Влажность почвы и доступность ее измерения для поддержки роста растений являются основным фактором производительности фермы. Недостаток влаги может привести к потере урожая и смерти растений. Слишком много влаги вызывает заболевание корней и лишнюю растрату влаги.
Так же важно, что вода является механизмом доставки любых питательных веществ к растению. Являются ли эти питательные вещества доставлены в поле через систему орошения или другими способами, движение воды в почве регулирует, как они доставляются к корням растений. Хорошее управление водными ресурсами важно само по себе, но хорошее управление водными ресурсами также означает хорошее управление питательными веществами.
Точный контроль над средой корневой зоны с точки зрения содержания воды и питательных веществ приводит к более здоровым культурам и более высоким урожаям. Методы, описанные в этой статье, могут помочь вам получить контроль над средой корневой зоны, делая измерения, наблюдая тенденции с течением времени и используя эту информацию для принятия решений по орошению. При правильном применении результаты могут значительно повысить производительность и снизить стоимость затрат.

Ключевые моменты:

• Вода удерживается в почвенной смеси путем воздействия поверхностного натяжения, притягивающего молекулы воды к частицам почвы.
• Количество воды, которое почва может содержать и ее доступность для растений, зависит от типа почвы.
• Объемное содержание воды (VWC) является мерой количества воды, удерживаемой в почве, выраженной в процентах от общей массы грунта.
• Напряженность является мерой количества воды, содержащейся в почве, выраженной в виде количества требуемой работы (для растений) для удаления воды из почвы.
• Отношения между VWC и Напряженности зависят от типа почвы.
• Потенциал почвы – это содержание воды в почве, которое приводит к равновесию между силой тяжести и силой поверхностного натяжения. На полевой почве есть баланс воздуха и воды, что приводит к хорошим условиям роста.

Водоудерживающая способность грунта
Почва является хранилищем для воды, пока оно не будет использоваться растениями. Вода находится в пространствах между частицами почвы. Сила тяжести постоянно воздействует на воду в почве, чтобы перемещать ее вниз в недосягаемости для растений. Противоположная сила, которая удерживает его от движения вниз, представляет собой поверхностное натяжение, которое заставляет воду «прилипать» к частицам почвы. Чем меньше частицы почвы, тем более общая площадь поверхности у них есть, и тем больше они способны удерживать воду через ее поверхностное натяжение. Поэтому способность воды перемещаться по почве и храниться в почве в значительной степени зависит от типа почвы.
Когда вода попадает в почву с большими песчаными частицами, только небольшое количество воды остается прикрепленным к частицам, а остальная часть быстро стекает вниз. Песок имеет низкую емкость для удержания воды. В другом варианте, объем глинистой почвы имеет огромное количество мелких частиц с большой площадью поверхности. Когда вода поступает в глинистую почву, поверхностное натяжение плотно прилегает к частицам почвы, и только небольшой остаток стекает вниз. Глина обладает высокой способностью удерживать воду. Почва с высокой способностью удерживать воду может хранить большое количество воды по сравнению с собственным объемом, и при правильных условиях эта запасенная вода может оставаться доступной для использования растениями.
В почве с очень маленькими частицами те же силы поверхностного натяжения, которые обеспечивают большую удерживающую способность воды, также затрудняют извлечение и использование воды. Вода не перемещается через тонкозернистую почву и требует большого количества энергии для использования растениями. Сила, с которой растение воздействует на воду, чтобы отделить ее от частиц почвы и переместить ее в корневую систему, называется «натяжением». В большинстве случаев на ферме натяжение измеряется в сантибарах (1/100 бар) вкачестве отрицательного давления или вакуума (растения «высасывают» воду изпочвы, чтобы использовать ее). Даже если почвенная смесь содержит воду, еслинатяжение, необходимое для извлечения воды, больше, чем растения могутосилить, они умрут.
Из-за больших частиц песчаная почва обладает низкой способностью удерживатьводу. Как вода, так и питательные вещества могут легко стекать ниже корневогослоя растений. Однако, хотя песчаная почва не содержит много воды, тодоступность этой воды гораздо выше для растений. И так же, как глинистая почваплотно связывается с водой, она также может удерживать питательные веществавне досягаемости растений. Идеальной почвой для большинства условийвыращивания является суглинистая почва с различными размерами частиц идостаточной структурой, которая может содержать большое количество воды,которую легко потребить растениям.
Взаимосвязь между типом почвы, водоудерживающей способностью и доступностью воды проиллюстрирована в треугольнике текстуры почвы, показанном на рисунке 1. Важно знать, какие типы почв присутствуют в вашей области. Поскольку любая точка в вашей области может содержать разные типы почв на разных глубинах, может быть полезно использовать образцы керна для определения профилей типа почвы и глубины в ключевых местах.

