智慧农业 | 土壤湿度指南

作物需要水来生长和生产，但知道要灌溉多少水以及何时灌溉对于拥有最健康的作物和实现最佳产量至关重要。在这个气候变化和天气越来越不可预测的时代，作物生产越来越依赖灌溉。与此同时，农业在节约用水和保持水质方面面临着越来越大的压力。观察和了解作物根区土壤水分波动的后果将有助于最大限度地提高产量，改善作物健康，并有效利用宝贵的水资源。

灌溉是干旱地区农业生产的基础，灌溉已被证明会增加和减少各种植物病害的发生。灌溉不足会导致植物压力，整体植物健康状况不佳，作物更容易生病。例如，马铃薯生长形成阶段的水分胁迫会导致赤霉病的发生率增加。

而过度灌溉除了造成水资源浪费，还会创造一个有利于其他疾病病原体生长的环境。许多土传疾病的发展、传播和运动都依赖于潮湿的条件，灌溉不当会导致土壤病害。以粘土为主的土壤快速浇水会导致水分径流和田地之间的疾病传播。了解何时灌溉、灌溉多少可以促进植物的健康生长，以及灌溉如何影响病害传播，对每个种植者来说都是至关重要的。

随着全球人口不断增长，农业部门的淡水供应需要不断扩大，同时生活供水、工业加工用水的需求竞争日趋激烈，气候变化的不确定性将加剧这种竞争，并在管理和分配淡水供应方面带来严峻挑战。

农业用水量占人类活动总用水量的70%，在农业用水当中灌溉用水占90%以上，这将不可避免地导致需求超过可用供水的时期，农业部门需要通过精准灌溉提高用水效率。考虑到与灌溉和疾病预防相关的时间和成本，投资提供实时土壤湿度监测，同时能够简化灌溉决策的技术是最为有效的方式。

土壤湿度（或土壤含水量-SWC）是土壤中存在的水量。它不仅影响植物生长，还影响营养物质向植物的运输和土壤温度。有两种测量方法用于确定土壤含水量：质量含水量；体积含水量。

质量含水量（GWC）通过从田间收集精确体积的土壤来测量土壤湿度。称量样品，放入烘箱中去除所有水分，然后再次称重。初始重量和干燥重量之间的重量差表示从样品中烘烤出来的水的重量。水重量与干固体重量之比为GWC%。

这被称为重量测量法，因为它比较了去除水前后样品的质量（而不是体积）；然而，结果仍然表示为样品中水的百分比。该方法是迄今为止最准确的测量方法，也是所有其他测量技术进行比较和校准的基准。虽然最准确，但这种方法需要手动收集现场样本，耗时的同时也需要精密的实验室设备进行分析。用于农田一段时间内监测土壤湿度是不切实际的。

体积含水量（VWC）是水的体积与土壤样本体积的比率，表示为百分比。在土壤样本中，包含以下基本成分：有机物、土壤矿物、空气、冰（在冬季的某些气候条件下）、水。

例如，如果VWC%被确定为25%，那么这意味着在1立方米的土壤中：其中25%是水，其中75%是有机物、土壤矿物质、空气和冰。

测量体积含水量可以通过传感器进行测量。测量土壤的哪些性质以及如何测量这些性质，将决定VWC%计算的准确性和传感器的成本。所使用的测量技术还将影响测量不同土壤类型时的VWC%精度。所需的精度水平（农场或研究）和传感器成本将决定哪种土壤水分测量方法最适合农业应用。

简而言之，不是。

如上所述，含水量是指土壤样本中含有的水量。它仅能告诉你土壤中的水分占土壤总质量或体积的百分比。而土壤水势（也称为土壤基质势SMP）描述了植物提取土壤中水所需的能量，它以压力单位描述，通常为kPa（千帕）。

基质势SMP是与土壤特征相关的成分。当水与固体颗粒（如土壤中的粘土或沙粒）接触时，水和固体之间的粘附力可能很大。水分子和固体颗粒之间的力与水分子之间的吸引力相结合，促进了表面张力和固体基质内的吸附力。然后，植物需要力来打破这些力，并从土壤中提取水。基质势的大小取决于几个因素，包括：固体颗粒之间的距离；固体基质的化学成分（即土壤类型）；以及土壤中的水量。

