土壤传感器

应用/

    医疗用的心电图采用传感器来检测患者的身体状况，在人们的日常生活中早已屡见不鲜，而探测土壤状况的传感器成为现代农民在农作物生产中的一个重要工具，这一领域中出现了更多令人欣喜的进展。

    土壤传感器的好处是显而易见的，因电阻或导电率的不同，能够清晰地反映土壤水分和土壤颗粒组成的信息，而且还对密度、酸碱度、营养物质的积累和温度等得出直观的结论。通过农场中的网络建设，土壤传感器采集的实时参数传输到电脑主机，与机械上安装的系统配合，实现化肥和农药的自动控制喷洒。专家普遍认为，土壤传感器系统在可预见的未来将成为现代农业的一大助力。“从技术上讲，这或许也可以通过遥测等方法得到解决，但如卫星、无人直升机等所需成本更高，且很难做到随时监测。更重要的是土壤传感器埋在地下，处于静止状态，较为稳定，可以满足较高的数据传输要求。这些优势都是遥测所不具备的。”德国莱布尼兹大学农业工程研究所博士罗宾·吉布斯表示。

    具体有以下应用：

    实时监测土壤水分（土壤湿度）

    1.土壤湿度的定义

    土壤湿度(soil humidity)即土壤含水量,是表示一定深度土层的土壤干湿程度的物理量。土壤湿度的高低受农田水分平衡各个分量的制约。

    2.土壤湿度对农作物的影响

    1) 直接影响

    水分过高或过低，便抑制直到停止呼吸、光合作用、生长等生命活动。

    土壤湿度决定农作物的水分供应状况，直接影响作物根系的生长。只有土壤水分适宜，根系吸水和叶片蒸腾才能达到平衡状态。

    土壤湿度过低，形成土壤干旱，光合作用不能正常进行，降低作物的产量和品质；严重缺水导致作物凋萎和死亡。

    土壤湿度过高，恶化土壤通气性，影响土壤微生物的活动，使作物根系的呼吸、生长等生命活动受到阻碍。根系缺氧、窒息、死亡。

    土壤水分的多少影响土壤温度的高低。

    例子：豆类作物、马铃薯等的合适土壤含水量相当于田间持水量的70%～80%，禾谷类作物为60%～70%。土壤含水量低于最适值时，光合作用降低。各种作物光合作用开始降低时的土壤含水量（占田间持水量之百分数）分别为：水稻57%，大豆45%，大麦41%，花生32%。

    2) 间接影响

    A. 植物的倒伏、病害

    土壤湿度过高影响作物地上部分的正常生长，造成徒长、倒伏、各种病害滋生。

    B.植物根系的深度

    潮湿土壤中作物根系不发达，生长缓慢，分布于浅层。土壤干燥，作物根系下扎，伸展致深层。

    C. 对作物品质的影响

    水分对作物品质有较大的影响。夏季高温、少雨，粮食作物籽粒中蛋白质的含量高；低温、多雨有利于籽粒中淀粉的形成。有学者在研究了世界小麦的化学成分之后指出，各干旱地区生产的小麦籽粒通常蛋白质含量高或者很高。有资料表明，在灌溉条件下，小麦的产量显著增加，籽粒中的淀粉含量提高；但是蛋白质含量却有所降低。要想既增加粮食产量，又不降低其蛋白质含量，必须在灌溉条件下增施氮肥。

    D. 影响田间耕作措施和播种质量，收获质量。

    比如在土壤干燥结块的状态下使用机械收获马铃薯，将导致马铃薯和土块相碰撞，使马铃薯损伤。

    1.作物的需水量

    作物的需水量通常用蒸腾系数表示。蒸腾系数是指作物每形成一克干物质所消耗的水分的克数。作物的蒸腾系数不是固定不变的。同一作物不同品种的需水量不一样，同一品种在不同条件下种植，需水量也各异。影响作物需水量的因素很多。是气象条件。大气干燥、气温高、风速大，蒸腾作用强，作物需水量多；反之则需水量少。第二是土壤条件。土壤肥沃或经施肥后，作物生长良好，干物质积累多，而水分蒸腾并不相应增加，因此需水量要比在瘠薄地上少些。有关研究证明，土壤中缺乏任何一种元素都会使需水量增加，尤以缺磷和缺氮时需水最多，缺钾、硫、镁次之，缺钙的影响最小。

    2.需水临界期

    作物的一生中对水分的需要量大体上是生育前期和后期需水较少，中期因生长旺盛，需水较多。作物一生中对水分最敏感的时期，称需水临界期。在临界期内，若水分不足，对作物生长发育和最终产量影响。例如，小麦的需水临界期是孕穗至抽穗期。在此时期内，植株体内代谢旺盛，细胞液浓度低，吸水能力小，抗旱能力弱。如果缺水，幼穗分化、授粉、受精、胚胎发育都受阻碍，造成减产。在作物生产实践中，确定作物的灌水时期和灌水数量，除了要考虑需水临界期这一个因素外，还应注意当地降水多少和土壤墒情好坏。

