土壤感測器

土壤含水量有重量含水量和體積含水量（容積含水量）兩種表示方法。重量含水量通過取土烘乾法測量得到，通過土壤水分感測器測量得到的含水量均為體積含水量。即，土壤水分感測器就是測量單位土壤總容積中水分所佔比例的儀器。一些土壤水分感測器能同時測量土壤的水分含量、土壤溫度及土壤中總鹽分含量三個參數。

醫療用的心電圖採用感測器來檢測患者的身體狀況，在人們的日常生活中早已屢見不鮮，而探測土壤狀況的感測器成為現代農民在農作物生產中的一個重要工具，這一領域中出現了更多令人欣喜的進展。

土壤感測器的好處是顯而易見的，因電阻或導電率的不同，能夠清晰地反映土壤水分和土壤顆粒組成的信息，而且還對密度、酸鹼度、營養物質的積累和溫度等得出直觀的結論。通過農場中的網路建設，土壤感測器採集的實時參數傳輸到電腦主機，與機械上安裝的系統配合，實現化肥和農藥的自動控制噴灑。專家普遍認為，土壤感測器系統在可預見的未來將成為現代農業的一大助力。“從技術上講，這或許也可以通過遙測等方法得到解決，但如衛星、無人直升機等所需成本更高，且很難做到隨時監測。更重要的是土壤感測器埋在地下，處於靜止狀態，較為穩定，可以滿足較高的數據傳輸要求。這些優勢都是遙測所不具備的。”德國萊布尼茲大學農業工程研究所博士羅賓·吉布斯表示。

具體有以下應用：

1.土壤濕度的定義

土壤濕度(soil humidity)即土壤含水量，是表示一定深度土層的土壤乾濕程度的物理量。土壤濕度的高低受農田水分平衡各個分量的制約。

2.土壤濕度對農作物的影響

1) 直接影響

水分過高或過低，便抑制直到停止呼吸、光合作用、生長等生命活動。

土壤濕度決定農作物的水分供應狀況，直接影響作物根系的生長。只有土壤水分適宜，根系吸水和葉片蒸騰才能達到平衡狀態。

土壤濕度過低，形成土壤乾旱，光合作用不能正常進行，降低作物的產量和品質；嚴重缺水導致作物凋萎和死亡。

土壤濕度過高，惡化土壤通氣性，影響土壤微生物的活動，使作物根系的呼吸、生長等生命活動受到阻礙。根系缺氧、窒息、最後死亡。

土壤水分的多少影響土壤溫度的高低。

例子：豆類作物、馬鈴薯等的合適土壤含水量相當于田間持水量的70%～80%，禾穀類作物為60%～70%。土壤含水量低於最適值時，光合作用降低。各種作物光合作用開始降低時的土壤含水量（占田間持水量之百分數）分別為：水稻57%，大豆45%，大麥41%，花生32%。

2) 間接影響

A. 植物的倒伏、病害

土壤濕度過高影響作物地上部分的正常生長，造成徒長、倒伏、各種病害滋生。

B.植物根系的深度

潮濕土壤中作物根系不發達，生長緩慢，分佈於淺層。土壤乾燥，作物根系下扎，伸展致深層。

C. 對作物品質的影響

水分對作物品質有較大的影響。夏季高溫、少雨，糧食作物籽粒中蛋白質的含量高；低溫、多雨有利於籽粒中澱粉的形成。有專業學者在研究了世界小麥的化學成分之後指出，各乾旱地區生產的小麥籽粒通常蛋白質含量高或者很高。有資料表明，在灌溉條件下，小麥的產量顯著增加，籽粒中的澱粉含量提高；但是蛋白質含量卻有所降低。要想既增加糧食產量，又不降低其蛋白質含量，必須在灌溉條件下增施氮肥。

D. 影響田間耕作措施和播種質量，收穫質量。

比如在土壤乾燥結塊的狀態下使用機械收穫馬鈴薯，將導致馬鈴薯和土塊相碰撞，使馬鈴薯損傷。

1.作物的需水量

作物的需水量通常用蒸騰係數表示。蒸騰係數是指作物每形成一克干物質所消耗的水分的克數。作物的蒸騰係數不是固定不變的。同一作物不同品種的需水量不一樣，同一品種在不同條件下種植，需水量也各異。影響作物需水量的因素很多。第一是氣象條件。大氣乾燥、氣溫高、風速大，蒸騰作用強，作物需水量多；反之則需水量少。第二是土壤條件。土壤肥沃或經施肥后，作物生長良好，干物質積累多，而水分蒸騰並不相應增加，因此需水量要比在瘠薄地上少些。有關研究證明，土壤中缺乏任何一種元素都會使需水量增加，尤以缺磷和缺氮時需水最多，缺鉀、硫、鎂次之，缺鈣的影響最小。

