智慧农业 | 玉米灌溉调度

灌溉调度是一个规划和决策过程，主要决策是：灌溉多少，何时灌溉。

灌溉多少水取决于土壤的可用储水量——作物能够从土壤剖面中消耗的可用水量。

何时灌溉取决于作物的水分利用率和土壤的总有效含水量。

灌溉调度的主要目标是管理灌溉以获得最大的效率。适当的调度将最大限度地减少作物水分胁迫造成的产量损失，提高对其他管理措施的产量响应，并优化灌溉效率，所有这些都有助于提高盈利能力。

导致过度或不足的用水调度会大大降低盈利潜力。例如，在生长季节过度灌溉会消除作物的水分胁迫，但也会降低灌溉效率和其他管理措施的响应，如施肥、病虫害和杂草控制。另一方面，灌溉不足会导致作物水分胁迫，降低其他管理因素的对产量的响应，尽管由于径流和深层渗漏减少，此时的灌溉效率很高。

影响灌溉调度的因素：何时灌溉以及灌溉量主要取决于四个因素——土壤中水的可用性、作物的需水量、降雨量和灌溉系统的实际灌溉量。

土壤类型多样，需要不同的水分管理技术。例如，土壤的结构特性决定了其持水能力、吸水率和排水率。

土壤有效水含量还因适合根系活跃生长的有效深度而异；有些土壤下层含有砾石或有硬土层，会限制根系生长。土壤就像海绵一样，起初很容易从中“挤出”水分，但随着水分的排出，难度会越来越大。

玉米生长过程中就会遇到这样的情况。当土壤剖面水分充足时，植物获取水分几乎不费力；但随着土壤水分减少，植物就需要付出更多努力来满足自身对水分的需求。降雨或灌溉使土壤达到饱和状态，随后任其排水，土壤所能维持的较稳定的含水量称为田间持水量。作物无法再从土壤中吸收水分时的土壤含水量称为永久凋萎点。田间持水量与永久凋萎点之间的土壤含水量被视为有效水。在植株开始出现胁迫之前，玉米能够利用土壤中储存的有效水的50%（也被称为速效利用水RAW）。

土壤可以视为一个储存水分供植物使用的水池。特定土壤类型的最大含水量是通过将土壤的可用持水能力乘以作物生根深度来确定的。

当必须灌溉以防止作物受到胁迫时（对于玉米来说，这是当它使用了一半的储存水时），土壤水池的最大允许消耗量就达到了。随着根系的加深，允许的耗竭点在生长中增加，从而扩大了土壤水池。

尽管早期的玉米根系深度较浅，但最终的根系深度中必须有水分，以确保良好的根系发育。在生长情况良好时，玉米90%的用水量来自土壤剖面的顶部90cm以内。

玉米在不同生长阶段的正常根深如表所示。通过了解玉米生长阶段和土壤类型，灌溉者可以从根深与土壤类型中确定土壤的总持水量，并据此确定土壤含水量耗尽时一次施用的最大水量。

例如，当玉米吐丝时，砂质壤土的总持水量为189.54mm（1.62g/cm³砂壤土容重*13%土壤有效含水量*90cm根系深度）。由于在受到到压力胁迫之前，玉米只能使用50%的有效水含量，因此最大允许消耗量为94.77mm，约合灌溉水63.21m³/每亩。

水从土壤中吸收，通过植物运输，然后通过蒸腾作用的过程流失到大气中。土壤表面的蒸发与蒸腾作用相结合称为蒸发蒸腾。

蒸腾发速率取决于温度、湿度、风、太阳辐射和作物的总叶面积。当温度相对较低、湿度较高时，如平静多云的日子，蒸发蒸腾速率会较低。如果温度很高，湿度很低，比如在阳光明媚、多风的日子，蒸腾速率就会很高。

在类似的环境条件下，一株叶面积小、根系有限的小型幼苗需要的水比叶面积大、根系茂密的成熟植物少得多。

在整个生育周期内其中70%的水来自土壤上部的30cm。

降雨通常会减少灌溉需求。然而，并非所有降雨都可以被认为是有效的；因此，需要估计来确定其价值。降雨可以通过两种方式从土壤中流失——径流和深层渗透。当降雨率超过土壤的渗透率时，就会发生径流。长时间的少量降雨通常会在没有径流的情况下补充土壤。当降雨超过作物根区土壤的总持水量时，深层渗透会导致水分流失。由于降雨量变化很大，应在计划灌溉的田地附近进行测量。

少量降水对灌溉水管理的影响很小。然而，足以填满大部分根区的降雨量将该改变灌溉计划，否则可能会导致计划中的一部分田地过度灌溉。使用中心枢轴灌溉系统，可以通过变量灌溉来成功解决这个问题。不幸的是，重力灌溉系统不允许这种灵活性。因此，在高用水期，当作物需水量等于系统容量时，降水可能会导致过度灌溉。然而，为了避免这种情况而推迟灌溉可能会导致晚些时候的作物压力。

确定降水有效性的最佳指南是考虑土壤类型和降雨强度。例如，在质地细腻的土壤上，高强度降雨的径流会比在质地粗糙的土壤上更快。降雨和土壤类型一样，在短距离内变化很大，这使得它们都是非常特定于场地的因素。因此，应在计划现场的直接位置测量降水量，并对每次降雨的效率进行估算。灌溉者应尽可能利用降雨，并记住准确的主要测量方法。

定期对流量测量装置进行校准，对于确保实现所需的灌溉水应用率至关重要。灌溉系统的输出率是制定灌溉计划的关键因素，必须了解，因为它决定了系统需要运行多长时间才能达到所需的灌水量。

