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东方生态:我们为什么一直强调灌溉是动态的?

    农世界网 2018-07-19 来源:

我们为什么一直强调灌溉是动态的?所谓动态是指,我们无法得到一个固定灌溉数值适用于作物全生育期或某一个生育时期。

如大家所知,灌溉是向土壤或其他作物吸收水分和营养的可储水基质中,预存水分供作物未来取用的过程。

通俗地讲,灌溉就是先把水输送到土壤中,形成一个土壤储水库,作物根据自己的需求从该储水库中慢慢吸水以保持生长

这个过程包含了管道输送水、土壤储水、作物耗水三个过程;除了输送水是利用灌溉硬件、管路设计等提高输送水效率以外,土壤储水、作物耗水的过程都是动态的。

  动态的土壤储水

既然灌溉是先把水存储到土壤中,那就必须先了解土壤能存多少水且能被作物吸收。我们把这称为「土壤有效储水能力」。

田间持水率与作物凋萎系数

理论上,土壤有效储水能力是指田间持水率与胁迫点含水率之间的空间,它代表了土壤中可被作物吸收的水分总量。

即土壤有效储水能力=田间持水率-胁迫点含水率。

田间持水率就是土壤所能保持的最大含水率;胁迫点含水率是作物发生永久凋萎时的土壤含水量,也叫作物凋萎系数。

灌溉的一个重要目标就是根据土壤的有效储水能力为作物提供水分,因为土壤的有效储水能力恰好能保证作物既不发生凋萎又不至于过量涝死。

也就是说只要获得田间持水率和胁迫点含水率,我们就可以得到一个指导灌溉量。

但不幸的是,田间持水率和作物凋萎系数在实际生产应用中都很难轻易获得。

田间持水率可以通过安装聆耘探头,然后人为地在探头周围进行局部的充分灌水,以获得田持数据。作物的凋萎系数是作物开始发生永久凋萎时的土壤含水率。

但实际生产中,不太可能刻意地做灌水试验/干旱测试,以获得作物在不同生育期不同土质下的田持数据和凋萎系数。

历史最高土壤含水量与历史最低土壤含水量

在实际应用中,我们通过聆耘探头对作物周边的土壤水分进行动态监测,发现可以找到作物根系从土壤中吸收水分逐渐减少直到很难再从土壤中吸收水分时的每个土层的土壤含水量状态,即历史最低土壤含水量。

以及每个土层历史最高的土壤含水量状态,即历史最高土壤含水量;也可以获得作物当前的每层土壤水分含量,即当前土壤含水量。

我们把历史最高土壤含水量与历史最低土壤含水量之间的空间认为是土壤有效储水能力。

那当前土壤含水量与历史最低土壤含水量之间的空间,就是当前土壤有效储水量。

即当前土壤有效储水量=当前土壤含水量-历史最低土壤含水量

需要注意的是,随着时间的推移,这三条曲线并不是一成不变,而是根据气候、作物生长需求不断变化,进而导致土壤有效储水能力、当前土壤有效储水量也一直处于动态变化中。

  作物根系深度

证明土壤储水是动态变化的最有力的证据是作物根系深度。

作物根系生长无时无刻不在变化;地下20cm根系和地下40cm根系需水量肯定不同。

因此, 更为准确的土壤有效储水能力、当前土壤有效储水量应该加入实时的作物根系深度。

在使用聆耘探头智能识别到的作物主要耗水根系深度数据后,历史最高含水量、历史最低含水量、根系深度三者交叉的这部分空间就是有效储水能力。(见图中绿色+紫色区域)

而当前土壤有效储水量是当前土壤水分含量、历史最低土壤水分含量、根系深度三者形成的空间。(见图中绿色区域)

随着根系深度的不断变化,这两部分空间也在实时变化。

决定土壤有效储水能力和土壤储水量的历史最高土壤含水量、历史最低土壤含水量、根系深度曲线都在随时随地变化,因此今天灌溉与明天灌溉需水量肯定不同。

为了准确起见,应提供您决定灌溉的「那一刻」的灌溉量。

即在这个时刻,土壤中还能存储多少水。土壤有效储水能力减去当前有效储水量,获得的这个灌溉量才最符合当时作物、土壤、气候的需求。

  动态的作物耗水

灌溉就是要满作物未来耗水量,也就是补充作物由于蒸腾蒸发损失的那部分水分。

与作物蒸发蒸腾相关的就是气候。我们无法保证气候一成不变,也无法保证作物每天的耗水量相同。

这引发了一个问题:当前土壤储水量可满足作物未来几天的耗水量?即第几天需要灌溉?

它决定了我们不能随意确定一个灌溉时间开始灌溉,合理的灌溉时间一定是根据作物耗水和土壤储水的动态变化科学制定的。

要想了解当前土壤储水量可满足作物未来几天的耗水量,首先我们需要了解目标地点的作物在未来一段时间内的逐日耗水量预测值(fdET)。

作物耗水量的预测数值(fdET)是未来数天内、同一地点每天的模拟蒸发蒸腾量的预测值与真实作物系数的预测值乘积的和。

模拟蒸发蒸腾量(sET)是经过插值(位置插值、时间插值)后的覆盖整个区域的时间历史连续的参考蒸发蒸腾量;东方生态E生态平台上可以获取此数据。

真实作物系数(rK)是面向特定作物、特定区域、特定灌溉方式,基于实测数据提取的,代表特定作物耗水量与当地气象之间关系的作物系数。

在作物附近部署聆耘探头,可以监测每一天作物实际耗水量。剔除那些土壤含水量太高或太低(通常为灌溉结束日及次日、下次灌溉日的前一日)以及阴天、降雨导致的未能充分进行土壤蒸发、农作物蒸腾消耗土壤水分的数据,获取作物的日真实耗水量,这样我们就得到了作物的真实作物系数(rK)。

即真实作物系数rK=ETc/sET

获得作物真实系数(rK)之后,结合E生态大数据平台的模拟蒸发蒸腾量(sET)预测数据,就可以获得目标地点作物在未来一定时间内的逐日耗水量预测值(fdET)。

即耗水量预测值fdET=sET*rK

根据聆耘探头自动提供的有效储水量(eW)数据,聆耘盒子动态比较作物耗水量的预测值(fdET)、当前有效储水量(eW),确定目标地点目标作物下次灌溉的最晚灌溉开始时间。

举例:

某目标地块最小灌溉控制单元(如一个滴灌电磁阀区域)未来1-7天的作物逐日耗水量的预测值为

f1ET=6mm,f2ET=5mm,f3ET=8mm,f4ET=4mm,f5ET=9mm,f6ET=3mm,f7ET=9mm。

该控制单元聆耘探头提供的有效储水量eW=20mm,则:

当前有效储水量可满足作物未来3天的耗水(19mm),但不能满足未来4天的耗水(23mm),因此下一次灌溉时间要早于第4天。

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