2.需水臨界期

作物的一生中對水分的需要量大體上是生育前期和後期需水較少，中期因生長旺盛，需水較多。作物一生中對水分最敏感的時期，稱需水臨界期。在臨界期內，若水分不足，對作物生長發育和最終產量影響最大。例如，小麥的需水臨界期是孕穗至抽穗期。在此時期內，植株體內代謝旺盛，細胞液濃度低，吸水能力小，抗旱能力弱。如果缺水，幼穗分化、授粉、受精、胚胎髮育都受阻礙，最後造成減產。在作物生產實踐中，確定作物的灌水時期和灌水數量，除了要考慮需水臨界期這一個因素外，還應注意當地降水多少和土壤墒情好壞。

3.土壤水分的表示方法

農業氣象上土壤濕度常採用下列方法與單位表示

① 重量百分數

即土壤水的重量占其干土重的百分數(%)。此法應用普遍，但土壤類型不同，相同的土壤濕度其土壤水分的有效性不同，不便於在不同土壤間進行比較。

② 體積百分數

體積含水率是指土壤中水分佔有的體積和土壤總體積的比值。體積含水率與重量含水率兩者之間可以換算。絕大多數土壤水分感測器測量得到的數值都是體積百分數含水量。

③ 田間持水量百分數

即土壤濕度占該類土壤田間持水量的百分數(%)。利於在不同土壤間進行比較，但不能給出具體水量的概念。

④ 土壤水分貯存量

指一定深度的土層中含水的絕對數量，通常以毫米為單位，便於與降水量、蒸發量比較。土壤水分貯存量W（毫米）的計算公式為:W=0.1·h·d·w。式中h是土層厚度，d為土壤容重（克/厘米3）,0.1是單位換算係數，w為土壤濕度（重量百分數）。

⑤ 土壤水勢或水分勢

土壤水勢或水分勢是用能量表示的土壤水分含量。其單位為大氣壓或焦/克。為了方便使用，可取數值的普通對數，縮寫符號為pF，稱為土壤水的pF值。

6.土壤濕度的測定方法

國內外有很多土壤水分測定方法。具體方法列舉如下：稱重法，時域反射法（TDR），石膏法，紅外遙感法，頻域反射法/頻域法(FDR/FD法)，滴定法，電容法，電阻法，微波法，中子法，Karl Fischer法，γ射線法和核磁共振法等。

① 烘乾法

烘乾法是測定土壤水分最普遍的方法，也是標準方法。具體為：從野外獲取一定量的土壤，然後放到105℃的烘箱中，等待烘乾。其中烘乾的標準為前後兩次稱重恆定不變。烘乾后失去的水分即為土壤的水分含量。計算公式為土壤含水量=W/M*100%，M為烘乾前的土壤重量，W為土壤水分的重量，即M與烘乾後土壤重量M’的差值。稱重法缺點是費時費力（需8小時以上），還需要乾燥箱及電源，不適合野外作業。如果採用酒精燃燒法，由於需要翻炒多次，極為不便，不適合用於細粒土壤和含有有機物的土壤，且容易掉落土粒或燃燒不均勻而帶來較大誤差，而且需要取土測量，對土壤有破壞性。

② TDR（Time Domain Reflectometry）法

TDR法是上世紀80年代發展起來的一種土壤水分測定方法，中文為時域反射儀。這種方法在國外應用相當普遍，國內才剛開始引進，當各部門都相當重視。TDR是一個類似於雷達系統的系統，有較強的獨立性，其結果與土壤類型、密度、溫度基本無關。而且還有很重要的一點就是，TDR能在結冰下測定土壤水分，這是其他方法無法比擬的。另外，TDR能同時監測土壤水鹽含量，且前後兩次測量的結果幾乎沒有差別。這種測定方法的精確度可見一斑。

③ FDR和FD法

因為TDR法設備昂貴，在80年代後期，許多公司(如AquaSPY,Sentek. Delta-T， Decagon)開始用比TDR更為簡單的方法來測量土壤的介電常數，FDR和FD法不僅比TDR便宜，而且測量時間更短，在經過特定的土壤校準之後，測量精度高，而且探頭的形狀不受限制，可以多深度同時測量，數據採集實現較容易。

