如何用“傻瓜化”的方式指导温室灌溉？土壤墒情监测法必不可少！
基于土壤基质势的温室土壤墒情监测技术
温室是一个相对封闭的农业生产设施，自然降雨不能被直接利用，作物生长发育需要的水分完全依靠人工灌溉措施来保障。土壤墒情监测方法是温室中指导灌溉常用的方法之一。按照土壤墒情监测仪器设备和手段的不同，温室土壤墒情监测方法主要可以分为烘干法、介电类法、中子仪法、负压计法等。本文介绍了这些土壤墒情监测技术的主要原理和特性，并详细介绍了负压计法——基于20cm深度特征点土壤基质势的温室土壤墒情监测技术。田间试验发现，控制滴头正下方20cm深度土壤基质势可以明显影响0~100cm深度土壤水分状况，并且特征点土壤基质势阈值越低，影响到的土层深度越深。番茄的产量、品质、耗水量和水分利用效率也明显受到特征点土壤基质势阈值的影响。番茄开花坐果期土壤基质势阈值控制在-30kPa、结果期控制在-45kPa，有利于温室秋春茬番茄的高产优质，并且节水效益显著。
温室是一个相对封闭的农业生产设施，相比于传统的露地种植方式，自然降雨不能被直接利用，温室内作物生长发育需要的水分完全依靠人工灌溉措施来保障，因此在温室生产中，灌溉是一个非常重要的环节。
作物根系分布范围的土壤可以理解为土壤水库，土壤水库的最大蓄水能力为田间持水量。当土壤水分处于田间持水量时，水分在毛管力的作用下保持在土壤毛管孔隙中，同时空气孔隙开放，土壤通气性良好。当土壤水分超过田间持水量时，超过田间持水量的部分水量存在于空气孔隙中，受重力的作用向下运动，产生深层渗漏，部分养分和农药等也随着水分下渗，造成养分、农药流失以及对地下水的污染。另外，由于空气孔隙被水分占据，孔隙中的空气被排出，作物根系的呼吸会因土壤通气不良受到影响。因此，科学的灌溉就是适时适量为土壤水库补充因作物蒸腾和土面蒸发而减少的水量（作物腾发量），以保证作物始终生长在一个水分、养分和通气性良好的环境中。
温室中指导灌溉常用的方法有两种。一种是灌溉频率法，即灌溉频率一定，估算灌水周期内的作物腾发量（作物蒸腾量和土面蒸发量），依此确定灌溉水量。另一种是土壤墒情法，即土壤墒情下限一定，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作物腾发量，而作物腾发量跟温室内的温湿度条件、土壤供水能力、作物耗水规律等诸多要素有关，到目前为止确定温室作物腾发量的方法，误差都比较大，因此灌溉频率法效果不是太理想。土壤墒情法的准确性比较高，因为无论晴天还是阴天，作物本身的耗水量大还是小，最终都反映在根系分布层土壤水分的变化，即土壤墒情的变化上。对于微灌（滴灌、微喷灌、涌泉灌）等高频灌溉方式，土壤墒情法指导灌溉尤为适合。
土壤墒情即土壤中的水分状况，快速、准确地测定农田土壤水分，对于及时做出灌溉、排水、施肥等决策具有重要意义。国内外从20世纪中叶就开始进行土壤水分的监测，主要方法包括用烘干法、介电类法、中子法和负压计法等。这些方法都可以实现土壤水分的测定，但主要原理和特性各不相同。
烘干法
◆原理
烘干法又称烘干称重法，实质就是通过对所取的土样在烘干（105±2℃）前后分别称其重量来获得土样中的含水量，测定的是土壤质量含水率。是直接测量土壤水分的一种方法，也是国内外通用的测定土壤含水率的标准方法，其他借助不同仪器的土壤水分测定方法都需要借助烘干法加以标定。根据烘干方式的不同，烘干法又可以分为恒温箱烘干法、酒精燃烧法、红外线烘干法等，恒温箱烘干法一直被认为是最经典和最精确的标准方法。
◆主要特性
（1）烘干法的观测是破坏性的，需要对土壤剖面采样，拿回室内烘干处理测定，这种破坏性观测方法不适合长期观测。
（2）因为每次采样的位置不一样，受土壤空间变异性的影响，对时间序列比较而言，会带来比较大的误差。
（3）取样劳动量大，费时费力，不经济。
（4）恒温箱烘干法需要8h以上，还需要干燥箱和电源，不适合野外作业。酒精燃烧法，需要多次翻炒，不适合用于细粒土壤和含有有机物的土壤，且容易掉落土粒或燃烧不均匀而带来较大误差。红外线烘干法测定精度较高，但需要专门的仪器。