Содержание воды, напряженность и емкость поля
Количество воды, удерживаемой почвой, называется «объемным содержанием воды» («VWC») и выражается в процентах или соотношении (дюймы воды на дюйм почвы). Например, один кубический фут почвы с 30% объемным содержанием воды содержит 0,3 кубических фута или 2,25 галлона воды.
Поскольку почва с небольшими частицами удерживает воду более плотно, чем песчаная почва, то такое же объемное содержание воды означает различные уровни натяжения в зависимости от типа почвы.

Существуют три уровня содержания воды (или напряжения), которые важны при планировании ирригации: «Насыщенность», «Емкость поля» и «Постоянная увядания». Это можно понять, исследуя, как вода проходит через почву после полива.

Насыщение
Когда вода поступает в почву быстрее, чем она движется вниз под действием силы тяжести, она становится насыщенной. Насыщенность формально определяется как условие, при котором все поры / пустоты почвы заполняются водой. Насыщенная почва тяжелая, содержит немного воздуха и может считаться грязью. Условия в насыщенной почве являются анаэробными и не способствуют здоровому росту растений. Напряженность в насыщенной почве очень низкая ,обычно меньше -10 сантибаров. VWC при насыщении может варьироваться от15% до 60% в зависимости от типа почвы.

Емкость поля
Со временем (количество времени зависит от типа почвы), практически вся вода, стечёт ниже корневого слоя растений под действием силы тяжести. Раствор почвы теперь находится в равновесии, содержащий всю воду, которая может удерживаться поверхностным натяжением. Это условие называется пропускной способностью поля. В полевой емкости вода легко доступна растениям, а почвенный раствор содержит достаточно кислорода. Оптимальные условия выращивания для большинства растений происходят в полевой емкости или немного суше, чем полевая мощность. Натяжение в полевой емкости составляет от -10 до -20 сантибаров. VWC может варьироваться от 10% до 50% в зависимости от типа почвы.

Управление допустимым истощением грунта
«Управляемое допустимое истощение» (MAD) – самый низкий уровень влажности, который может поддерживать растения без неблагоприятных стрессовых эффектов. Это точка влажности, при которой необходимо инициировать ирригацию, чтобы избежать стресс, влияющий на рост растений. Натяжение в MAD обычно составляет от -50 до -70 сантибаров. VWC на данный момент может варьироваться от 5% до 40%. Любое содержание влаги ниже этого уровня находится в зонах «Стресс».

Постоянная увядания
Поскольку почва подвержена испарению и потреблению растениями влаги, содержание воды уменьшается, а натяжение увеличивается до такой степени, что растения больше не могут извлекать воду. Поддержание почвы на этом уровне в течение любого периода времени может нанести постоянный ущерб растениям. Натяжение может составлять до -15 бар (-1,500 сантиметра). VWC колеблется от2% для песчаных почв до 30% для высокого содержания глинистых грунтов.

Влажность корневой зоны
На практике почвенно-водные отношения внутри корневой зоны урожая сложны и постоянно меняются. Корневая система может простираться значительно ниже поверхности почвы через несколько горизонтов почвы. Каждый горизонт может иметь различный тип или структуру почвы, поэтому способность удерживать воду и соотношение между VWC и натяжением может варьироваться в пределах корневой зоны. Кроме того, поскольку корневая система растет в течение всего сезона, множество почвенных условий постоянно подвергается изменениям. Это создает проблемы при использовании информации о влажности почвы в корневой зоне для принятия решений. Чтобы сделать выводы, необходимо надежное измерительное оборудование, а также обрабатывать большие объемы данных.

Измерение влажности почвы всегда играло важную роль в успешном управлении фермой. На протяжении многих лет фермеры полагались на «внешний вид» почвы для оценки содержания влаги. Фактически, исследования показали, что опытные фермеры могут идентифицировать определенные уровни влажности, такие как полевая емкость, с очень высокой степенью точности, просто ощущая почву и визуально наблюдая ее характеристики. Тем не менее, мониторинг влажности почвы на постоянной основе на нескольких позициях в корневой зоне и систематическое использование этой информации для принятия решений по орошению требует измерительных приборов, компьютеров и сетевого оборудования связи.