1.土壤溫度的定義

土壤溫度（soil temperature）是地面以下土壤中的溫度。主要指與花木生長發育直接有關的地面下淺層內的溫度。土壤溫度（地溫）影響著植物的生長、發育和土壤的形成。土壤中各種生物化學過程，如微生物活動所引起的生物化學過程和非生命的化學過程，都受土壤溫度的影響。

2.土壤溫度與農業生產的關係

① 直接影響

A. 影響種子發芽和出苗

與氣溫相比，對種子發芽和出苗的影響，土壤溫度要直接得多。作物的種子必須在適宜的土壤溫度範圍內才萌發。但是，土壤溫度隨地形、土壤水分、耕作條件、天氣及作物覆蓋等影響而變化。

B.影響作物的生長發育速度

在一定的溫度範圍內，土壤溫度越高，作物的生長發育越快。一年內某時段出現低溫或高溫，常常給農業生產帶來危害。過高的土壤溫度使植物根系組織常加速成熟，根系木質化的部位幾乎達到根尖，降低了根表面的吸收效率。土壤溫度低，作物根系吸水緩慢，當氣候條件適於蒸騰時，植株地上部分常呈現脫水或缺水。土壤溫度過低，常使冬作物的分孽節或根系產生凍害，強低溫延續的時間長短和降溫及凍融的速度都影響到凍害的程度。

C. 作物塊莖冰凍

在秋冬季節，必須在作物塊莖能經受的最低溫度之前進行收穫，比如：當土壤溫度在-1-2℃時，馬鈴薯塊莖就會被凍死。

例子：一般耐寒的穀類作物，種子萌發的平均土溫為1-5℃；喜溫作物為8-10℃。一般作物的根系在土壤溫度2-4℃時開始生長，在10℃以上根系生長比較活躍，超過35℃時根系生長受到阻礙。冬麥在12-16℃時生長良好，玉米、棉花等為25℃左右，豆科作物的根系在22-26℃生長良好；馬鈴薯塊莖成熟期30天內，15-27℃是塊莖形成的合適土壤溫度。

② 影響作物的生理過程

在O-40℃之間，細胞質的流動隨升溫而加速。在20-30℃的範圍內，溫度升高能促進有機質的輸送。溫度過低，影響營養物質的輸送率，阻礙作物生長。在O-35℃範圍內，溫度升高能促進呼吸，但對光合作用的影響較小，所以低溫有利於作物體內碳水化合物的積累。適宜的土壤溫度還能促進作物的營養生長和生殖生長。

例子：春小麥苗期，地上部分生長最適宜的土壤溫度為20-24℃，後期為12-16℃，8℃以下或32℃以上很少抽穗；冬小麥生長適宜的土壤溫度要低一些，24℃以上能抽穗，但不能成熟。間接影響土壤溫度影響環境條件中的其他因子，從而間接影響作物的生長發育。

③ 影響土壤中有機質和N素的積累

大多數土壤微生物的活動要求有15-45℃的溫度條件。超出這個範圍（過低或過高），微生物的活動就會受到抑制。土溫對土壤的腐殖化過程、礦質化過程以及植物的養分供應等都有很大意義。土壤有機質的轉化也受土溫的影響，南方高溫地區，有機質分解快；北方溫寒地區，則分解慢，土壤中的養料和碳化周轉期遠比南方要長。所以在高溫的南方應加強有機質的累積，而在較寒冷的北方則應側重於加速有機質的分解，以釋放養分。

土壤有機質的轉化與溫度的關係很大，熱帶地區溫度高，有機質分解快；寒溫帶溫度低，有機質分解慢，其所含養料周轉期遠比南方長。所以，在南方，調節土壤的有機質偏重於加強有機質的積累，而在寒冷地區則更多的側重於加速有機質的分解以釋放養分。在南方水田中，早春使用大量的綠肥后，由於春后氣溫和土溫的升高，土壤有機質的分解相當迅速，加之地表水膜已隔絕了大氣與土壤之間的氣體交換，如果土壤中地下水位又高，土體內所蔽蓄的空氣本來就不多，這就已造成缺氧條件，特別是在大量使用新鮮綠肥或未腐熟肥的情況下，由於肥量的迅速分解耗盡了氧氣，就更造成土壤氧化還原電位的急劇下降，產生H2S和過多的Fe2+、Mn2+離子，引起有機酸的積累造成對水稻根系的毒害，抑制其吸收養分的機能。旱地土壤中最有利於硝化過程的土壤溫度是27 ℃~ 32 ℃。在冰凍土壤中，硝化作用幾乎出停頓對狀態；在-1 ℃~ 4 ℃時，土壤中開始有硝化作用，但反應非常緩慢，其硝化速率僅相當於25 ℃時的1% ~ 10%，隨著溫度的升高，硝化細菌漸趨活躍，10 ℃、15 ℃、20 ℃時的硝代速度相應為25 ℃的20%、50%、80%。由土溫引起的土壤N素供應商的季節性差異，是制定施肥制度的一個重要依據。