    3.土壤水分的表示方法

    农业气象上土壤湿度常采用下列方法与单位表示

    ① 重量百分数

    即土壤水的重量占其干土重的百分数(%)。此法应用普遍，但土壤类型不同，相同的土壤湿度其土壤水分的有效性不同，不便于在不同土壤间进行比较。

    ② 体积百分数

    体积含水率是指土壤中水分占有的体积和土壤总体积的比值。体积含水率与重量含水率两者之间可以换算。绝大多数土壤水分传感器测量得到的数值都是体积百分数含水量。

    ③ 田间持水量百分数

    即土壤湿度占该类土壤田间持水量的百分数(%)。利于在不同土壤间进行比较，但不能给出具体水量的概念。

    ④ 土壤水分贮存量

    指一定深度的土层中含水的数量，通常以毫米为单位，便于与降水量、蒸发量比较。土壤水分贮存量W（毫米）的计算公式为:W=0.1·h·d·w。式中h是土层厚度，d为土壤容重（克/厘米3）,0.1是单位换算系数，w为土壤湿度（重量百分数）。

    ⑤ 土壤水势或水分势

    土壤水势或水分势是用能量表示的土壤水分含量。其单位为大气压或焦/克。为了方便使用，可取数值的普通对数，缩写符号为pF，称为土壤水的pF值。

    6.土壤湿度的测定方法

    国内外有很多土壤水分测定方法。具体方法列举如下：称重法，时域反射法（TDR），石膏法，红外遥感法，频域反射法/频域法(FDR/FD法)，滴定法，电容法，电阻法，微波法，中子法，Karl Fischer法，γ射线法和核磁共振法等。

    ① 烘干法

    烘干法是测定土壤水分最普遍的方法，也是标准方法。具体为：从野外获取一定量的土壤，然后放到105℃的烘箱中，等待烘干。其中烘干的标准为前后两次称重恒定不变。烘干后失去的水分即为土壤的水分含量。计算公式为土壤含水量=W/M*100%，M为烘干前的土壤重量，W为土壤水分的重量，即M与烘干后土壤重量M’的差值。称重法缺点是费时费力（需8小时以上），还需要干燥箱及电源，不适合野外作业。如果采用酒精燃烧法，由于需要翻炒多次，极为不便，不适合用于细粒土壤和含有有机物的土壤，且容易掉落土粒或燃烧不均匀而带来较大误差，而且需要取土测量，对土壤有破坏性。

    ② TDR（Time Domain Reflectometry）法

    TDR法是上世纪80年代发展起来的一种土壤水分测定方法，中文为时域反射仪。这种方法在国外应用相当普遍，国内才刚开始引进，当各部门都相当重视。TDR是一个类似于雷达系统的系统，有较强的独立性，其结果与土壤类型、密度、温度基本无关。而且还有很重要的一点就是，TDR能在结冰下测定土壤水分，这是其他方法无法比拟的。另外，TDR能同时监测土壤水盐含量，且前后两次测量的结果几乎没有差别。这种测定方法的精确度可见一斑。

    ③ FDR和FD法

    因为TDR法设备昂贵，在80年代后期，许多公司(如AquaSPY,Sentek. Delta-T， Decagon)开始用比TDR更为简单的方法来测量土壤的介电常数，FDR和FD法不仅比TDR便宜，而且测量时间更短，在经过特定的土壤校准之后，测量精度高，而且探头的形状不受限制，可以多深度同时测量，数据采集实现较容易。

    实时监测不同土层的温度

    1.土壤温度的定义

    土壤温度（soil temperature）是地面以下土壤中的温度。主要指与花木生长发育直接有关的地面下浅层内的温度。土壤温度（地温）影响着植物的生长、发育和土壤的形成。土壤中各种生物化学过程，如微生物活动所引起的生物化学过程和非生命的化学过程，都受土壤温度的影响。

    2.土壤温度与农业生产的关系

    ① 直接影响

    A. 影响种子发芽和出苗

    与气温相比，对种子发芽和出苗的影响，土壤温度要直接得多。作物的种子必须在适宜的土壤温度范围内才萌发。但是，土壤温度随地形、土壤水分、耕作条件、天气及作物覆盖等影响而变化。

    B.影响作物的生长发育速度

    在一定的温度范围内，土壤温度越高，作物的生长发育越快。一年内某时段出现低温或高温，常常给农业生产带来危害。过高的土壤温度使植物根系组织常加速成熟，根系木质化的部位几乎达到根尖，降低了根表面的吸收效率。土壤温度低，作物根系吸水缓慢，当气候条件适于蒸腾时，植株地上部分常呈现脱水或缺水。土壤温度过低，常使冬作物的分孽节或根系产生冻害，强低温延续的时间长短和降温及冻融的速度都影响到冻害的程度。