Типы датчиков влажности почвы

Коммерческие датчики влажности почвы подразделяются на две категории: те, которые измеряют VWC, и те, которые непосредственно измеряют натяжение. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, изложенные ниже.

Датчики натяжения:

• Непосредственное измерение натяжения, испытываемое растениями в результате водных условий.
• Не указывает, сколько воды в объеме грунта, не указывает запас, доступный доследующего орошения
• Позволяет легко определить, относительно независимо от типа почвы, насыщенность емкости поля и натяжения.
• Опираются на простую технологию и, как правило, дешевле, чем датчики VWC
• Часто не являются «готовыми к автоматизации» из-за их простой конструкции

Датчики VWC:

• Непосредственно измеряют содержание воды (или количество, связанное ссодержанием воды), с указанием запасов воды, доступных для растений.
• Могут использоваться для прогнозирования следующего орошения.
• Должен быть откалиброван, в зависимости от типа почвы, чтобы определить VWC , соответствующий влагоемкости и стрессу.
• Как правило, цена на датчик выше, чем устройства натяжения.
• Обычно микропроцессор контролируется и, следовательно, легко интегрируется ссетевыми системами.
• Может иметь высокую воспроизводимость показаний через широкий диапазон уровней влажности.

Из-за низких требований к обслуживанию, легкого интерфейса к цифровым сетям и, в некоторых случаях, способности пробы на нескольких глубинах, датчики VWC чаще всего используются для автоматического мониторинга влажности почвы. В результате в оставшейся части этой публикации основное внимание уделяется датчикам VWC. Ниже приводится сводка общих методов и устройств, используемых для измерения VWC почвы.

Гравиметрические методы
Гравиметрическое измерение является прямым, точным и является «золотым стандартом» для всех других методов измерения. Чтобы измерить VWC гравиметрически, образец берется из поля и доставляется в лабораторию в герметичном контейнере. В лаборатории образец взвешивают, выпекают в печи достаточно долго, чтобы удалить всю воду через испарение, а затем снова взвесили. Это непосредственно измеряет долю воды, которая находилась в исходном образце.

Нейтронные зонды
В нейтронном зонде используется радиоактивный изотоп, который испускает нейтроны с высокой энергией в почву. Нейтронная энергия поглощается при столкновениях с молекулами воды, а показатель доли нейтронов с более низкой энергией, возвращающихся в датчик, может быть откалиброван, чтобы дать очень точное и независимое от солености измерение VWC. Нейтронные зонды, как правило, очень дороги и требуют лицензирования в США Комиссией по ядерному регулированию. В результате этих факторов их использование стало менее распространенным в последние годы, так как улучшилась надежность емкостных (диэлектрических) датчиков.

Емкостные датчики
Емкостные датчики представляют собой устройства, которые измеряют диэлектрическую постоянную объема почвы, либо расположенный между двумя или тремя проводящими шипами зонда (волноводы). Поскольку диэлектрические свойства почвы непосредственно влияют на содержание воды, диэлектрические измерения могут быть откалиброваны, чтобы дать точную индикацию объемного содержания воды (VWC).

Ключевые моменты:

• Каждый датчик должен располагаться в точке орошаемой области.
• Для большинства культур влажность должна измеряться в нескольких местах по всей глубине корневой зоны и усредняться вместе в единую «сводку зоны корня».
• Решения о ирригации могут производиться с использованием необработанныхданных непосредственно из датчиков влажности. Это позволяет избежатьошибок, которые могут быть введены с помощью калибровочных кривых,которые зависят от типа почвы.
• Планирование орошения путем отслеживания влажности почвы относительно заданных «Линей управления», которые определяют пять областей влажности корневой зоны: «Очень полный», «Полный», «Оптимальный», «Нужен полив» и «Стресс». Цель состоит в том, чтобы запланировать орошение, чтобы сохранить влагу в Оптимальном районе.
• Уровень влажности почвы и скорость ее изменения могут быть использованы для прогнозирования времени и продолжительности следующего цикла орошения.