④ 土壤溫度對土壤P素供應的影響

土壤P素的季節性變化較為複雜。水稻土中暖季里土壤P素有效性增加，主要由於土壤漬水后，硫酸鐵在還原條件逐漸變為可利用態的緣故。彭干濤等（1980）在江蘇宜興的定位觀察表明，6種不同肥力水平的土壤上，不同季節土壤速效P量的差異，並未達到統計上的顯著，並發現土壤速效P量並不受季節溫度變化的影響。他們認為，溫度對植物P素營養的影響，可能是根系吸收P素受溫度影響較大緣故。根據侯光炯等研究，鐵鋁膠體結合的P要在30 ℃左右才能活化，一般夏季氣溫高時，土壤中的P活性大；冬季氣溫低時，土壤中的P活性小。萬兆良（1981）的實驗表明，土溫對P 的固定似有一定影響，紫色土和山地黃壤等6種不同土壤中，土溫由10 ℃~ 15 ℃上升到30 ℃，P32固定量減少20% ~ 70%。

⑤ 土壤溫度對土壤K素容量和強度關係的影響

溫度是影響土壤中K素動態變化的一個重要因素。土壤溫度的變化影響到土壤中K 的固定和釋放，影響到K+在土壤中的擴散過程和粘土礦物對K+的選擇吸收。溫度對土壤中K+的影響是多方面的。Ching和Barber曾經研究過溫度對土壤中K+擴散過程的影響，發現K+的擴散係數隨溫度的升高而增加。Feigenbaun和Shainberg發現提高溫度可以增加土壤中緩效K的釋放速率。Sparks和Liebhardt研究了溫度對土壤中K+平衡過程的影響，發現升高溫度增加土壤對K+的選擇吸附。金繼運等（1992）的實驗結果表明，隨著溫度的升高，土壤供K能力增加，緩衝性能下降。本項研究結果表明，溫度可以改變土壤K素的Q/I關係，升高溫度增加了土壤溶液中K+的活度，提高了土壤的K能力。可見土壤溫度是影響土壤中K素動態變化和土壤供K能力的一個不可忽視的重要因素。尤其是在中國北方經常發生早春低溫冷害的地區，溫度的影響可能更為明顯。

⑥ 土壤溫度對土壤電導性的影響

土壤溫度對於土壤介質的性質影響較大，對於土壤電導尤為明顯。李成保和毛就庚（1989）以磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃棕壤、濱海鹽土、內陸鹽土和蘇打鹽土為試材，用熱敏電阻性溫度感測器，測出不同土壤處理及其電導率與溫度的回歸統計數據。結果表明：實驗條件下，土壤電導率與溫度的相關係數α為0.960 ~ 0.999，有很好的線性關係。土壤電導率隨溫度升高而增大。溫度每升高1℃所引起的電導率的變化量（“電導溫度變率”）是因土壤介質而異，順序為：鹽土>；黃棕壤>；可變電荷土壤。不同土壤之間電導溫度變率的順序為：濱海鹽土>；內陸鹽土>；蘇打鹽土>；黃棕壤>；磚紅壤>；紅壤>赤紅壤。

⑦ 土壤溫度對土壤水分狀況的影響

土溫對土壤水分狀況的影響是多方面的。土溫升高時，土壤水的粘滯度和表面張力下降，土壤水的滲透係數隨之增加，土溫25℃時水的滲透係數為0℃的2倍。土壤水分的自由能與土壤溫度密切相關。張一平等（1990）以陝西省紅油土、壚土、黑壚土為供試土樣，試驗結果表明，溫度對土壤水勢具有明顯的影響，3種土壤皆呈現隨溫度升高土壤水吸力降低的特點。在測定的含水量範圍內，溫度與吸水力之間呈現極顯著的負相關，相關係數（r）在- 0.990 6 ~ 0.999 0(n=5）。這是由於溫度升高時，水的粘滯度和表面張力降低所致。在等吸力時，溫度高者，含水量則較低。

⑧ 土壤溫度對土壤中生物學過程的影響

土壤溫度對微生物活性的影響極其明顯。大多數土壤微生物的活動，要求溫度為15 ℃~ 45 ℃。在此溫度範圍內，溫度愈高，微生物活動能力越強。土溫過低或過高，超出這一溫度範圍，則微生物活動受到抑制，從而影響到土壤的腐殖或礦質化過程，影響到各種養分的形態轉化，也就影響到植物的養分供應。例如，氨化細菌和硝化細菌在土溫28 ℃~ 30 ℃時最為活躍，如土溫過低，往往由於硝化作用極其微弱，而使作物的N素養分供應不足。土壤溫度達到52 ℃時，硝化作用停止。