    C. 作物块茎冰冻

    在秋冬季节，必须在作物块茎能经受的温度之前进行收获，比如：当土壤温度在-1-2℃时，马铃薯块茎就会被冻死。

    例子：一般耐寒的谷类作物，种子萌发的平均土温为1-5℃；喜温作物为8-10℃。一般作物的根系在土壤温度2-4℃时开始生长，在10℃以上根系生长比较活跃，超过35℃时根系生长受到阻碍。冬麦在12-16℃时生长良好，玉米、棉花等为25℃左右，豆科作物的根系在22-26℃生长良好；马铃薯块茎成熟期30天内，15-27℃是块茎形成的合适土壤温度。

    ② 影响作物的生理过程

    在O-40℃之间，细胞质的流动随升温而加速。在20-30℃的范围内，温度升高能促进有机质的输送。温度过低，影响营养物质的输送率，阻碍作物生长。在O-35℃范围内，温度升高能促进呼吸，但对光合作用的影响较小，所以低温有利于作物体内碳水化合物的积累。适宜的土壤温度还能促进作物的营养生长和生殖生长。

    例子：春小麦苗期，地上部分生长最适宜的土壤温度为20-24℃，后期为12-16℃，8℃以下或32℃以上很少抽穗；冬小麦生长适宜的土壤温度要低一些，24℃以上能抽穗，但不能成熟。间接影响土壤温度影响环境条件中的其他因子，从而间接影响作物的生长发育。

    ③ 影响土壤中有机质和N素的积累

    大多数土壤微生物的活动要求有15-45℃的温度条件。超出这个范围（过低或过高），微生物的活动就会受到抑制。土温对土壤的腐殖化过程、矿质化过程以及植物的养分供应等都有很大意义。土壤有机质的转化也受土温的影响，南方高温地区，有机质分解快；北方温寒地区，则分解慢，土壤中的养料和碳化周转期远比南方要长。所以在高温的南方应加强有机质的累积，而在较寒冷的北方则应侧重于加速有机质的分解，以释放养分。

    土壤有机质的转化与温度的关系很大，热带地区温度高，有机质分解快；寒温带温度低，有机质分解慢，其所含养料周转期远比南方长。所以，在南方，调节土壤的有机质偏重于加强有机质的积累，而在寒冷地区则更多的侧重于加速有机质的分解以释放养分。在南方水田中，早春使用大量的绿肥后，由于春后气温和土温的升高，土壤有机质的分解相当迅速，加之地表水膜已隔绝了大气与土壤之间的气体交换，如果土壤中地下水位又高，土体内所蔽蓄的空气本来就不多，这就已造成缺氧条件，特别是在大量使用新鲜绿肥或未腐熟肥的情况下，由于肥量的迅速分解耗尽了氧气，就更造成土壤氧化还原电位的急剧下降，产生H2S和过多的Fe2+、Mn2+离子，引起有机酸的积累造成对水稻根系的毒害，抑制其吸收养分的机能。旱地土壤中最有利于硝化过程的土壤温度是27 ℃~ 32 ℃。在冰冻土壤中，硝化作用几乎出停顿对状态；在-1 ℃~ 4 ℃时，土壤中开始有硝化作用，但反应非常缓慢，其硝化速率仅相当于25 ℃时的1% ~ 10%，随着温度的升高，硝化细菌渐趋活跃，10 ℃、15 ℃、20 ℃时的硝代速度相应为25 ℃的20%、50%、80%。由土温引起的土壤N素供应商的季节性差异，是制定施肥制度的一个重要依据。

    ④ 土壤温度对土壤P素供应的影响

    土壤P素的季节性变化较为复杂。水稻土中暖季里土壤P素有效性增加，主要由于土壤渍水后，硫酸铁在还原条件逐渐变为可利用态的缘故。彭干涛等（1980）在江苏宜兴的定位观察表明，6种不同肥力水平的土壤上，不同季节土壤速效P量的差异，并未达到统计上的显著，并发现土壤速效P量并不受季节温度变化的影响。他们认为，温度对植物P素营养的影响，可能是根系吸收P素受温度影响较大缘故。根据侯光炯等研究，铁铝胶体结合的P要在30 ℃左右才能活化，一般夏季气温高时，土壤中的P活性大；冬季气温低时，土壤中的P活性小。万兆良（1981）的实验表明，土温对P 的固定似有一定影响，紫色土和山地黄壤等6种不同土壤中，土温由10 ℃~ 15 ℃上升到30 ℃，P32固定量减少20% ~ 70%。

