砂质土壤上种植作物如何监控水肥动态？

摘要：针对砂质土壤的性状特点，结合作物根系的分布规律，本文简述了在砂质土壤上监控土壤水肥动态的必要性，并介绍了烘干法、时域反射法（TDR）、频域反射法（FDR）和非常简便实用的“土壤灌溉深度监测仪”法，在砂质土壤上监控水肥动态时可酌情选用。

前言

我国的农业生产中，砂质土壤占有相当的比例，在风积平原、河流冲积平原和沿海地区均有大量分布。根据国际制的土壤质地分类标准，一般将砂粒含量>55%的土壤统称为砂质土壤，包括砂土和砂质壤土。砂质土壤结构松散、通气透水，但保水保肥性差，养分容易随水淋洗损失。因此在砂质土壤上种植作物，应监测土壤水分和养分的动态，避免过量灌溉，减少水肥损失。

1 砂质土壤容易发生水肥下渗损失

砂质土壤因为其质地特点，在多种作物的种植上有特殊的优势，例如在砂质土壤上种植根茎类作物，其表面光滑、商品性好，在北方大面积的马铃薯、胡萝卜等作物均种植在砂质土壤上；砂质土壤上种植甜瓜，有利于控制水分，增加糖分的积累。

图1 砂质土壤上种植马铃薯和胡萝卜

随着水肥一体化技术的普遍使用，砂质土壤真正能发挥出其通气透水的优势，只要管理措施恰当，砂质土壤上可以实现较高的产量。然而在砂质土壤进行水肥管理，最重要的一条管理要求就是要避免过量灌溉，减少水肥的淋洗损失。

图2 砂质土壤上种植甜瓜

在不同质地的土壤上，水分浸润土层的扩散路径是不一样的，如图3所示：在粘壤土上，水分横向扩散的速度大于纵向扩散的速度，在剖面上呈现出扁圆形；在砂质壤土上，水分横向扩散的速度和纵向扩散的速度基本相当，在剖面上呈现出近圆形；而在砂土上，水分横向扩散的速度低于纵向扩散的速度，在剖面上呈现出棒槌形。在砂质土壤上，水分下渗速度更快。

图3 典型土壤湿润剖面示意图

在砂质土壤上进行灌溉，要遵循少量多次的原则。一次性过量灌溉不仅造成水分的下渗，肥料也会随着水分向下淋洗。例如，在农户滴灌浇水10个小时以后，水分下渗深度超过50cm。为了直观演示肥料养分的下渗，我们挖开剖面，用土壤EC计测定各个土壤层次上的EC数值（电导率），结果显示，从上向下土壤的EC值逐渐变大，说明过量灌溉会导致肥料养分向下层淋洗。

图4 用土壤EC计检测不同土层的EC值

2 作物的根系主要分布在上层土壤

强调在砂质土壤上要避免过量灌溉，一方面是因为砂质土壤水肥容易下渗，另一方面，与之相对应的是作物的根系主要分布在上层土壤中，水肥位置与作物根系分布相重合才能被吸收利用。

　　虽然说作物的根系有趋肥性，根系可以下扎吸收下渗的养分，但这种适应性毕竟是有限度的，下渗的太深了，养分损失不可避免。况且草本植物根系在土壤中的分布，主要集中在20-30cm的上层土壤中。以甜瓜为例，理论上认为甜瓜的根系可以生长到1.5m深，但在现在的高水肥栽培条件下，根系不会分布的那么广。事实上挖开土壤剖面，可以观察到主要根系分布在0-30cm的上层土壤中。

图5 甜瓜的根系分布

玉米是须根系的作物，根系发达，在玉米上测定过根系在各个土壤层次上的分布。具体操作是在主根周围按照一定的面积，分层取土方，将土方中的可见根系收集洗净后扫描分析。

图6 玉米及其根系

图7 玉米根长和根长比例的层次分布

在雨养玉米上，以20cm一个层次，分3层测定不同耕作模式下的根系分布特征，在总根长和根长分布比例两个指标上，显示根系主要分布于0-20cm土层之中，约占到70-80%。而以经验来看，控制灌溉深度在0-30cm的上层土壤中，水肥刚好到达根系集中的区域，有利于水肥的吸收。

图8 甘蓝的根系分布

3 土壤水肥监控常用的几个方法

有鉴于砂质土壤的特性和作物根系的分布，在砂质土壤上监测灌溉的深度，掌握土壤水分、养分的动态，显得尤为必要。

土壤水肥监测的方法有很多种多样，例如称重法，电容法，电阻法，微波法，中子法，Karl Fischer法，γ射线法，核磁共振法，频域反射法（FDR）、时域反射法（TDR），石膏法，红外遥感法等。虽然方法有很多，但是各种方法有各自的特点，在使用过程中需要根据实际需求做选择，下面介绍几种较为常用的方法供参考。