⑨ 對土壤水(溶液）的移動，土壤水存在的形態以及土壤氣體的交換等的影響

土壤溫度越高，土壤水的移動越頻繁，土壤中的氣態水就較多；土壤溫度低時，土壤水的移動近於停止。土壤水常轉化為固態水。作物在一定的生育階段，適應不了過高的土壤溫度，需要降低土壤溫度以保證作物的正常生長發育。

3)提高土壤溫度的農藝措施

北方地區，氣候寒冷，土壤溫度低是農業生產上的主要矛盾，採取壟作，可增加對太陽輻射的吸收量和減少反射。壟作的晝夜平均土壤溫度可高於平作；深耕鬆土，增加土壤中的孔隙，改善土壤底層的通氣透水狀況，也可提高土壤的吸熱和增溫、保溫能力；適時、適量進行冬灌，使土壤含水量大，散熱緩慢，土壤溫度變化比乾燥土壤緩慢，可保護冬作物安全越冬。

1.空氣積溫的定義

空氣積溫是作物生長發育階段內逐日平均氣溫的總和。是衡量作物生長發育過程熱量條件的一種標尺，也是表徵地區熱量條件的一種標尺。以〔度·日〕為單位。積溫常作為氣候區劃和農業氣候區劃的熱量指標，以衡量該地區的熱量條件能滿足何種作物生長發育的需要。

2.空氣積溫的分類

通常使用的有活動積溫和有效積溫兩種。

① 活動積溫（一般簡稱積溫）

為大於某一臨界溫度值的日平均氣溫的總和，如日平均氣溫≥0℃的活動積溫和日平均氣溫≥10℃的活動積溫等。某種作物完成某一生長發育階段或完成全部生長發育過程，所需的積溫為一相對固定值。

② 有效積溫

扣除生物學下限溫度（有時同時扣除生物學上限溫度），對作物生長發育有效的那部分溫度的總和。即扣除對作物有熱害和冷害的部分，使熱量條件與作物生長發育更趨一致。

③ 其他積溫

冬季零下的日平均溫度的累加稱為負積溫，表示嚴寒程度，用於分析越冬作物凍害。日平均土壤溫度累加稱為地積溫，用以研究作物苗期問題及水稻冷害等。逐日白天平均溫度的累加稱日積溫，用以研究某些對白天溫度反應敏感的作物的熱量條件。

3.積溫的作用

可為農業氣候熱量資源的分析和區劃以及為農業氣象預報、情報服務。

反映生物體對熱量的要求，為地區間作物引種和新品種推廣提供依據；

在農業氣候研究中作為分析地區熱量資源、編製農業氣候區劃的熱量指標；

在農業氣象預報、情報服務中根據作物各發育時期的積溫指標，預報作物的發育時期;

負積溫的多少，有時做為低溫災害的指標之一;

日積溫的可用來分析一天內作物生長發育與溫度的動態關係。

4.計算作物所需要的積溫的注意事項

計算時段不宜按旬、月、季、年來劃分，一般按作物生長、發育時期劃分；

作物發育的起始溫度（又稱生物學零度）不一定和0℃相一致，因作物種類、品種而異，而且同一作物，不同發育期也不相同。多數都在0℃以上。計算各種作物不同發育期的積溫時，應當從日平均溫度高於生物學零度時累積，只有當日平均溫度高於生物學零度時，溫度因子才對作物的發育期起作用。

例子：冬小麥春季恢復生長的溫度是0～5℃，玉米發芽的溫度是5℃，水稻、棉花在10℃左右開始出苗，番茄、黃瓜的出苗溫度是15℃。

5. 中國各溫度帶的積溫和作物熟制

如下圖為一個植物根系消耗土壤水分的樣本曲線圖。

圖中的橫向坐標軸是日期：從2月9日到2月14日，一直到3月10日。

圖中的縱向坐標軸是地表到植物根系最深處所在的土層的總含水量，單位：毫米(mm)。本圖中土壤含水量刻度從90毫米一直到390毫米。

這裡含水量的單位毫米和降雨量的單位毫米一致。降雨量是指：從天空降落到地面上的雨水，未經蒸發、滲透、流失而在水面上積聚的水層深度。土壤含水量是指：把指定土層中(如從地表到深度80厘米處)所有的水從土壤中提取出來后所積聚的水層深度。