    ⑤ 土壤温度对土壤K素容量和强度关系的影响

    温度是影响土壤中K素动态变化的一个重要因素。土壤温度的变化影响到土壤中K 的固定和释放，影响到K+在土壤中的扩散过程和粘土矿物对K+的选择吸收。温度对土壤中K+的影响是多方面的。Ching和Barber曾经研究过温度对土壤中K+扩散过程的影响，发现K+的扩散系数随温度的升高而增加。Feigenbaun和Shainberg发现提高温度可以增加土壤中缓效K的释放速率。Sparks和Liebhardt研究了温度对土壤中K+平衡过程的影响，发现升高温度增加土壤对K+的选择吸附。金继运等（1992）的实验结果表明，随着温度的升高，土壤供K能力增加，缓冲性能下降。本项研究结果表明，温度可以改变土壤K素的Q/I关系，升高温度增加了土壤溶液中K+的活度，提高了土壤的K能力。可见土壤温度是影响土壤中K素动态变化和土壤供K能力的一个不可忽视的重要因素。尤其是在中国北方经常发生早春低温冷害的地区，温度的影响可能更为明显。

    ⑥ 土壤温度对土壤电导性的影响

    土壤温度对于土壤介质的性质影响较大，对于土壤电导尤为明显。李成保和毛就庚（1989）以砖红壤、赤红壤、红壤、黄棕壤、滨海盐土、内陆盐土和苏打盐土为试材，用热敏电阻性温度传感器，测出不同土壤处理及其电导率与温度的回归统计数据。结果表明：实验条件下，土壤电导率与温度的相关系数α为0.960 ~ 0.999，有很好的线性关系。土壤电导率随温度升高而增大。温度每升高1℃所引起的电导率的变化量（“电导温度变率”）是因土壤介质而异，顺序为：盐土>；黄棕壤>；可变电荷土壤。不同土壤之间电导温度变率的顺序为：滨海盐土>；内陆盐土>；苏打盐土>；黄棕壤>；砖红壤>；红壤>赤红壤。

    ⑦ 土壤温度对土壤水分状况的影响

    土温对土壤水分状况的影响是多方面的。土温升高时，土壤水的粘滞度和表面张力下降，土壤水的渗透系数随之增加，土温25℃时水的渗透系数为0℃的2倍。土壤水分的自由能与土壤温度密切相关。张一平等（1990）以陕西省红油土、垆土、黑垆土为供试土样，试验结果表明，温度对土壤水势具有明显的影响，3种土壤皆呈现随温度升高土壤水吸力降低的特点。在测定的含水量范围内，温度与吸水力之间呈现极显著的负相关，相关系数（r）在- 0.990 6 ~ 0.999 0(n=5）。这是由于温度升高时，水的粘滞度和表面张力降低所致。在等吸力时，温度高者，含水量则较低。

    ⑧ 土壤温度对土壤中生物学过程的影响

    土壤温度对微生物活性的影响极其明显。大多数土壤微生物的活动，要求温度为15 ℃~ 45 ℃。在此温度范围内，温度愈高，微生物活动能力越强。土温过低或过高，超出这一温度范围，则微生物活动受到抑制，从而影响到土壤的腐殖或矿质化过程，影响到各种养分的形态转化，也就影响到植物的养分供应。例如，氨化细菌和硝化细菌在土温28 ℃~ 30 ℃时最为活跃，如土温过低，往往由于硝化作用极其微弱，而使作物的N素养分供应不足。土壤温度达到52 ℃时，硝化作用停止。

    ⑨ 对土壤水(溶液）的移动，土壤水存在的形态以及土壤气体的交换等的影响

    土壤温度越高，土壤水的移动越频繁，土壤中的气态水就较多；土壤温度低时，土壤水的移动近于停止。土壤水常转化为固态水。作物在一定的生育阶段，适应不了过高的土壤温度，需要降低土壤温度以保证作物的正常生长发育。

    3)提高土壤温度的农艺措施

    北方地区，气候寒冷，土壤温度低是农业生产上的主要矛盾，采取垄作，可增加对太阳辐射的吸收量和减少反射。垄作的昼夜平均土壤温度可高于平作；深耕松土，增加土壤中的孔隙，改善土壤底层的通气透水状况，也可提高土壤的吸热和增温、保温能力；适时、适量进行冬灌，使土壤含水量大，散热缓慢，土壤温度变化比干燥土壤缓慢，可保护冬作物安全越冬。

    实时监测空气温度

    1.空气积温的定义

    空气积温是作物生长发育阶段内逐日平均气温的总和。是衡量作物生长发育过程热量条件的一种标尺，也是表征地区热量条件的一种标尺。以〔度·日〕为单位。积温常作为气候区划和农业气候区划的热量指标，以衡量该地区的热量条件能满足何种作物生长发育的需要。

    2.空气积温的分类

    通常使用的有活动积温和有效积温两种。

    ① 活动积温（一般简称积温 ）

    为大于某一临界温度值的日平均气温的总和，如日平均气温≥0℃的活动积温和日平均气温≥10℃的活动积温等。某种作物完成某一生长发育阶段或完成全部生长发育过程，所需的积温为一相对固定值。