因此，除了一些对精度要求很高的特殊研究需要，或者为仪器标定需要外，烘干法现在很少作为土壤水分长期观测的方法。
介电类法
通过测量土壤中水和其他介质介电常数之间差异的原理，测定土壤含水率的技术方法，统称为介电类法，一般包括时域法（TimeDomain，TD）和频域法（FrequencyDomain，FD）。其中时域法是通过测得电磁波在土壤基质中的传播速度测得土壤含水率的方法，可分为时域反射法（TDR）和时域传播法（TDT）；频域法是应用频域测量技术测量土壤含水率的方法，可分为频域反射法（FDR）和驻波法（SWR）等。
与时域法相比，频域法一般工作频率是20~150MHz，在测量电路上易于实现，设备结构更简单，测量更方便，造价较低，但是因为100MHz左右的电磁波，在传输过程中受土壤温度和电导率（盐分）的影响较大，因此测量精度相对要低些。
时域反射法（TDR）是目前土壤水分监测的主要方法，是土壤墒情长期监测手段的发展方向。以下以TDR方法为例，介绍介电类法的主要原理和特性。
◆原理
TDR方法是通过测定土壤的介电常数来测定土壤含水率的方法。由于水的介电常数远大于土壤中其他介质（矿物质、有机物颗粒、空气）的介电常数，土壤的介电常数往往取决于土壤中水分含量的多少。TDR通过发射一种高频电磁波，电磁波沿着插入土壤中的特制探针传播，并在传输到探针末端后又反射回发射源，分析传导速度和振幅变化，根据速度与介电常数的关系、介电常数与体积含水率之间的函数关系，就可以得到土壤含水率。
◆主要特性
（1）测定精度高，特别是表层土壤含水率测定。理论上是测量土壤水分精度最高的技术。
（2）测定快捷、方便。电磁波的传输速度很快，TDR仪大多10s就能够获得一个数据。
（3）灵活性强。可测表层，可测剖面，可定点测，也可连续动态监测。在数据采集上可集成多种系统，实现不同的测量要求，符合现代环境要素综合观测要求。
（4）TDR不适合在高电导率（盐分含量高）的土壤中监测土壤水分。土壤介电常数除了受土壤含水率影响外，还明显地受到土壤电导率的影响，尤其是当电导率较大时。有研究表明，当电导率大于8dS/m时（不同土壤质地该数据有差异），TDR测定的土壤体积含水率比实际的含水率偏大。
（5）土壤介电常数也受到土壤温度变化的影响，应该避免在土温变化明显的时候观测土壤含水率，特别是表层，土温往往会在短时间内有明显的变化，从而影响到TDR的观测精度。
（6）TDR测定土壤含水率的标定方程大多采用Topp在1980年提出的经验方程，这个方程有一定的适用范围，超出了适用范围，应该对标定方程进行修正。在实际的野外观测中，应该对TDR进行重新标定，建立适合本地区的标定方程。
中子仪法
◆原理
中子仪法是中子仪探头中放出的快中子，可以与氢原子发生碰撞，损失能量形成慢中子，而土壤中所有氢原子几乎都存在于水中，土壤对快中子的慢化能力主要取决于土壤的含水量。慢中子云球的通量密度与中子源作用范围内的土壤含水率之间呈近似线性函数关系，因此只要测定出土壤中慢中子云的通量密度，通过标定曲线，即可确定土壤含水率。
◆主要特性
（1）不用破坏性取土，可保持土层的土壤结构不受破坏。
（2）中子仪法观测的是以测点为中心某个半径范围内的土壤平均含水率，代表性较好，但也存在垂直分辨率较差的问题。
（3）具有方便的土壤含水率动态监测能力，是野外土壤水分长期动态观测的主要方法之一。
（4）由于表层观测时，部分中子逸出到空气中，表层土壤含水率的观测误差较大，应该单独建立表层的标定方程。
（5）中子仪观测的准确程度依赖于对仪器的标定，标定过程十分重要。田间不同的土壤物理性质，如容重、土壤质地等都会造成标定曲线较大的移动，应该针对不同土壤物理性质的土壤，建立不同的标定曲线。仪器使用一段时间2~5年也需要重新标定。
（6）中子仪存在辐射危害，尽管辐射量很低，不会对身体产生不良的影响，但操作人员需要严格按照操作手册的安全说明和使用指南进行操作和防护。
负压计法（张力计法）
◆原理
根据土壤水的基质势（或土壤水吸力）与土壤含水率相关关系的原理测量土壤含水率的方法。是从土壤水的能量的角度研究土壤水分。
