如何利用田間持水量和土壤容重確定滴灌作物一畝地的最大灌溉量?
前面直播講完課,私信中收到這樣一個問題“梁老師,如果我們要濕潤20cm土壤深度的話,需要灌多少水?有沒有換算公式?謝謝”
實際上這個問題也是水肥一體化應(yīng)用中大家普遍關(guān)心的問題。
應(yīng)用水肥一體化技術(shù)最常見的問題是過量灌溉,農(nóng)戶總擔(dān)心水量不夠,人為延長灌溉時間,當(dāng)不結(jié)合施肥時,過量灌溉至多是水的浪費,但當(dāng)利用水肥一體化技術(shù)時,就會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果,過量灌溉后,溶解于灌溉水的養(yǎng)分會隨水淋洗到根層以下,使隨水施入的肥料難以被根系吸收,對壤土和黏土而言,流失的主要是尿素、硝態(tài)氮,造成作物缺氮,對沙土而言,過量灌溉后,各種養(yǎng)分都會被淋洗掉。
第一、應(yīng)該如何避免過量灌溉呢?
水體一體化技術(shù)下作物灌水量的確定是十分重要的,合理的灌水量是以作物根層土壤濕潤為原則,在實際灌溉中,挖開土壤查看濕潤的深度,根系層濕潤了,即立刻停止灌溉,記錄每次灌水量。
本人總結(jié)出避免過量灌溉的挖、看、算三步法,具體如下:(1)根系定位是避免過量灌溉的第一步,根系定位主要方法有兩種,挖(挖一個剖面看土壤中根系情況)和看(直接觀察:下根管利用專業(yè)設(shè)備定時掃描根系分布情況;間接觀察:利用水分儀根據(jù)根系吸水特征間接反應(yīng)根系深度)。(2)確定了根系分布深度后,灌溉深度控制是避免過量灌溉的第二步,相對含水量可直觀的反應(yīng)灌溉的起始含水量,常常被作為判斷是否需要灌溉和計算灌水量的依據(jù)。(3)根據(jù)相對含水量確定灌溉量的主要方法也有兩類,經(jīng)驗(根據(jù)田間持水量、土壤相對含水量等土壤水分特性,結(jié)合灌溉深度確定單次最佳灌溉量)和設(shè)備(結(jié)合根系分布特征,在土壤中預(yù)埋水分監(jiān)測設(shè)備,利用設(shè)定限,控制灌溉設(shè)備啟動與停止)。綜上滴灌施肥只灌溉根系和給根系施肥,因此一定要了解作物根系分布的深度,根據(jù)根系分布特征,然后按照土壤濕潤鋒分布特征控制單次灌溉量。
簡單一句話挖根、看根、看水、算灌量。
第二、如何合理計算滴灌水肥一體化的灌溉量呢?
灌溉定額是實際中最直接應(yīng)用在作物灌溉中的灌水參數(shù),利用作物產(chǎn)量與灌溉定額的關(guān)系可以建立灌溉模型,有效指導(dǎo)灌溉實踐。
(一)全生育期的灌溉定額確定?
作物產(chǎn)量與灌溉定額基本是二次拋物線關(guān)系,即Y=aW2+bW+c,Y為作物產(chǎn)量,W為灌溉定額,該灌溉模型的建立需要通過不同灌溉定額處理的田間小區(qū)試驗來進行確定,利用田間灌溉試驗數(shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)擬合作物產(chǎn)量和灌溉定額的二次函數(shù)關(guān)系,進一步確定作物產(chǎn)量最高的最優(yōu)灌溉定額。
灌溉制度的制定主要是每次灌水時間和灌水定額的確定,具體方法為總結(jié)群眾豐產(chǎn)經(jīng)驗、 進行灌溉試驗、按水量平衡原理進行計算和根據(jù)作物的生理指標(biāo)制定灌溉制度。下面以棉花為例分別闡述三種灌溉制度建立方法。(1)基于經(jīng)驗的豐產(chǎn)灌溉制度。(2)基于灌溉試驗制定棉花灌溉制度。(3)基于水量平衡原理的灌溉制度。
(二)土壤含水量是對灌溉的影響。
土壤水分含量也是農(nóng)業(yè)灌溉決策、管理中的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。測定土壤含水量可掌握作物對水的需要情況,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很重要的指導(dǎo)意義,對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉的作用是相當(dāng)明顯的。
土壤含水量一般是指土壤絕對含水量,即100 g烘干土中含有若干克水分,也稱土壤含水率。土壤含水量常用重量含水率與體積含水率表示,重量含水率是指土壤中水分的重量與相應(yīng)固相物質(zhì)重量的比值,體積含水率是指土壤中水分占有的體積和土壤總體積的比值。體積含水率與重量含水率兩者之間可以通過土壤容重?fù)Q算。土壤含水量表示方法有以下幾種,為了描述的方便,以漢字的形式表示它的計算公式。(1)以重量百分?jǐn)?shù)表示土壤含水量。(2)以容積百分?jǐn)?shù)表示土壤含水量。(3)以水層厚度表示土壤含水量。(4)相對含水量。
(三)田間持水量計算農(nóng)田最大灌溉量的上限。