    ② 有效积温

    扣除生物学下限温度（有时同时扣除生物学上限温度），对作物生长发育有效的那部分温度的总和。即扣除对作物有热害和冷害的部分，使热量条件与作物生长发育更趋一致。

    ③ 其他积温

    冬季零下的日平均温度的累加称为负积温，表示严寒程度，用于分析越冬作物冻害。日平均土壤温度累加称为地积温，用以研究作物苗期问题及水稻冷害等。逐日白天平均温度的累加称日积温，用以研究某些对白天温度反应敏感的作物的热量条件。

    3.积温的作用

    可为农业气候热量资源的分析和区划以及为农业气象预报、情报服务。

    反映生物体对热量的要求，为地区间作物引种和新品种推广提供依据；

    在农业气候研究中作为分析地区热量资源、编制农业气候区划的热量指标；

    在农业气象预报、情报服务中根据作物各发育时期的积温指标，预报作物的发育时期;

    负积温的多少，有时做为低温灾害的指标之一;

    日积温的可用来分析一天内作物生长发育与温度的动态关系。

    4.计算作物所需要的积温的注意事项

    计算时段不宜按旬、月、季、年来划分，一般按作物生长、发育时期划分；

    作物发育的起始温度（又称生物学零度）不一定和0℃相一致，因作物种类、品种而异，而且同一作物，不同发育期也不相同。多数都在0℃以上。计算各种作物不同发育期的积温时，应当从日平均温度高于生物学零度时累积，只有当日平均温度高于生物学零度时，温度因子才对作物的发育期起作用。

    例子：冬小麦春季恢复生长的温度是0～5℃，玉米发芽的温度是5℃，水稻、棉花在10℃左右开始出苗，番茄、黄瓜的出苗温度是15℃。

    5. 中国各温度带的积温和作物熟制

温度带	范围	≥10℃积温	作物熟制
寒温带	黑龙江省北部、内蒙古东北部	<1600℃	一年一熟。早熟的春小麦、大麦、马铃薯等
中温带	东北和内蒙古大部分、新疆北部	1600—3400℃	一年一熟。春小麦、大豆、玉米、谷子、高粱等
暖温带	黄河中下游大部分地区和新疆南部	3400—4500℃	两年三熟或一年两熟。冬小麦复种玉米、谷子、甘薯等
亚热带	秦岭、淮河以南，青藏高原以东	4500—8000℃	一年两熟到三熟。稻麦两熟或双季稻。双季稻加冬作油菜或冬小麦
热带	滇、粤、台的南部和海南省	>8000℃	水稻一年三熟。甘蔗

    实时监测植物的生长活动状态

    如下图为一个植物根系消耗土壤水分的样本曲线图。

    植物根系消耗土壤水分的样本曲线图

    图中的纵向坐标轴是地表到植物根系最深处所在的土层的总含水量，单位：毫米(mm)。本图中土壤含水量刻度从90毫米一直到390毫米。

    这里含水量的单位毫米和降雨量的单位毫米一致。降雨量是指：从天空降落到地面上的雨水，未经蒸发、渗透、流失而在水面上积聚的水层深度。土壤含水量是指：把指定土层中(如从地表到深度80厘米处)所有的水从土壤中提取出来后所积聚的水层深度。

    从该图中我们可以看出：

    在2月11日(横坐标9 Feb是2月9日)进行了一次灌溉，土壤含水量从220毫米上升到了345毫米；

    从2月11日到2月15日，4天时间，由于土壤中含水量较高，土壤空隙中都充满了水，氧气较少，植物根系活动较为缓慢，土壤含水量的下降速度并不快。

    从2月15日到2月22日，7天时间，每天的土壤含水量都有大幅度的下降，植物在很好的吸收利用水分，进行大量的蒸腾作用，光合作用。比如在2月19日(19 Feb)这一天，因蒸腾蒸发，土壤中减少了大概12毫米的水分。

    从2月22日开始，因土壤含水量较低，植物吸收利用土壤水分的速度越来越慢，趋向平缓。

    到3月10日(10 Mar)时，土壤含水量降低到了105毫米，植物凋萎死亡。

    监测有效降雨量

    在每次自然降雨以后，究竟有几毫米的水保存到了土壤中？从而判断土壤中的水能够被植物消耗利用的时间，进而做出后期的灌溉计划，这在生产实践中具有意义。因为通过雨量筒测得的降雨量和保存到土壤中的有效降雨量完全是不一致的，教科书中常采取降雨量乘以有效降雨系数的经验计算方法，比如取经验值有效降雨系数为0.7，当某次降雨量为30mm时，保存到土壤中的有效降雨量为30x0.7=21mm。

