋设一支负压计，不管哪支到了都进行灌溉。下面两个图是分别针对一年生作物和多年生作物的负压计埋设方法（注：将图中的真空表换成压力传感器，就成为电子负压计）。

　　随后我们的研究也证明，对于大型喷灌机从中心支轴开始沿半径方向四等分，在1/4、2/4和3/4的位置各选一个点作为特征点，在特征点正下方20cm深度处（如果是垄作，则在垄上20cm深度处）埋设负压计，监测特征点的土壤基质势，在上述土壤基质势阈值的基础上做适当修订（通过田间试验），获得特征点土壤基质势的阈值并依此指导灌溉，能得到与滴灌基本相同的效果。

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