水会从水势高的地方扩散至水势低的区域。

这就解释了为什么了解田地里的土壤类型和作物的特性对农民来说至关重要。土壤的类型不仅决定了土壤中能容纳多少水（以及灌溉后水分流失的速度），还决定了随着含水量的减少，植物需要施加多少能量才能从土壤中获取水分。有一些特定的传感器可以测量土壤水势，如土壤张力计。

当土壤中的所有空隙都完全被水填满时发生。这种状态在漫灌的田间很容易发现，因为在灌溉或降水事件停止后，积水将在很长一段时间内存在。一旦这些灌溉或降雨停止，土壤空隙中的松散水分将开始通过植物根区排出。应避免土壤饱和，因为这会导致土壤中的养分被冲淋到植物根区以下，造成土壤肥力流失。

而当土壤含水量大于田间持水量时，植物的吸水受到土壤缺氧的影响。如果通过灌溉使土壤饱和，灌溉水就会被浪费，因为一些水会渗透到植物根区以下，植物无法获取。

土壤的含水量，其中大土壤孔隙中的所有自由水都通过重力从土壤中排出。从饱和状态开始，沙质土壤可能会在几个小时内从饱和状态排水到田间持水量水平，但粘土等细粒土壤可能需要2-3天的时间。重力水排出之后，剩下的是土壤颗粒和通过分子或物理特性附着在土壤空隙上的水以及空气。这种氧气和水的结合是植物生长的最佳条件。田间持水量表示为土壤中水的百分比；典型的VWC%值在沙质土壤中为20%，在粘土中为40%。田间持水量仅是土壤类型的属性。它不受土壤中作物类型的影响。

PWP是永久萎蔫点时土壤含水量，在该含水量下，土壤颗粒将水分强力保持，以至于植物无法从土壤中提取水分。在这个阈值，蒸腾作用（植物用水）和其他对植物生存至关重要的过程几乎停止。这导致作物生长和作物产量大幅下降。永久性枯萎点表示为土壤中水的百分比，典型的VWC%值从沙质土壤的7%到粘土的24%不等。永久枯萎点是土壤类型的一个特性，但也因植物类型而异，因为一些植物可以比其他类型施加更大的力并从土壤中提取更多的水分。

总可用水量是植物可用的水量，计算为田间土壤中的田间持水量与永久萎蔫点的水量之差。沙质土壤不能容纳大量的水，TAW含量最低，而中等质地的土壤，如粉质壤土和粉质粘壤土，TAW最大。因此，沙质土壤需要比壤土更频繁地灌溉。

为了确保植物有足够的水分，并且不会承受任何接触水分的压力，最好将植物的TAW保持在50%以上。这意味着灌溉应在土壤达到总可用水量的50%之前开始。滴灌应在土壤达到总可用水量的80%之前开始。

TAW可以表示为%：TAW%=FC%–PWP%。

它也可以用mm（水）/m（土壤）表示。

指由于土壤水含量饱和而排出至植物根区以外的水。所有这些术语都需要结合特定作物的背景来理解，特别是植物根区内的土壤。任何导致水渗入植物根区以下的灌溉都是植物流失的水。在水资源短缺的时候，这将是浪费的水。理想的灌溉量是当植物根区顶部和底部之间的水达到田间持水量，根区下方渗漏少量的水。

植物根系区只有一部分总可用水（RAW）可以被植物轻易吸收,这部分可以被植物利用的水，就是植物易用水。随着水的使用（或蒸发），剩余的水被强大的分子力固定在土壤颗粒上，这种分子力太强，植物开始收到胁迫。它通常为总可用水量的50%，但这个百分比可能会有所不同，因为一些植物比其他植物更能从土壤中提取水分。

如果土壤湿度（VWC%）低于RAW%，植物将开始经历水分胁迫和潜在的生长减缓。水分含量越低，植物承受的压力就越大。与仅取决于土壤类型的TAW阈值不同，RAW阈值取决于植物的抗逆性跟生长阶段。

土壤由不同数量的沙子、淤泥和粘土组成，有12种土壤质地，每种土壤质地对水的反应各不相同。土壤质地也被称为土壤类型。根据砂、粉土和粘土的各自百分比显示了不同的土壤类型。