從該圖中我們可以看出：

在2月11日(橫坐標9 Feb是2月9日)進行了一次灌溉，土壤含水量從220毫米上升到了345毫米；

從2月11日到2月15日，4天時間，由於土壤中含水量較高，土壤空隙中都充滿了水，氧氣較少，植物根系活動較為緩慢，土壤含水量的下降速度並不快。

從2月15日到2月22日，7天時間，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，進行大量的蒸騰作用，光合作用。比如在2月19日(19 Feb)這一天，因蒸騰蒸發，土壤中減少了大概12毫米的水分。

從2月22日開始，因土壤含水量較低，植物吸收利用土壤水分的速度越來越慢，趨向平緩。

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

在每次自然降雨以後，究竟有幾毫米的水保存到了土壤中？從而判斷土壤中的水能夠被植物消耗利用的時間，進而做出後期的灌溉計劃，這在生產實踐中具有意義。因為通過雨量筒測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，教科書中常採取降雨量乘以有效降雨係數的經驗計算方法，比如取經驗值有效降雨係數為0.7，當某次降雨量為30mm時，保存到土壤中的有效降雨量為30x0.7=21mm。

取經驗值係數的方法造成的誤差顯然很大：一場短時間內降雨量超過土壤水下滲速度的暴雨和一場長時間的空氣濕度極大的棉棉細雨，雨量筒得到的數值和實際保存到土壤中的水量的差異顯然是非常的大了。

中國管土壤水分儀使用下面的有效降雨求解方式，使複雜的經驗值問題變得簡單，準確的解決。只需要做一個減法:

有效降雨量=降雨後土壤中的含水量-降雨前土壤中的含水量。

1.在常規灌溉中存在的問題

結合到農業生產現實中，因涉及到水源是否豐富、輪灌、搶水、水肥一體化、噴灌機械是否正常運轉，除草、中耕、打葯等農業操作等一系列的問題，但單從灌溉量的角度考慮，無非是三種結果：過量灌溉、過少灌溉和合適量的灌溉。

1) 過量灌溉

過量灌溉的原因很多，比如：

為了省事，偷懶，喜歡灌溉一次管用很多天；

在一些地方水資源還不足夠顯得珍貴，沒有節約用水的意識；

粗放式的農業管理，就沒有考慮過精細化灌溉；

不能動態判斷作物根系深度，土壤水大量灌溉下滲到了根系深度以下的土層；

未能按照根系深度科學灌溉施肥，進而肥料利用效率低，為了保證農作物對肥料的需求量，必須增加額外的灌溉；

沒有充分認識到過量灌溉的危害。

過量灌溉給病蟲害的滋生提供了“溫床”，過量的施肥造成燒草，過量的用藥使病原菌產生了抗藥性。過量灌溉造成的土壤次生鹽鹼化。

過量灌溉的後果很明顯：浪費水資源；浪費化肥、農藥；農藥、病害惡性使用循環；化肥、農藥殘；污染環境；

灌溉設備設施折舊磨損。

2) 單次灌溉量不足（不得不補灌更多水補上）

當單次灌溉量不足后，如果要挽救，就得繼續灌溉，以保證農作物的需水要求。灌溉量不足時，水沒有能下滲到農作物根系，那就是沒有任何有用功的燒錢，相反的，可能會造成更多的無用功：為草的生長提供了良好的條件，大量的草茂盛的長了出來。一旦農作物和草同時長出地面后，靠化學除草的方式時常難以施展，更多的靠成本最高的模式：人工拔草。

以下是一個8次灌溉中只有2次灌溉，灌溉到了30厘米深處土層，6次灌溉都是無用功的極端例子。

如上土壤水分曲線圖，7月21日-8月16日共26天：

問題一：如下137號土壤水分曲線圖，在26天中，共噴灌澆水9次，共自然降雨3次，平均3天灌溉一次，灌溉頻率過高，並由此造成單次灌溉量不夠。（註：最上面的紅顏色曲線表示5厘米深處土壤水分變化情況，紅顏色曲線的每次快速上升和下降都預示著一次灌溉澆水行為）

問題二：如問題一，在26天的8次噴灌中，卻僅有2次澆水使30厘米深處土壤含水量有所上升，而紫花苜蓿的根系深度已經明顯超過了30厘米深，達到了50厘米土層深度。也就是說，26天的8次澆水，僅有2次澆水的灌溉量稍微達到要求，濕潤到了紫花苜蓿的根部，其餘6次澆水做的都是無用功，並沒有讓紫花苜蓿根系所在土壤層濕潤。（註：黃顏色曲線表示了30厘米深處土層的土壤水分變化情況，在9次灌溉中，僅有3處，30厘米深處土壤水分含量有所上升）。

