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？

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(gè)問(wèn)題“梁老師，如果我們要濕潤(rùn)20cm土壤深度的話(huà)，需要灌多少水？有沒(méi)有換算公式？謝謝”

實(shí)際上這個(gè)問(wèn)題也是水肥一體化應(yīng)用中大家普遍關(guān)心的問(wèn)題。

應(yīng)用水肥一體化技術(shù)最常見(jiàn)的問(wèn)題是過(guò)量灌溉，農(nóng)戶(hù)總擔(dān)心水量不夠，人為延長(zhǎng)灌溉時(shí)間，當(dāng)不結(jié)合施肥時(shí)，過(guò)量灌溉至多是水的浪費(fèi)，但當(dāng)利用水肥一體化技術(shù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，過(guò)量灌溉后，溶解于灌溉水的養(yǎng)分會(huì)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(duì)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(duì)沙土而言，過(guò)量灌溉后，各種養(yǎng)分都會(huì)被淋洗掉。

第一、應(yīng)該如何避免過(guò)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(rùn)為原則，在實(shí)際灌溉中，挖開(kāi)土壤查看濕潤(rùn)的深度，根系層濕潤(rùn)了，即立刻停止灌溉，記錄每次灌水量。

本人總結(jié)出避免過(guò)量灌溉的挖、看、算三步法，具體如下：（1）根系定位是避免過(guò)量灌溉的第一步，根系定位主要方法有兩種，挖（挖一個(gè)剖面看土壤中根系情況）和看（直接觀察：下根管利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備定時(shí)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(guò)量灌溉的第二步，相對(duì)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(jì)算灌水量的依據(jù)。（3）根據(jù)相對(duì)含水量確定灌溉量的主要方法也有兩類(lèi)，經(jīng)驗(yàn)（根據(jù)田間持水量、土壤相對(duì)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(cè)設(shè)備，利用設(shè)定限，控制灌溉設(shè)備啟動(dòng)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(rùn)鋒分布特征控制單次灌溉量。

簡(jiǎn)單一句話(huà)挖根、看根、看水、算灌量。

第二、如何合理計(jì)算滴灌水肥一體化的灌溉量呢？

灌溉定額是實(shí)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(shí)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(xiàn)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(guò)不同灌溉定額處理的田間小區(qū)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行確定，利用田間灌溉試驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(yàn)、 進(jìn)行灌溉試驗(yàn)、按水量平衡原理進(jìn)行計(jì)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(yàn)的豐產(chǎn)灌溉制度。（2）基于灌溉試驗(yàn)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(duì)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(cè)定土壤含水量可掌握作物對(duì)水的需要情況，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很重要的指導(dǎo)意義，對(duì)實(shí)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(duì)含水量，即100 g烘干土中含有若干克水分，也稱(chēng)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(guò)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(jì)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(duì)含水量。

（三）田間持水量計(jì)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(shí)的土壤含水量稱(chēng)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(guò)一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量（土水勢(shì)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(zhǎng)期以來(lái)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(duì)作物有效的最高的土壤水含量，且被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。

因此，我們的灌溉上限就是土壤空隙全部充滿(mǎn)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(jì)算農(nóng)田最大灌溉量。

田間持水量的計(jì)算公式為：田間持水量＝（灌滿(mǎn)水土壤重量 – 烘干土壤重量）烘干土壤重量×100％。

土壤相對(duì)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(xiàng)物理性質(zhì)，它的大小與土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機(jī)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(jī)質(zhì)含量不同，其田間持水量亦不同。

根據(jù)《全國(guó)土壤田間持水量分布探討》的研究結(jié)果，全國(guó)各地的田間持水量如下表：

來(lái)源于：全國(guó)土壤田間持水量分布探討

通過(guò)上面兩個(gè)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(mǎn)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(mǎn)水土壤質(zhì)量，也可以知道灌溉水的量了。

灌溉水的量=灌滿(mǎn)水土壤重量 – 烘干土壤重量

灌滿(mǎn)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(gè)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(jì)算，查上面兩個(gè)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(jì)算取值1.30。

以問(wèn)題中的20厘米土層計(jì)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(mǎn)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(jì)算最大灌溉水的量可以化簡(jiǎn)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(jì)算農(nóng)田最大灌溉量的校正。

上面計(jì)算過(guò)程是單次灌溉的最大灌溉水量，實(shí)際上我們不能等到土壤完全干燥在進(jìn)行灌溉。因?yàn)楫?dāng)土壤含水量降低到某一程度時(shí)，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(bǔ)充而出現(xiàn)永久性凋萎現(xiàn)象，此時(shí)的土壤含水量稱(chēng)為凋萎系數(shù)。因此凋萎系數(shù)是開(kāi)始灌溉的下限，也就是開(kāi)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(guò)上述推導(dǎo)和計(jì)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(jì)算，最大灌溉量不應(yīng)該超過(guò)52立方米；實(shí)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(gè)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(duì)干旱外，其他時(shí)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(guò)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(huà)，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(lái)計(jì)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(guò)實(shí)驗(yàn)室分析獲取，初略計(jì)算時(shí)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。