Использование измерений влажности почвы для определения ирригации включает в себя определение наименьшей и самой высокой влажности корневой зоны, которую вы хотите разрешить, а затем планирование событий орошения для поддержания уровня влажности между этими значениями.
В этом разделе мы обсудим, как реализовать эту концепцию на практике, выбрав правильные местоположения датчиков, используя измерения профиля для оценки влажности средней корневой зоны, правильно устанавливая высокие и низкие точки влажности («Линии управления») и поддерживая оптимальную влажность почвы в течение всего время года.

Глубина датчиков
Построение четкого изображения влажности и в корневой зоне требует, чтобы измерения проводились на нескольких глубинах в каждом месте располагать датчики. Множественные показания глубины обеспечивают хорошую индикацию средней влажности во всей корневой зоне и могут также предоставлять важную информацию о влажности на определенной глубине. Например, группа датчиков внутри корневой зоны может использоваться для оценки влажности, доступной для растения, в то время как более глубокий датчик ниже корневой зоны может измерять глубину просачивания воды (ниже ее доступности для растения).
Множественные показания глубины могут быть взяты либо с помощью многоуровневого зонда влажности почвы («датчик профиля влаги»), либо нескольких точечных измерительных датчиков. Неглубокий датчик должен находиться на расстоянии около 4 “(10 см) от поверхности; самое глубокое расположение должно быть, как минимум на 20% глубже, чем основание корневой зоны зрелого растения. Дополнительные датчики должны располагаться с шагом 4-6 “(10-15 см) в этом диапазоне.

Линии управления
В сущности, цель орошения, основанная на влажности почвы, заключается в том, чтобы сохранить измеренную величину влаги корневой зоны между предопределенными высокими и низкими уровнями. Уровни полной и перенасыщения влаги могут быть нанесены на график влажности почвы в зависимости от времени как две горизонтальные «линии управления», иногда называемые «Бюджетные линии». Область между (Избыток влаги) и (Недостаток влаги) определяет зону «оптимальной» влажности (рис. 5). Цель состоит в том,ч тобы сохранить итоговые измерения влажности почвы в пределах этой зоны.

Корректировка роста растений
Резюме корневой зоны показывает среднее содержание влаги в объеме корневой зоны. По мере роста растений и роста корней объем корневой зоны увеличивается. Весовые коэффициенты, используемые для расчета сводки зоны корня, необходимо изменить, чтобы отразить это. Кроме того, свойства почвы могут меняться в течение всего вегетационного периода, а увеличение размеров корней может привести к появлению новых типов почв в объеме корневой зоны.
Сводные веса корневой зоны и линии управления должны корректироваться несколько раз в течение вегетационного периода с использованием ранеео писанных процедур. По мере того, как вы продолжаете корректировать линии управления, вы заметите закономерности изменения скорости влажности корневой зоны, поскольку почва переходит из насыщения в полевую емкость, а затем в стресс. В конце концов, вы сможете овладеть этими настройками без подтверждения с помощью метода внешнего вида. На рисунке 7 показаны примеры точек перехода. Обратите внимание, что появление точек перехода зависит от типа и структуры почвы, поэтому кривые влажности в вашем поле могут отличаться от показанных здесь. Опыт имеет значение.

Запланируйте каждое событие орошения, установив его время начала и продолжительность. Время начала должно быть, когда заголовок зоны корневой зоны приближается к линии управления запасами. Продолжительность должна быть достаточно длинной, чтобы сводная информация о корневой зоне была близка к полной точке без ее превышения.

Время начала
Установка времени начала проста. Включите оросительную систему, когда запас влаги в почве приближается к стрессовому пределу. В зависимости от имеющихся у вас инструментов вы можете найти это.

• Часто просматривайте сводное значение корневой зоны
• Настройте вашу систему для автоматического оповещения о том, когда влажность приближается к точке стресса, или
• Прогнозируйте время инициации по наблюдениям за скоростью изменения кривой Корневой зоны.

Какой бы метод ни использовался, орошение должно быть начато до того, как график корневой зоны опустится ниже стрессовой точки.