造成灌溉量不足的原因有很多，以下是一些潛在原因：

A. 沒有意識到並非所有的水都保存到土壤里了。比如噴灌，在高溫，風大的天氣，霧化效果越好的噴灌，在空氣中蒸發的水自然越多；

D. 缺少合理的倫灌制度；

E. 不能掌握植物需水量的動態變化需求，做了很多無用功灌溉；不同的生育期對土壤水分的需求也是不相同的，苗期需水量稍少，隨著作物的生長加大，到生長旺期需水量最大，成熟期逐漸少。

F. 常規灌溉與施肥，施藥未能有機結合。

通過智能監測土壤水分、溫度的方法，有效解決過量灌溉，單次灌溉量不足，提高每次灌溉澆水的利用效率，優化灌溉用水。

2.實時監測土壤水分，進行精準灌溉

當園藝師，農業企業管理人員就像使用手機QQ一樣，無論何時何地，只需要打開安裝在手機上的監測軟體，就立即知道所監測田間的土壤含水量、溫度和鹽分變化情況時，受到實時監測的灌溉行為自然要比盲目不受控制的灌溉科學、合理。

土壤水分、溫度監測儀配套軟體顯示的“土壤水分曲線圖”就是植物的“心電圖”，相關人員不一定需要豐富的植物學知識，但根據“土壤水分曲線圖”，便診斷了植物當天的生長狀態。

也可以根據客戶的需要，開通設置簡訊提醒功能。按需要將土壤水分、溫度監測儀監測到的數據發送到客戶手機上。

使用智能土壤水分、溫度監測儀指導農業灌溉，可以分為以下兩個階段：

1) 從播種準備到小苗階段

在這個階段，使用智能土壤水分、溫度儀監測土壤的相對濕度、溫度，確保農作物種子生活在滿足發芽、生根的土壤環境中，從而迅速發芽，破土而出。關於每種農作物種子發芽所需要的土壤濕度、溫度環境，從種子廠家到科研單位，有很多資料可以查詢。這裡主要解釋相對濕度、田間持水量等幾個關鍵要素。

① 田間持水量

田間持水量（field moisturecapacity）是指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，並防止其水分蒸發，經過一定時間，土壤剖面所能維持的較穩定的土壤水含量（土水勢或土壤水吸力達到一定數值）。

田間持水量長期以來被認為是土壤所能穩定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持懸著水的最大量，是對作物有效的最高的土壤水含量，且被認為是一個常數，常用來作為灌溉上限和計算灌水定額的指標。但它是一個理想化的概念，嚴格說不是一個常數。雖在田間可以測定，但卻不易再現，且隨測定條件和排水時間而有相當的出入。

② 相對濕度

土壤相對濕度是指土壤含水量與田間持水量的百分比，或相對於飽和水量的百分比等相對含水量表示。根據土壤相對濕潤度(R)的乾旱等級指標，可以分為60%

2) 中苗到成苗階段

在小苗到成苗階段，農作物每天通過根系吸收土壤中的含水量已完成每天的蒸發蒸騰、光合作用活動，我們通過智能土壤水分監測儀得到的土壤水分曲線直觀地反應出植物根系從土壤中吸收水分的狀態、效率。

在這個時間，我們完全可以拋開田間持水量、相對含水量這些問題，可以通過看土壤水分曲線圖，從而簡單、直接的判斷需要開始灌溉的時間、灌溉量、需要灌溉停止的狀態。

如下圖所示是一個安裝在中國北方玉米地的智能土壤水分感測器得到的土壤水分變化曲線圖，所監測地塊共發生了3次含水量的增加，然後逐漸被玉米消耗。中間一次，8月16日，土壤含水量的增加幅度不大，但是5厘米土層含水量有持續一天的時間沒有顯著的下降，說明中間一次的含水量增加是由於持續降雨引起的。

黃顏色為30厘米土層的水分含量變化曲線，可以看出，8月16日的降雨，僅使5厘米，10厘米土層的含水量增加，降雨並沒有滲透使30厘米土層濕潤。8月16日降雨之後，黃顏色所代表的30厘米深土層、綠顏色所代表的80厘米土層的含水量仍然在持續的被玉米根系消耗而下降，並且下降的速度變緩，說明儘管在8月20日時30厘米，50厘米土層中儘管還有20%左右的含水量，但玉米的根系已經很難從土壤中吸收水分了（因為該地塊是粘壤土），因而在8月22日時，果斷的進行了第二次灌溉。