    取经验值系数的方法造成的误差显然很大:一场短时间内降雨量超过土壤水下渗速度的暴雨和一场长时间的空气湿度极大的棉棉细雨，雨量筒得到的数值和实际保存到土壤中的水量的差异显然是非常的大了。

    中国管土壤水分仪使用下面的有效降雨求解方式，使复杂的经验值问题变得简单，准确的解决。只需要做一个减法:

    有效降雨量=降雨后土壤中的含水量-降雨前土壤中的含水量。

    科学精准灌溉

    1.在常规灌溉中存在的问题

    结合到农业生产现实中，因涉及到水源是否丰富、轮灌、抢水、水肥一体化、喷灌机械是否正常运转，除草、中耕、打药等农业操作等一系列的问题，但单从灌溉量的角度考虑，无非是三种结果：过量灌溉、过少灌溉和合适量的灌溉。

    1) 过量灌溉

    过量灌溉的原因很多，比如：

    为了省事，偷懒，喜欢灌溉一次管用很多天；

    在一些地方水资源还不足够显得珍贵，没有节约用水的意识；

    粗放式的农业管理，就没有考虑过精细化灌溉；

    不能动态判断作物根系深度，土壤水大量灌溉下渗到了根系深度以下的土层；

    未能按照根系深度科学灌溉施肥，进而肥料利用效率低，为了保证农作物对肥料的需求量，必须增加额外的灌溉；

    没有充分认识到过量灌溉的危害。

    过量灌溉给病虫害的滋生提供了“温床”，过量的施肥造成烧草，过量的用药使病原菌产生了抗药性。过量灌溉造成的土壤次生盐碱化。

    过量灌溉的后果很明显：浪费水资源；浪费化肥、农药；农药、病害恶性使用循环；化肥、农药残；污染环境；

    灌溉设备设施折旧磨损。

    2) 单次灌溉量不足（不得不补灌更多水补上）

    当单次灌溉量不足后，如果要挽救，就得继续灌溉，以保证农作物的需水要求。灌溉量不足时，水没有能下渗到农作物根系，那就是没有任何有用功的烧钱，相反的，可能会造成更多的无用功：为草的生长提供了良好的条件，大量的草茂盛的长了出来。一旦农作物和草同时长出地面后，靠化学除草的方式时常难以施展，更多的靠成本的模式：人工拔草。

    以下是一个8次灌溉中只有2次灌溉，灌溉到了30厘米深处土层，6次灌溉都是无用功的极端例子。

    如上土壤水分曲线图，7月21日-8月16日共26天：

    问题一：如下137号土壤水分曲线图，在26天中，共喷灌浇水9次，共自然降雨3次，平均3天灌溉一次，灌溉频率过高，并由此造成单次灌溉量不够。（注：最上面的红颜色曲线表示5厘米深处土壤水分变化情况，红颜色曲线的每次快速上升和下降都预示着一次灌溉浇水行为）

    问题二：如问题一，在26天的8次喷灌中，却仅有2次浇水使30厘米深处土壤含水量有所上升，而紫花苜蓿的根系深度已经明显超过了30厘米深，达到了50厘米土层深度。也就是说，26天的8次浇水，仅有2次浇水的灌溉量稍微达到要求，湿润到了紫花苜蓿的根部，其余6次浇水做的都是无用功，并没有让紫花苜蓿根系所在土壤层湿润。（注：黄颜色曲线表示了30厘米深处土层的土壤水分变化情况，在9次灌溉中，仅有3处，30厘米深处土壤水分含量有所上升）。

    造成灌溉量不足的原因有很多，以下是一些潜在原因：

    A. 没有意识到并非所有的水都保存到土壤里了。比如喷灌，在高温，风大的天气，雾化效果越好的喷灌，在空气中蒸发的水自然越多；

    D. 缺少合理的伦灌制度；

    E. 不能掌握植物需水量的动态变化需求，做了很多无用功灌溉；不同的生育期对土壤水分的需求也是不相同的，苗期需水量稍少，随着作物的生长加大，到生长旺期需水量，成熟期逐渐少。

    F. 常规灌溉与施肥，施药未能有机结合。

    通过智能监测土壤水分、温度的方法，有效解决过量灌溉，单次灌溉量不足，提高每次灌溉浇水的利用效率，优化灌溉用水。

    2.实时监测土壤水分，进行精准灌溉

    当园艺师，农业企业管理人员就像使用手机QQ一样，无论何时何地，只需要打开安装在手机上的监测软件，就立即知道所监测田间的土壤含水量、温度和盐分变化情况时，受到实时监测的灌溉行为自然要比盲目不受控制的灌溉科学、合理。

    土壤水分、温度监测仪配套软件显示的“土壤水分曲线图”就是植物的“心电图”，相关人员不一定需要丰富的植物学知识，但根据“土壤水分曲线图”，便诊断了植物当天的生长状态。

