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砂質土壤上種植作物如何監控水肥動態?

摘要:針對砂質土壤的性狀特點,結合作物根系的分布規律,本文簡述了在砂質土壤上監控土壤水肥動態的必要性,并介紹了烘干法、時域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)和非常簡便實用的“土壤灌溉深度監測儀”法,在砂質土壤上監控水肥動態時可酌情選用。

前言

我國的農業生產中,砂質土壤占有相當的比例,在風積平原、河流沖積平原和沿海地區均有大量分布。根據國際制的土壤質地分類標準,一般將砂粒含量>55%的土壤統稱為砂質土壤,包括砂土和砂質壤土。砂質土壤結構松散、通氣透水,但保水保肥性差,養分容易隨水淋洗損失。因此在砂質土壤上種植作物,應監測土壤水分和養分的動態,避免過量灌溉,減少水肥損失。

1 砂質土壤容易發生水肥下滲損失

砂質土壤因為其質地特點,在多種作物的種植上有特殊的優勢,例如在砂質土壤上種植根莖類作物,其表面光滑、商品性好,在北方大面積的馬鈴薯、胡蘿卜等作物均種植在砂質土壤上;砂質土壤上種植甜瓜,有利于控制水分,增加糖分的積累。

圖1 砂質土壤上種植馬鈴薯和胡蘿卜

隨著水肥一體化技術的普遍使用,砂質土壤真正能發揮出其通氣透水的優勢,只要管理措施恰當,砂質土壤上可以實現較高的產量。然而在砂質土壤進行水肥管理,最重要的一條管理要求就是要避免過量灌溉,減少水肥的淋洗損失。

圖2 砂質土壤上種植甜瓜

在不同質地的土壤上,水分浸潤土層的擴散路徑是不一樣的,如圖3所示:在粘壤土上,水分橫向擴散的速度大于縱向擴散的速度,在剖面上呈現出扁圓形;在砂質壤土上,水分橫向擴散的速度和縱向擴散的速度基本相當,在剖面上呈現出近圓形;而在砂土上,水分橫向擴散的速度低于縱向擴散的速度,在剖面上呈現出棒槌形。在砂質土壤上,水分下滲速度更快。

圖3 典型土壤濕潤剖面示意圖

在砂質土壤上進行灌溉,要遵循少量多次的原則。一次性過量灌溉不僅造成水分的下滲,肥料也會隨著水分向下淋洗。例如,在農戶滴灌澆水10個小時以后,水分下滲深度超過50cm。為了直觀演示肥料養分的下滲,我們挖開剖面,用土壤EC計測定各個土壤層次上的EC數值(電導率),結果顯示,從上向下土壤的EC值逐漸變大,說明過量灌溉會導致肥料養分向下層淋洗。

圖4 用土壤EC計檢測不同土層的EC值

2 作物的根系主要分布在上層土壤

強調在砂質土壤上要避免過量灌溉,一方面是因為砂質土壤水肥容易下滲,另一方面,與之相對應的是作物的根系主要分布在上層土壤中,水肥位置與作物根系分布相重合才能被吸收利用。

  雖然說作物的根系有趨肥性,根系可以下扎吸收下滲的養分,但這種適應性畢竟是有限度的,下滲的太深了,養分損失不可避免。況且草本植物根系在土壤中的分布,主要集中在20-30cm的上層土壤中。以甜瓜為例,理論上認為甜瓜的根系可以生長到1.5m深,但在現在的高水肥栽培條件下,根系不會分布的那么廣。事實上挖開土壤剖面,可以觀察到主要根系分布在0-30cm的上層土壤中。

圖5 甜瓜的根系分布

玉米是須根系的作物,根系發達,在玉米上測定過根系在各個土壤層次上的分布。具體操作是在主根周圍按照一定的面積,分層取土方,將土方中的可見根系收集洗凈后掃描分析。

圖6 玉米及其根系

圖7 玉米根長和根長比例的層次分布

在雨養玉米上,以20cm一個層次,分3層測定不同耕作模式下的根系分布特征,在總根長和根長分布比例兩個指標上,顯示根系主要分布于0-20cm土層之中,約占到70-80%。而以經驗來看,控制灌溉深度在0-30cm的上層土壤中,水肥剛好到達根系集中的區域,有利于水肥的吸收。

圖8 甘藍的根系分布

3 土壤水肥監控常用的幾個方法

有鑒于砂質土壤的特性和作物根系的分布,在砂質土壤上監測灌溉的深度,掌握土壤水分、養分的動態,顯得尤為必要。

土壤水肥監測的方法有很多種多樣,例如稱重法,電容法,電阻法,微波法,中子法,Karl Fischer法,γ射線法,核磁共振法,頻域反射法(FDR)、時域反射法(TDR),石膏法,紅外遙感法等。雖然方法有很多,但是各種方法有各自的特點,在使用過程中需要根據實際需求做選擇,下面介紹幾種較為常用的方法供參考。