结构是指土壤颗粒和土壤团聚体排列成可识别的颗粒或块。团粒几乎存在于所有土壤中，但它们的强度、大小和形状因土壤类型而异。团粒可以是松散易碎的，也可以形成不同、均匀的图案。例如，粒状结构松散易碎，块状结构是六面体，板状结构是分层的，可能表明存在压实问题。

土壤孔隙度是指土壤颗粒之间的空间，由量的水和空气填充。孔隙度取决于土壤质地和结构。例如，细土比粗土具有更小但更多的孔隙。粗土的颗粒比细土大，但孔隙度或整体孔隙空间较小。小孔隙中的水分可以比大孔隙中的更紧密地保持，因此细土可以比粗土保持更多的水分。土壤结构对从灌溉水向下渗透有显著影响。

土壤结构体类型分为团粒状、透镜状、楔状、块状、片状、棱柱状、圆柱状、单粒状、整块状、大块状，其中，大块状为人类活动所致。

了解土壤的土壤质地分类对于了解作物的正确土壤湿度范围和规划灌溉策略至关重要。确定土壤质地有两种方法：

实验室分析：这是推荐的方法，也是最准确的，并且会提供更多关于土壤质地以外的信息。

手感判断：土壤质地的手测法是根据土壤物理机械特性——粘结性和可塑性的表现程度来确定的。可分干试法和湿试法。

干试法：将土块完全捏碎到没有结构，取一部分放在手掌中捏时能得到均匀、柔软的感觉或某种粗糙的感觉。

湿试法：将土壤用水浸湿，加水时要逐渐地少量的的加入，用手指将湿土调匀，拌水过多或未充分湿润的土壤均不适用，所加水量要恰使土壤和匀后不粘手。当土团具有塑性时，将土团尽量做成小球，搓成小条，并将土条弯曲按成土环，以决定土壤的质地。

鉴别土壤质地的标准：

砂土：干时完全无结构，称为疏松的散沙，湿润时不能搓成小球。

沙壤土：干时捏碎起来很容易，有较粗的沙粒，湿润状态下可搓成短粗的条。

壤土：可搓成2-3毫米的细条，弯曲时容易断裂。

黏土：干时很难捏碎，湿时可搓成细条，弯成土环时不断裂，将土条压扁时也不会有裂缝。

植物可用的水量取决于土壤的质地。不同土壤质地的田间持水量和永久萎蔫点如下表所示。

砂土：沙质土壤的粒径最大，可以让水快速排出。因此，沙质土壤往往会更快地变干。沙质土壤的持水和养分能力较低，难以为作物保留足够的水分和养分。浅根作物在沙质土壤中更容易受到干旱胁迫，因为它们可能会经历缺水，阻碍其生长和产量。

壤土：壤土主要由砂土（粒径>63微米）、粉土（粒径>2微米）和少量粘土组成。壤土通常比沙质土壤含有更多的养分、水分和腐殖质，比富含粉土和粘土的土壤具有更好的排水性和水与空气的渗透性，比粘土更容易耕种。壤土通常为种植大多数植物品种最佳选择。

粉土：粉土具有中等大小的颗粒，比砂土具有更好的保水性。它们具有适度的持水能力和排水特性。在干旱期间，与沙质土壤相比，粉质土壤可以保持更长时间的水分。粉质土壤比粘性土壤具有更多的植物可用水容量。

粘土：粘土有很多细小的颗粒，有许多内层，形成了许多表面区域，可以紧紧地锁住水分和养分。它们具有较高的保水保肥能力，但排水能力较低，导致水分运动较慢，存在潜在的涝渍。此外，与粉质土壤相比，它们的植物可用水量较低，因为粘土在干燥时会紧紧地锁住水分。在干旱期间，粘土可以相对较好地保持水分，这有利于玉米、大豆和小麦等作物。然而，粘土中的过度保水也会导致根系缺氧，并在潮湿年份对作物生长产生负面影响。

当然你不需要记住这些级别。雨生云提供的数字工具可以根据选择的土壤类型及作物品种，自动匹配田间土壤水容量和永久枯萎点阈值，并实时监测土壤含水量变化。

体积含水量（“VWC”）表示为土壤所含水量的百分比或比率。例如，一立方米含30%VWC的土壤含有0.3立方米或300升的水。典型的VWC读数在5%到35%之间，具体取决于土壤类型。

整个种植季的数据都会被记录，并处理成直观的图表展示。