    也可以根据客户的需要，开通设置短信提醒功能。按需要将土壤水分、温度监测仪监测到的数据发送到客户手机上。

    使用智能土壤水分、温度监测仪指导农业灌溉，可以分为以下两个阶段：

    1) 从播种准备到小苗阶段

    在这个阶段，使用智能土壤水分、温度仪监测土壤的相对湿度、温度，确保农作物种子生活在满足发芽、生根的土壤环境中，从而迅速发芽，破土而出。关于每种农作物种子发芽所需要的土壤湿度、温度环境，从种子厂家到科研单位，有很多资料可以查询。这里主要解释相对湿度、田间持水量等几个关键要素。

    ① 田间持水量

    田间持水量（field moisturecapacity）是指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量（土水势或土壤水吸力达到一定数值）。

    田间持水量长期以来被认为是土壤所能稳定保持的土壤含水量，也是土壤中所能保持悬着水的量，是对作物有效的的土壤水含量，且被认为是一个常数，常用来作为灌溉上限和计算灌水定额的指标。但它是一个理想化的概念，严格说不是一个常数。虽在田间可以测定，但却不易再现，且随测定条件和排水时间而有相当的出入。

    ② 相对湿度

    土壤相对湿度是指土壤含水量与田间持水量的百分比，或相对于饱和水量的百分比等相对含水量表示。根据土壤相对湿润度(R)的干旱等级指标，可以分为60%

    2) 中苗到成苗阶段

    在小苗到成苗阶段，农作物每天通过根系吸收土壤中的含水量已完成每天的蒸发蒸腾、光合作用活动，我们通过智能土壤水分监测仪得到的土壤水分曲线直观地反应出植物根系从土壤中吸收水分的状态、效率。

    在这个时间，我们完全可以抛开田间持水量、相对含水量这些问题，可以通过看土壤水分曲线图，从而简单、直接的判断需要开始灌溉的时间、灌溉量、需要灌溉停止的状态。

    如下图所示是一个安装在中国北方玉米地的智能土壤水分传感器得到的土壤水分变化曲线图，所监测地块共发生了3次含水量的增加，然后逐渐被玉米消耗。中间一次，8月16日，土壤含水量的增加幅度不大，但是5厘米土层含水量有持续一天的时间没有显著的下降，说明中间一次的含水量增加是由于持续降雨引起的。

    黄颜色为30厘米土层的水分含量变化曲线，可以看出，8月16日的降雨，仅使5厘米，10厘米土层的含水量增加，降雨并没有渗透使30厘米土层湿润。8月16日降雨之后，黄颜色所代表的30厘米深土层、绿颜色所代表的80厘米土层的含水量仍然在持续的被玉米根系消耗而下降，并且下降的速度变缓，说明尽管在8月20日时30厘米，50厘米土层中尽管还有20%左右的含水量，但玉米的根系已经很难从土壤中吸收水分了（因为该地块是粘壤土），因而在8月22日时，果断的进行了第二次灌溉。

    优化农药化肥的使用

    当采用液态肥，或者固态肥溶解于灌溉系统，随着灌溉水一起施入土壤中时，实时监测灌溉量、土壤湿度、湿润层深度对优化农肥农药的使用、提高利用率很有帮助。

    避免过量灌溉是优化农药化肥的使用的重要措施，一般在土层深度20-40厘米保持湿润即可。过量灌溉不但浪费水，严重的是养分淋失到根层以下，浪费肥料，作物减产。特别是水溶肥料中的尿素、硝态氮肥(如硝酸钾、水溶性复合肥)极容易随水流失。

    帮助农艺师进行农艺方案决策

    科学的使用智能土壤水分、温度，空气温度监测仪，可以帮助园艺师进行农艺方案决策，以下是两个例子。

    ① 春季开工时间

    在北方冬季冰冻的地区，通过远程使用手机或电脑观测土壤水分曲线图，很方便地掌握土壤不同土层的冰冻后化冻状态。只有化冻后才能进行土壤深松翻地活动。

    ② 春耕翻地松土深度

    通过智能土壤水分监测仪，可以对农作物的不同层次根系深度位置做跟踪判断，分析出农作物主要根系所在土层，进而指导翻地、深松时的科学耕作土层深度。

    ③ 秋冬霜害及防霜措施

    霜冻可分为3种类型：

    由强烈冷平流天气引起剧烈降温而发生的霜冻称平流型霜冻，常常伴有强风，也叫“风霜”；由在晴朗无风的夜间，植物表面强烈辐射降温而发生的霜冻称辐射型霜冻，也叫“静霜”；冷平流和辐射冷却共同作用下发生的霜冻，称平流辐射型霜冻，通常先有冷空气入侵，温度明显下降，天气转晴，夜间无风，辐射散热强，这种霜冻出现次数多，影响范围大，降温幅度较强，对农业生产的危害也较重。霜冻程度还与地形、地势和土壤状况密切相关，迎风坡比背风坡重、山谷地和低洼地比山坡重、干旱农田比潮湿农田重。