3.1 烘干法

烘干法也稱為稱重法,是測定土壤水分最經典和最精確的方法,也是唯一可以直接測定土壤水分的方法,因操作簡單,曾得到廣泛應用。

烘干法的具體為:從利用土鉆等設備,獲取不同層次的土壤,稱取一定質量的土壤,放到105℃的烘箱中烘至恒重,通過差減法計算土壤的質量含水量,土壤的體積含水量需要獲取容重后換算得到。土壤中的養分,在給方法中可以按照土壤層次依次測定,獲得養分在土壤剖面上的分布趨勢。

烘干法監測土壤水分,取樣及測定的過程耗時耗力,而且測定的數據時間密度不夠,時效性差。除此之外,烘干法取樣破壞土壤結構,在實際使用過程中,可以用來做常規檢測,但較難實現定點連續監測土壤水分的動態。

圖9 烘干法測定土壤水分

3.2 時域反射法(TDR)

TDR測定水分是通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間來確定土壤的介電常數,進而計算出土壤含水量的方法。TDR測定土壤水分,精度高,快速且操作簡單,能夠實現連續監測記錄而不破壞土壤結構,近年來被普遍用于土壤水分的監測和研究。另外,TDR能夠同時測定土壤水鹽含量。

圖10 TDR-100探針埋設示例

基于TDR技術的TRIME-PICO-IPH剖面水分測量儀,測量時,經由預先埋設的PVC材質的水分管,將剖面水分傳感器放置到不同的深度,利用手持終端操作讀取和保存數據。運用此方法,可以在田間多點埋設水分管,快速批量測定土壤的剖面水分。

圖11 基于TDR的TRIME剖面土壤水分測量系統(圖片來源于網絡)

TDR法測定土壤水分的方法,在使用前需要標定土壤的質地和容重等參數,在使用時受土壤空隙影響較大,且土壤濕度較大時,會產生較大偏差。以上這些只是技術上的,其設備昂貴的價格,導致大多用于科研而非用于農業生產。

圖12 田間埋設的水分管

3.3 頻域反射法(FDR)

頻域反射法,是根據傳感器發出的電磁波在不同介質常數物質中的頻率變化,測量水分的方法。FDR無論從成本還是技術的實現難度上都較TDR低,操作簡單,受土壤容重、溫度的影響較小。

圖13 土壤水分傳感器(左)和土壤電導率傳感器(右)

FDR探頭可與傳統的數據采集器連接,實現自動聯系監測。目前通過集成土壤、大氣、輻射、作物等多種傳感器的農業物聯網系統,不僅能夠實時監控各種作物生長和環境指標,還能夠通過遠程終端對數據處理后,直接干預田間的操作管理。

圖14 土壤墑情監測系統示意圖

3.4 “土壤灌溉深度監測儀”法

以上講了經典法和精密的儀器監測措施,下面介紹一款簡單實用的監測灌溉深度的裝置——“土壤灌溉深度監測儀”。該儀器由華南農業大學作物營養與施肥研究室張承林教授團隊研發,目前已在多個區域、多種作物上進行了推廣應用。土壤灌溉深度監測儀是利用浮力的原理,當水分入滲到內部的儲水管中,會將里面的浮標頂起,起到指示作用。該儀器結構簡單,操作方便,指示精準,能夠靈敏指示灌溉深度。

圖15 放置土壤灌溉深度監測儀

在使用時,預先將土壤灌溉深度監測儀埋設在預定深度,例如埋設在25-30cm,垂直放置,再將耕層土壤恢復原狀。在灌溉時通過觀察浮標來確定灌溉時間,在浮標上浮時停止灌溉,使用過幾次后即可了解該種土壤條件下的適宜灌溉時間。土壤灌溉深度監測儀在砂質土壤上反應靈敏,而在較粘的土壤上反應可能會有些許滯后。

圖16 甜瓜基地土壤淋溶液檢測

圖17 馬鈴薯基地土壤淋溶液檢測

土壤灌溉深度監測儀還有一個重要的作用,就是可以通過收集土壤淋溶液,檢測土壤養分淋洗的情況。在使用時可以連續埋幾個在不同深度,抽提淋溶液做EC和養分檢測。在使用時我們觀察到,在砂土上,無論是灌溉清水還是灌溉肥水,土壤淋溶液的EC值都較高,這也直接說明了砂質土壤養分的淋洗作用非常強烈,因此監測土壤水肥動態,減少淋洗損失非常必要。

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