當(dāng)毛管懸著水達(dá)到最大數(shù)量時的土壤含水量稱為田間持水量。指的是在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后,允許水分充分下滲,并防止其水分蒸發(fā),經(jīng)過一定時間,土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量(土水勢或土壤水吸力達(dá)到一定數(shù)值),是大多數(shù)植物可利用的土壤水上限。
因此,田間持水量長期以來被認(rèn)為是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量,也是土壤中所能保持懸著水的最大量,是對作物有效的最高的土壤水含量,且被認(rèn)為是一個常數(shù)。
因此,我們的灌溉上限就是土壤空隙全部充滿水,而且土壤水不下滲的量,既灌溉量達(dá)到田間持水量,停止灌溉。
(四)如何利用田間持水量計算農(nóng)田最大灌溉量。
田間持水量的計算公式為:田間持水量=(灌滿水土壤重量 – 烘干土壤重量)烘干土壤重量×100%。
土壤相對含水量(%)=土壤含水量/田間持水量×100%。
田間持水量是土壤的一項物理性質(zhì),它的大小與土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機質(zhì)含量以及土地利用狀況有關(guān),不同的土壤其田間持水量不同,即使是同一種土壤,由于其所處的氣候帶不同、利用方式不同,導(dǎo)致其質(zhì)地結(jié)構(gòu)以及有機質(zhì)含量不同,其田間持水量亦不同。
根據(jù)《全國土壤田間持水量分布探討》的研究結(jié)果,全國各地的田間持水量如下表:
來源于:全國土壤田間持水量分布探討
通過上面兩個公式可以推導(dǎo)出農(nóng)田單次灌溉的最大灌水量:
田間持水量=(灌滿水土壤重量 – 烘干土壤重量)/烘干土壤重量×100%?,F(xiàn)在只要確定一畝地烘干土壤就可以知道灌滿水土壤質(zhì)量,也可以知道灌溉水的量了。
灌溉水的量=灌滿水土壤重量 – 烘干土壤重量
灌滿水土壤重量 =烘干土壤的重量(1+田間持水量)
烘干土壤的重量= 面積 × 土層深度× 土壤容重。
每個土壤的容重有差異,根據(jù)資料,土壤容重的大概值如下:
現(xiàn)在以華北平原的壤土地為例計算,查上面兩個表可以發(fā)現(xiàn):田間持水量為20-24%,現(xiàn)在取值,24%;土壤容重為1.03-1.39克/立方厘米,方便計算取值1.30。
以問題中的20厘米土層計算:
(1)烘干土壤的重量= 667平方米 × 0.2米× 1300千克/立方米=173420千克。
(2)灌滿水土壤重量 =173420千克×(1+0.24)=215040.8千克
(3)灌溉水的最大量= 215040.8千克- 173420千克= 41620.8千克,約等于41.6立方米。
為了方便計算最大灌溉水的量可以化簡為
灌溉水的最大量 = 667平方米 × 灌溉深度× 土壤容重×田間持水量。
(五)如何利用田間持水量計算農(nóng)田最大灌溉量的校正。
上面計算過程是單次灌溉的最大灌溉水量,實際上我們不能等到土壤完全干燥在進行灌溉。因為當(dāng)土壤含水量降低到某一程度時,植物根系吸水非常困難,致使植物體內(nèi)水分消耗得不到補充而出現(xiàn)永久性凋萎現(xiàn)象,此時的土壤含水量稱為凋萎系數(shù)。因此凋萎系數(shù)是開始灌溉的下限,也就是開始灌溉前土壤中還有一定量的水。
故公式校正為:
灌溉水的最大量 = 667平方米 × 灌溉深度× 土壤容重×(田間持水量-凋萎系數(shù))。
不同作物在不同土壤中的凋萎系數(shù)不同,根據(jù)資料不同土壤的凋萎系數(shù)大概值如下表,沙土地最小3%,黏土15%,壤土9%左右。
因此,上例華北平原的壤土地,20 cm土層最大灌水量應(yīng)該是
灌溉水的最大量 = 667平方米 × 灌溉深度× 土壤容重×(田間持水量-凋萎系數(shù))=667平方米 × 0.2米× 1300千克/立方米×(0.24-0.09)=26013千克≈26立方米。
通過上述推導(dǎo)和計算,因此一畝地最大灌溉多少水應(yīng)該是:土壤面積× 灌溉深度× 土壤容重×(田間持水量-凋萎系數(shù)),以根系40厘米計算,最大灌溉量不應(yīng)該超過52立方米;實際生產(chǎn)中,灌溉面積一般不應(yīng)該是667平方米,如果全部灌溉這個不是滴灌,而且常規(guī)灌溉,建議乘以系數(shù)0.7;另外除了蹲苗期為土壤相對干旱外,其他時候一般灌溉前土壤含水量較大,而且水肥一體化不應(yīng)該將土壤灌溉至過飽和,建議乘以系數(shù)0.4-0.8,因此,一畝地最大的灌水量應(yīng)該控制在15-30立方米比較合適。
最后,總結(jié)為一句話,土壤的凋萎系數(shù)是灌溉下限,田間持水量是灌溉上限,最大灌溉量應(yīng)該按照公式:土壤面積× 灌溉深度× 土壤容重×(田間持水量-凋萎系數(shù)),來計算;然后乘以灌溉面積系數(shù)0.7和灌水量校正系數(shù)0.4-0.8;土壤容重和田間持水量可以通過實驗室分析獲取,初略計算時可以參考上表。
作者:新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所梁飛副研究員。