自然界中水总是由高的地方向低的地方流。水可以从土壤中进入到作物的根条就是因为土壤水势比根水势高的原因。土壤水势主要由基质势、渗透势（溶质势）、重力势、压力势等几部分组成。由于作物的根系与土壤接触，所以影响根系吸水的，主要是土壤水的基质势和渗透势。温室非盐碱地、淡水灌溉、土壤水不饱和的情况下，即大多数的田间情况下，土壤水的能态主要取决于土壤基质势；土壤基质势同土壤含水率关系密切，土壤含水率越大，基质势越高，土壤含水率越小，基质势越低。温室盐渍化土壤或者咸水/微咸水灌溉条件下，渗透势也起一定作用；渗透势由土壤溶液中的可溶性物质决定，可溶性物质浓度越高，渗透势越低，反之渗透势越高。在土壤水饱和的情况下，需要考虑压力势，如温室土壤淹灌时，在饱和土壤越深层的土壤水，所受的压力势越大。
负压计（张力计）就是专门用来测定土壤基质势的仪器，测量的就是作物根系从土壤中汲取水分所施加的力（土壤水吸力）。负压计又分为真空表式负压计和U形汞柱型负压计两种，后者测量的精度更高。
◆特性
（1）使用负压计法监测土壤含水率时，应首先确定各监测点的土壤水分特征曲线。
（2）田间原位测定，不用破坏性取土。
（3）价格低廉，可以在田间研究中大量布设，来研究整个土壤剖面土壤水分分布情况。
（4）负压计的压力值显示可以是指针式表和压力传感器。通过电气改造，传感器可以数字化，可与计算机接口链接，使得土壤水分测量能够自动监测。
（5）负压计测量的土壤水吸力范围为0~85kPa。土壤太干时，陶土头会被空气“穿透”，即漏气，因而不能测定土壤太干情况下的土壤基质势。
温室土壤墒情监测
土壤墒情监测方式包括固定埋设自动墒情监测方式、人工便携式自动墒情监测方式以及人工取土烘干监测方式。在开展温室土壤墒情监测时，除了监测仪器设备等的选择，还需要考虑监测点位置、采样点深度、监测时间等内容。
◆监测仪器设备配置与要求
（1）监测仪器能在空气温度为-10~50℃环境下正常工作，负压计类仪器在5~40℃环境下正常工作。
（2）介电法类与中子仪法类监测仪器的量程不小于0~60%（m3/m3），负压计法类监测仪器的量程为1~80kPa。
（3）介电法类与中子仪法类监测仪器分辨率为0.1%（m3/m3），负压计法类监测仪器为1.0kPa。
（4）传感器的探针和外壳应坚固、耐用，具有耐腐蚀性和密封性。
（5）介电法类和中子仪法类监测土壤墒情时，每次埋设导管时，都需要以烘干法为基准，对仪器进行标定。
（6）采用烘干法测定土壤含水率或进行仪器标定时，每个测定应取3个样本重复测定，样本间距控制在10cm之内。各重复样本土壤含水率的相对误差应不大于5%，取算术平均值作为测定点土壤含水率。
◆监测点位置与采样点深度
（1）温室土壤墒情监测点布设，应根据温室大小、土壤特性的空间变异性、土层厚度、种植作物以及作物生长发育阶段等综合确定。一般一个占地1亩地左右（667m2）的温室大棚，在中央位置布设1个监测点即可。
（2）监测点的位置应避开低洼易积水的地方，且同沟槽和供水管道保持10m以上的距离，避免水侧渗对土壤含水率产生影响。
（3）采样点深度应在监测点处沿垂向按不同深度设定。一般而言，依据作物生长发育阶段，采样点深度可以为：10cm或者20cm（一点法）、10cm和20cm或者20cm和40cm（二点法）、10cm、20cm和40cm（三点法）。
（4）在土层较薄的山丘区，采样点深度可依据土层厚度确定；在地下水埋深较浅的地区，采样点深度以达到土壤饱和带上界面为止。
（5）根据作物种植类型的不同和有特殊要求的，可以恰当增加监测点数目和采样点深度。
◆监测时间与频次
（1）采用人工取土烘干、移动自动监测方式的，一般每10天1次监测土壤墒情。在作物关键生长发育期应加密土壤墒情监测次数。
（2）灌溉前后应该加测土壤墒情。灌溉后，在监测点地块地面积水消失24h后，再进行监测；若监测点地块地面没有积水，可视土壤表面湿润情况，在灌溉结束后2~6h进行监测。
（3）采用固定埋设自动墒情监测方式的，建议土壤含水率信息采集时间从每日8:00开始，每隔2~6h采集信息1次。
（4）有特殊要求的，可以恰当增加监测时间与频次。