Продолжительность полива
Продолжительность полива требует, чтобы вы знали, сколько времени должно пройти, чтобы влажность почвы поднялась с минимального допустимого уровня до максимально допустимого уровня (количество времени, чтобы «заполнить» профиль корневой зоны). Продолжительность зависит от скорости подачи ирригационной системы, объема корневой зоны, типа почвы и близости оросительного устройства или капельной трубки от растений. Определите время, необходимое для заполнения профиля, внимательно наблюдая первые несколько циклов орошения. Запускайте каждый цикл до тех пор, пока профиль не будет полностью заполнен, а затем продолжите наблюдение за пояснением корневой зоны, так как вода продолжает просачиваться в корневую зону. Как только вы сделали это несколько раз, и у вас есть хорошее чувство времени, необходимо годля заполнения профиля, вы сможете установить длительность с помощью таймера или использовать автоматические системы запуска ирригации на основе данных с датчиков.

Изменения
Любой график орошения необходимо периодически корректировать по мере роста урожая. Эта реальность находит свое отражение в требовании периодически корректировать весовые коэффициенты корневой зоны и линии управления, поскольку корневая зона изменяет размеры (предыдущий раздел).При внесении корректировок в весовые коэффициенты суммарной корневой зоны, чтобы отразить более большой объем корневой зоны, необходимо также переоценить продолжительность, используемую для заполнения корневой зоны.

Дефицит орошения
Процедуры, описанные в этом разделе, могут использоваться для орошения с дефицитом. Тем не менее, при дефицитном орошении полная линия управления установлена значительно ниже полевой емкости, а линия полива устанавливается на уровне мягкого стресса. Детали дефицитного орошения выходят за рамки этой публикации.

График на рисунке 8 показывает типичный профиль почвенной влаги, иллюстрирующий несколько концепций, рассмотренных в этом разделе.

Ключевые моменты:

• Управление ирригацией с использованием измерения влажности почвы очень эффективно, если зоны управления правильно выбраны.
• Микроклиматы внутри фермы или большой зоны управления могут затруднить представление одной точки для большой площади.
• Данные метеорологической станции ET могут дополнять измерения влажности почвы, чтобы сформировать полную картину.

Климат, тип почвы и методы орошения взаимодействуют сложными способами для определения распределения воды. Если единицы управления невелики, а тип почвы очень однородный, точечное измерение с помощью датчиков определения влаги является очень точным представлением. Однако тип почвы редко бывает однородным, и выбор произвольно малых единиц управления увеличивает стоимость. Эффективное управление влажностью требует тщательных проектных решений. Наблюдение в течение вегетационного периода необходимо для проверки процедур орошения и быстрых изменений, когда это необходимо.

Тип почвы
Консистенция почв в зоне управления оказывает значительное влияние на надежность измерений датчиков влаги. На рисунке 9 показана карта почвенного обследования одной оросительной зоны (центр круговой окружности), содержащей несколько типов почв.

Размещение одного датчика влажности в согласованной области, показанного на рисунке 9, и интерпретация его показаний для представления всей зоны может привести к стрессовым условиям в других зонах.
В то время как различные типы почв могут ограничить эффективные данные о влажности, если их правильно интерпретировать, наличие такой информации по-прежнему является преимуществом. Например, если известно, что почва в «Согласованной зоне» на рисунке 9 имеет большую удерживающую способность, чем остальная часть то зона полива может быть установлена выше, чем обычно, избегая стресса «Слабой зоны» между оросительные события.
Мониторинг датчиков в двух местах с наибольшей разницей в типе почвы может предоставить информацию, необходимую для корректировки линий управления таким образом, чтобы поддерживать оба участка между полевой пропускной способностью и максимальным устойчивым истощением – даже при управлении одной оросительной зоной.
Хотя различные типы почв могут представлять собой серьезную проблему для управления влажностью, стратегическое расположение датчиков могут преодолевать такие препятствия.

В этой статье изложены основы анализа влажности почвы, поскольку они применяются для управления содержанием воды в корневой зоне. Главное:

1. Регулирование влажности почвы в корневой зоне имеет решающее значение для оптимального роста сельскохозяйственных культур.
2. Точный контроль влажности почвы позволяет точно контролировать питательные вещества.
3. Современные сенсорные и сетевые технологии позволяют автоматизировать отслеживание влажности почвы.
4. Влажность почвы можно регулировать путем орошения поддерживая содержания воды между полевой емкостью и определенным допустимым истощением.

Приведение этих концепций в работу может повысить урожайность и эффективность вашей фермерской деятельности, экономя воду и управляя стоком. Конечным результатом может быть увеличение прибыли фермерских хозяйств с уменьшением воздействия на окружающую среду.