对于喷洒式灌溉系统，应使用流量计或雨量计来测量所应用的水量。柱形容器可以制作成成本较低的雨量计，如果设置数量足够，还可以帮助确定喷洒的均匀性。对于沟灌系统，应在泵处或输送水渠中使用流量计。

如前所述，土壤的持水能力既表明了植物可利用的水量，也表明了允许的最大耗水量。因此，为了确定何时需要灌溉（即何时将达到允许的最大耗水量），人们必须了解在任何给定时间点土壤水库中的水量。

有多种方法可以对此进行估算。这里讨论的是最常见的方法，这些方法适用于任何土壤类型。

手感法是测定土壤含水量最古老的方法之一。随着含水量的变化，土壤的“感觉”也会发生变化。有了经验，一些人可以校准他们的触觉来估计可用的土壤水分。

采用这种技术所需的仪器是一个廉价的取土器，其长度足以穿透整个根部土层。然而，尽管使用简单，但手感法只允许近似的土壤湿度值。（使用任何固定式土壤湿度测量装置时，建议使用取土器仔细检查设备运行情况，并确认现场其他区域的湿度值。）

与手感法相比，探针式传感器测量土壤水分的方法更为精确。探针式传感器由金属、尼龙、玻璃纤维或其他含有电极的材料制成，将其埋入土壤中，电线延伸至地表。通过接触电线的电表，可以测量土壤在湿润和干燥周期中电阻的变化。

这些探针式传感器被放置在田间的四个位置或站点。在每个站点，分别将三块探针式传感器埋入地下15cm、45cm和60cm处。

在使用重力灌溉系统时，应在第一组和最后一组灌溉区域中，分别在田地的顶部和底部各设置一个站点。在使用中心支轴式喷灌系统时，应在正常停止位置的两侧各设置两个站点，且这些站点都应能从支轴道路到达。在每侧的两个站点中，一个应靠近中心，另一个应靠近支轴的外边缘。在田间使用的任何仪器都应插上标志，以便能够轻松找到。对于质地更细的土壤，推荐使用探针式传感器法。

张力计是测量土壤水分吸附力的机械仪器。如果已知特定土壤的土壤吸水率和可用水之间的关系，它们可以成功地用于安排灌溉。

建议在壤土和细砂上使用张力计。它们在现场的位置和站点数量与探针式传感器相同。

中子探测器使用放射源测量土壤含水量。仪器本身和接入管（需要安装）相当昂贵。因此，中子探针法主要用于研究，也被一些测量大量田地的灌溉咨询公司所采用。不建议用于小规模灌溉计划。

水分平衡是一种用于平衡土壤有效水分的方法。降雨量和灌溉量代表增加量，而蒸散量是减少量。降雨量和灌溉量应如前所述进行测量。蒸散量可以根据蒸发皿数据、附近气象站获得的天气数据或通过计算作物用水量的当地机构获得的信息进行估算。水分预算的关键值是土壤持水量。该值的50%是最大允许消耗水平，也是最大应用量。

水平衡计算的一个良好起点是土壤水位达到田间持水量。这允许灌溉器建立时间表，通过灌溉或降雨补充植物使用的水。由于每次灌溉通常都会填充土壤剖面，因此土壤持水量可以作为确定可用水量的指导，当用水量等于最大允许耗水量时，便执行灌溉。

降水的高概率使得在潮湿地区安排灌溉变得困难。由于夏季降雨的可能性更大，过度灌溉的可能性很高。在这些地区，降雨通常是作物需水量的主要来源，应充分利用。由于灌溉后不久降雨的可能性很大，建议不要对整个根区进行补充。这不仅降低了灌溉成本，而且最大限度地减少了营养浸出。对各种土壤类型的研究表明，只需湿润土壤剖面的顶部20cm-30cm处，就可以获得每亩650公斤到850公斤的玉米产量。

移动式喷水灌溉系统，如移动式喷枪和中心枢轴，需要更长的时间来覆盖灌溉区域。只要灌溉循环不被降雨中断，这就不会造成问题。充足的雨水同时将整个灌溉区的土壤均匀地补充到田间容量。如果允许可用土壤水在雨后达到最大允许排水量，那么在灌溉循环完成之前，一部分田地可能会经历相当大的水压力。

通过在出现允许消耗量的一半时启动系统，以及应用正常灌溉流量的一半（这应该允许缩短的循环在正常时间的一半内完成），可以最大限度地减少这个问题。这样的程序可以重新建立灌溉周期，而不会使部分作物受到过度压力。

根据土壤类型，在干旱和半干旱地区，种植时的早期降水或灌溉通常可以满足玉米作物春季的水分需求。然后，随着储备水分的使用，灌溉成为植物生长的主要手段。如果由于系统容量低或供水或成本限制，灌溉者最多只能勉强满足作物需求，那么在高用水量期间安排玉米灌溉似乎是不必要的。在这种情况下，在用水高峰期，一个合乎逻辑的计划可能是持续灌溉，除非有足够数量或强度的暴雨使土壤剖面湿度“赶上”。

然后，如果发生降水，计划将决定是否需要继续灌溉。在大多数情况下，干旱地区的日程安排在春季和秋季提供了最大的回报。顾名思义，干旱和半干旱地区的降水概率较低。因此，灌溉者应计划在灌溉期间填充土壤剖面，而不是为可能的降雨留出空间。夏季，平均每天的用水量可能超过6mm，这意味着在短短5天内，土壤水分就会减少30mm以上。重要的是要保持土壤水分高于作物需求，而不是冒着落后的风险，试图为低概率降雨留出空间。例外情况发生在秋季，此时作物需水量呈下降趋势。