用负压计监测土壤墒情指导灌溉，是农业发达国家应用最早、最多，而且一直延续到现在的方法。负压计测得的土壤基质势与作物生长、产量的关系，在不同质地结构的土壤上有一定的通用性，即尽管土壤质地结构有很大差异，不管土壤含水率相差有多大，如果土壤基质势相同，则作物吸水的难易程度基本相同。因此，用负压计（张力计）监测土壤墒情指导灌溉，可以说是目前最简单、方便的方式之一。
但过去对负压计到底埋设在什么位置、埋设深度等研究得尚不透彻，一般泛泛地认为应该埋在主要根系分布层，其实不然。康跃虎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、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，发现滴灌农田控制滴头正下方20cm深度处土壤基质势可有效控制作物根区水分状况，并且该点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。对于不同的作物，如果通过田间试验确定了该点土壤基质势与作物生长、耗水等的函数关系，获得该作物适宜的土壤基质势阈值（灌溉下限值），就可以按照该土壤基质势阈值确定灌水时间，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，基本实现了“傻瓜化”（图1）。
康跃虎研究团队从2001年开始，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，土壤基质势阈值：-35kPa；②马铃薯、黄瓜等，土壤基质势阈值：-25kPa；③芹菜等，土壤基质势阈值：-20kPa。对于多年生作物，考虑到春灌和冬灌等需要，需要在50cm深度处也埋设一支负压计，无论哪支到了灌溉阈值都进行灌溉。
作物生长适宜的土壤基质势阈值，随着作物的生长发育和需水特征的改变而变化。因大田环境的可控性较差，易受到降雨的影响，目前关于大田作物适宜的土壤基质势阈值基本都是作物整个生育阶段的平均值。温室相对封闭且可调控的小环境使得作物生长发育的土壤墒情动态调控变得容易实现。下文以番茄为研究对象，研究了温室滴灌条件下特征点土壤基质势动态调控对番茄产量、品质、耗水量以及水分利用效率等的影响，以进一步完善基于特征点土壤基质势的温室土壤墒情监测技术。
试验在河北省廊坊市永清县海泽田农业示范园区的日光温室中开展。供试土壤为砂壤土，采用深层地下水灌溉，浅层地下水埋深大于5m。供试番茄品种为'凯特1号’，2015年9月9日移栽，9月25日定植，2016年5月11日采收结束。
试验设计了7个土壤基质势阈值（灌溉下限值）处理（S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7），在番茄开花坐果期和结果期分别控制滴头正下方20cm深度土壤基质势阈值为（即保证在番茄设计的生育阶段内土壤基质势高于等于）-15kPa和-15kPa（S1）、-15kPa和-30kPa（S2）、-15kPa和-45kPa（S3）、-25kPa和-25kPa（S4）、-30kPa和-15kPa（S5）、-30kPa和-30kPa（S6）以及-30kPa和-45kPa（S7）。所有处理番茄缓苗阶段土壤基质势阈值均控制在-15kPa。见表1。
番茄苗移栽后立刻进行第1次灌溉，灌水量45mm左右，造墒以使得计划根系分布范围内的土壤水库达到或接近最大贮水能力。之后在番茄缓苗阶段，当滴头正下方20cm深度土壤基质势降低到-15kPa时开始灌溉，每次灌水量6mm左右。番茄定苗后，各处理当土壤基质势降低到设定的阈值时，进行施肥灌溉，每次灌水量6~18mm左右，保证灌水结束后土壤基质势升高到设定阈值以上。
结果与分析
◆不同深度土壤基质势随时间变化规律
在番茄开花坐果初期，各处理70、90cm深度的土壤基质势都很高，在-13.0~-7.0kPa（图2）。随着番茄进入营养生长及生殖生长旺盛期，各处理70、90cm深度的土壤基质势逐渐降低，并且其降低幅度明显受20cm深度土壤基质势阈值的影响。