3.1 烘干法

烘干法也称为称重法，是测定土壤水分最经典和最精确的方法，也是唯一可以直接测定土壤水分的方法，因操作简单，曾得到广泛应用。

烘干法的具体为：从利用土钻等设备，获取不同层次的土壤，称取一定质量的土壤，放到105℃的烘箱中烘至恒重，通过差减法计算土壤的质量含水量，土壤的体积含水量需要获取容重后换算得到。土壤中的养分，在给方法中可以按照土壤层次依次测定，获得养分在土壤剖面上的分布趋势。

烘干法监测土壤水分，取样及测定的过程耗时耗力，而且测定的数据时间密度不够，时效性差。除此之外，烘干法取样破坏土壤结构，在实际使用过程中，可以用来做常规检测，但较难实现定点连续监测土壤水分的动态。

图9 烘干法测定土壤水分

3.2 时域反射法（TDR）

TDR测定水分是通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来确定土壤的介电常数，进而计算出土壤含水量的方法。TDR测定土壤水分，精度高，快速且操作简单，能够实现连续监测记录而不破坏土壤结构，近年来被普遍用于土壤水分的监测和研究。另外，TDR能够同时测定土壤水盐含量。

图10 TDR-100探针埋设示例

基于TDR技术的TRIME-PICO-IPH剖面水分测量仪，测量时，经由预先埋设的PVC材质的水分管，将剖面水分传感器放置到不同的深度，利用手持终端操作读取和保存数据。运用此方法，可以在田间多点埋设水分管，快速批量测定土壤的剖面水分。

图11 基于TDR的TRIME剖面土壤水分测量系统（图片来源于网络）

TDR法测定土壤水分的方法，在使用前需要标定土壤的质地和容重等参数，在使用时受土壤空隙影响较大，且土壤湿度较大时，会产生较大偏差。以上这些只是技术上的，其设备昂贵的价格，导致大多用于科研而非用于农业生产。

图12 田间埋设的水分管

3.3 频域反射法（FDR）

频域反射法，是根据传感器发出的电磁波在不同介质常数物质中的频率变化，测量水分的方法。FDR无论从成本还是技术的实现难度上都较TDR低，操作简单，受土壤容重、温度的影响较小。

图13 土壤水分传感器（左）和土壤电导率传感器（右）

FDR探头可与传统的数据采集器连接，实现自动联系监测。目前通过集成土壤、大气、辐射、作物等多种传感器的农业物联网系统，不仅能够实时监控各种作物生长和环境指标，还能够通过远程终端对数据处理后，直接干预田间的操作管理。

图14 土壤墒情监测系统示意图

3.4 “土壤灌溉深度监测仪”法

以上讲了经典法和精密的仪器监测措施，下面介绍一款简单实用的监测灌溉深度的装置——“土壤灌溉深度监测仪”。该仪器由华南农业大学作物营养与施肥研究室张承林教授团队研发，目前已在多个区域、多种作物上进行了推广应用。土壤灌溉深度监测仪是利用浮力的原理，当水分入渗到内部的储水管中，会将里面的浮标顶起，起到指示作用。该仪器结构简单，操作方便，指示精准，能够灵敏指示灌溉深度。

图15 放置土壤灌溉深度监测仪

在使用时，预先将土壤灌溉深度监测仪埋设在预定深度，例如埋设在25-30cm，垂直放置，再将耕层土壤恢复原状。在灌溉时通过观察浮标来确定灌溉时间，在浮标上浮时停止灌溉，使用过几次后即可了解该种土壤条件下的适宜灌溉时间。土壤灌溉深度监测仪在砂质土壤上反应灵敏，而在较粘的土壤上反应可能会有些许滞后。

图16 甜瓜基地土壤淋溶液检测

图17 马铃薯基地土壤淋溶液检测

土壤灌溉深度监测仪还有一个重要的作用，就是可以通过收集土壤淋溶液，检测土壤养分淋洗的情况。在使用时可以连续埋几个在不同深度，抽提淋溶液做EC和养分检测。在使用时我们观察到，在砂土上，无论是灌溉清水还是灌溉肥水，土壤淋溶液的EC值都较高，这也直接说明了砂质土壤养分的淋洗作用非常强烈，因此监测土壤水肥动态，减少淋洗损失非常必要。

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