    通过智能土壤水分、温度，空气温度监测仪，实时掌握田间气候状态，在霜害发生之前采取预防措施。灌溉法，就是是一种经济有效的防霜方法。通过向田间灌水，能使土壤的热容量和导热率增大，并增加空气湿度和温度，减少辐射散热。实践证明，灌水的田块作物叶面温度在夜间比不灌水的提高1-2摄氏度。防霜的效果以灌溉的当天或次日为好。的时机在冷空气刚过风静下来而霜冻尚未发生时进行灌溉。

    提高农作物的产量

    土壤水分含量过高或过低都会使农作物感觉“不舒服”。因为，土壤含水量过低，使农作物从土壤吸收水分的生长活动受到抑制，产量降低。相反地，如果农作物根系周围的土壤处于水饱和状态（土壤空隙里都充满了水），植物根系不能进行呼吸而使产量遭受影响。

    科学家们根据“土壤水分曲线图”分析土壤含水量过高或过低的累积天数（统称为植物遭受胁迫）与最终农作物的产量的关系，得到了如下的曲线图：

    提高农产品品质

    土壤水分对农作物的产量、质量品质产生直接的影响。对于不同农作物，人们做过很多的实验研究，确认该农作物在不同的生育期通过合理控制土壤水分含量以达到优质高产的。比如，下面是葡萄的例子。

    葡萄生长前期，需要大量水分以形成营养器官。葡萄成熟期水分过多，浆果糖分积累困难，果实淡而无味。

    葡萄的年生长周期为：

    1、树液流动期：根系吸收了水分和无机盐后，树液向上流动，植株生命活动开始运转。春季气温回升，当地温达到6—8℃时葡萄根系开始吸收水分、养分，直到萌芽。

    2、萌芽期：从萌芽到开始展叶的时期。当日平均气温稳定在10℃以上时，葡萄根系发生大量须根，枝蔓芽眼萌动、膨大和伸长。

    3、新梢生长期：从展叶到新梢停止生长的时期称为新梢生长期。新梢开始时生长缓慢，以后随气温升高而加快，到20℃左右新梢迅速生长，日生长5厘米以上，出现生长高峰期，持续到开花才又变缓。

    4、开花期：从始花期到终花期止，这段时间为开花期，一般1—2周时间。每天上午8—10时，天气晴好，20—25℃环境下开花最多。如气温低于15℃或连续阴雨天，开花期将延迟。

    5、浆果生长期：子房膨大至果实成熟的一段时期称为浆果生长期。一般需要60—70天，长的需要100天。

    6、浆果成熟期：果实变软开始成熟至充分成熟的阶段，时间半个月至2个月。

    7、落叶期：果实采收至叶片变黄脱落的时期。

    8、休眠期：从落叶到第二年春天根系活动树液开始流动为止这段时期

    帮助产量预测

    1.产量预测的意义

    1)国家层面

    民以食为天，一个国家的粮食产量与储备将对该国家的安定繁荣与发展起到至关重要的作用，所以根据对未来几年甚至几十年的粮食产量预测进行战略规划将是每个国家至要工作。随着全国人口的迅速增长，越来越多的人往城市方向迁移，导致粮食的生产有一定的滞后。人均粮食产量成为人们重视的问题，特别是对未来的粮食产量预测成为人们迫切需求知道了解的重大难题。

    2)企业个体层面

    作为农业企业，最终的农作物的产量涉及到企业收获工作量、运输、仓储等一些列的企业运营环节。收获时的人工招聘、培训、组织，运输车辆的联系，仓库的准备等一系列准备工作都需要大量的提前时间段。为了使收获人工数量、车辆运输能力、仓库仓储能力等一些列环境与农作物产量相配套，从而使企业运营效率、运营成本化，就需要做出尽可能准确的产量预测。

    2.农作物产量与蒸发蒸腾量关系

    在其他影响因素确定的情况下，农作物的产量与其在生育期的蒸发蒸腾量有显著的线性关系，通过土壤水分传感器统计出农作物在生育期的蒸发蒸腾量，为预测农作物产量提供参考。

    测算灌溉水利用系数

    灌溉水利用系数(英文名称：waterefficiencyofirrigation)是指在一次灌水期间被农作物利用的净水量与水源渠首处总引进水量的比值。灌溉水利用系数的概念约在60年前提出，它是衡量灌区从水源引水到田间作用吸收利用水的过程中水利用程度的一个重要指标，也是集中反映灌溉工程质量、灌溉技术水平和灌溉用水管理的一项综合指标，是评价农业水资源利用，指导节水灌溉和大中型灌区续建配套及节水改造健康发展的重要参考。跟踪分析灌溉用水有效利用系数变化情况，合理评价节水潜力与节水灌溉发展成效，对于促进灌溉节水健康发展具有重要意义。