对于整个生育期土壤基质势阈值控制较高的处理，如S1、S2、S4和S5处理（图2a、2b、2d、2e），在番茄大部分生育期内20cm深度土壤基质势基本保持在-25kPa以上，其70、90cm深度的土壤基质势降低缓慢，且降低幅度基本一致，4个处理70cm深度的土壤基质势由-10.0~-8.0kPa逐渐降低到-23.0~-22.0kPa，90cm深度的由-10.0~-7.0kPa逐渐降低到-21.0~-20.0kPa。
番茄结果期土壤基质势阈值控制较低的处理，如S3、S6和S7处理（图2c、2f、2g），结果期20cm深度土壤基质势基本在-25kPa以下甚至更低，同期70、90cm深度的土壤基质势显著降低，且70cm深度的土壤基质势降低幅度尤为明显。例如S3和S7处理，70cm深度的土壤基质势由-10.0~-8.0kPa逐渐降低到-41.0~-36.0kPa，90cm深度的由-10.0~-7.0kPa降低到-29.0~-22.0kPa。
◆对番茄产量及品质的影响
不同土壤基质势阈值处理番茄的产量有显著差异。其中结果期土壤基质势控制最低（-45kPa）的S3和S7处理番茄的产量最高，平均达到132.0t/hm2。S5处理番茄产量最低，为103.8t/hm2，为S3和S7处理平均产量的78.6%（表2）。S5处理在开花坐果期土壤基质势阈值控制在-30kPa、结果期提高到-15kPa，说明番茄生育期内土壤干湿变化剧烈不利于番茄的高产。
不同土壤基质势阈值处理番茄畸形果率有显著差异。其中开花坐果期土壤基质势阈值较低（-30kPa）的S5、S6和S7处理畸形果率低，平均为8.2%，并且随着结果期土壤基质势阈值的降低（从-15kPa降低到-45kPa）畸形果率有降低的趋势。不同土壤基质势阈值处理对番茄果实可溶性固形物量有显著影响。其中开花坐果期土壤基质势阈值低（-30kPa）的S5、S6和S7处理果实可溶性固形物量高，并且随着结果期土壤基质势阈值的降低，可溶性固形物量有升高的趋势。
◆对番茄耗水量、水分利用效率等的影响
随着番茄生育期土壤基质势阈值的升高，番茄的灌水量和耗水量增多，灌溉水利用效率和水分利用效率降低（表3）。土壤基质势阈值最高的S1处理，累计灌水量和耗水量最高，灌溉水利用效率和水分利用效率最低；土壤基质势阈值最低的S7处理，累计灌水量和耗水量最少，灌溉水利用效率和水分利用效率最高。
番茄品种'凯特1号’是河北当地常见种植品种，适合温室大棚栽培，永清海泽田农业示范园现代管理水平下（灌溉方式为滴灌，但按照管理者的经验进行灌溉施肥）产量可达75.0t/hm2，灌溉水量大约450mm。2015~2016年生产季，其中1个棚采用20cm深度土壤基质势阈值指导滴灌灌溉，不同土壤基质势阈值条件下，温室秋春茬番茄产量在103.8~134.5t/hm2，整个生育期灌水量141~526mm，分别为当地高产节水管理水平下的1.4~1.8倍（平均1.6倍）和31%~117%（平均为67%）；其中S7处理同当地高产节水管理水平相比，番茄增产72.7%，节水68.8%，灌溉水利用效率提高5.5倍。因此，日光温室中采用20cm深度土壤基质势阈值指导秋春茬番茄进行滴灌灌溉，可以达到明显的增产节水效果。
（1）用负压计（张力计）监测土壤墒情来指导灌溉，基本实现了“傻瓜化”，是目前指导灌溉最简单、方便的方式之一。
（2）温室中控制滴头正下方20cm深度土壤基质势可以明显影响0~100cm深度土壤水分状况，明显影响番茄的产量、品质、耗水量、灌溉水利用效率和水分利用效率。
（3）在华北地区日光温室秋春茬番茄生产中，可以采用20cm深度土壤基质势阈值指导灌溉，土壤基质势阈值在开花坐果期控制在-30kPa、结果期控制在-45kPa，有利于番茄的高产优质，并且节水效益显著。
作者：万书勤1，李晓彬1，康跃虎1,2
（1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室
2.中国科学院大学资源与环境学院）
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