當採用液態肥，或者固態肥溶解於灌溉系統，隨著灌溉水一起施入土壤中時，實時監測灌溉量、土壤濕度、濕潤層深度對優化農肥農藥的使用、提高利用率很有幫助。

避免過量灌溉是優化農藥化肥的使用的重要措施，一般在土層深度20-40厘米保持濕潤即可。過量灌溉不但浪費水，嚴重的是養分淋失到根層以下，浪費肥料，作物減產。特別是水溶肥料中的尿素、硝態氮肥(如硝酸鉀、水溶性複合肥)極容易隨水流失。

科學的使用智能土壤水分、溫度，空氣溫度監測儀，可以幫助園藝師進行農藝方案決策，以下是兩個例子。

① 春季開工時間

在北方冬季冰凍的地區，通過遠程使用手機或電腦觀測土壤水分曲線圖，很方便地掌握土壤不同土層的冰凍后化凍狀態。只有化凍后才能進行土壤深松翻地活動。

② 春耕翻地鬆土深度

通過智能土壤水分監測儀，可以對農作物的不同層次根系深度位置做跟蹤判斷，分析出農作物主要根系所在土層，進而指導翻地、深松時的科學耕作土層深度。

③ 秋冬霜害及防霜措施

霜凍可分為3種類型：

由強烈冷平流天氣引起劇烈降溫而發生的霜凍稱平流型霜凍，常常伴有強風，也叫“風霜”；由在晴朗無風的夜間，植物表面強烈輻射降溫而發生的霜凍稱輻射型霜凍，也叫“靜霜”；冷平流和輻射冷卻共同作用下發生的霜凍，稱平流輻射型霜凍，通常先有冷空氣入侵，溫度明顯下降，天氣轉晴，夜間無風，輻射散熱強，這種霜凍出現次數多，影響範圍大，降溫幅度較強，對農業生產的危害也較重。霜凍程度還與地形、地勢和土壤狀況密切相關，迎風坡比背風坡重、山谷地和低洼地比山坡重、乾旱農田比潮濕農田重。

通過智能土壤水分、溫度，空氣溫度監測儀，實時掌握田間氣候狀態，在霜害發生之前採取預防措施。灌溉法，就是是一種經濟有效的防霜方法。通過向田間灌水，能使土壤的熱容量和導熱率增大，並增加空氣濕度和溫度，減少輻射散熱。實踐證明，灌水的田塊作物葉面溫度在夜間比不灌水的提高1-2攝氏度。防霜的效果以灌溉的當天或次日為好。最好的時機在冷空氣剛過風靜下來而霜凍尚未發生時進行灌溉。

土壤水分含量過高或過低都會使農作物感覺“不舒服”。因為，土壤含水量過低，使農作物從土壤吸收水分的生長活動受到抑制，產量降低。相反地，如果農作物根系周圍的土壤處於水飽和狀態（土壤空隙里都充滿了水），植物根系不能進行呼吸而使產量遭受影響。

科學家們根據“土壤水分曲線圖”分析土壤含水量過高或過低的累積天數（統稱為植物遭受脅迫）與最終農作物的產量的關係，得到了如下的曲線圖：

圖中橫坐標為：所研究農作物累積遭受土壤水過多或過少脅迫的天數

圖中縱坐標為：農作物的產量

從圖表可以看出，農作物的產量和農作物累積遭受土壤水過多或過少脅迫的天數有明顯的線性關係。當農作物累積遭受土壤水過多或過少脅迫的天數到達40天時，農作物幾乎沒有產量，絕收。

土壤水分對農作物的產量、質量品質產生直接的影響。對於不同農作物，人們做過很多的實驗研究，確認該農作物在不同的生育期通過合理控制土壤水分含量以達到優質高產的。比如，下面是葡萄的例子。

葡萄生長前期，需要大量水分以形成營養器官。葡萄成熟期水分過多，漿果糖分積累困難，果實淡而無味。

葡萄的年生長周期為：

1、樹液流動期：根系吸收了水分和無機鹽后，樹液向上流動，植株生命活動開始運轉。春季氣溫回升，當地溫達到6—8℃時葡萄根系開始吸收水分、養分，直到萌芽。

2、萌芽期：從萌芽到開始展葉的時期。當日平均氣溫穩定在10℃以上時，葡萄根系發生大量鬚根，枝蔓芽眼萌動、膨大和伸長。

3、新梢生長期：從展葉到新梢停止生長的時期稱為新梢生長期。新梢開始時生長緩慢，以後隨氣溫升高而加快，到20℃左右新梢迅速生長，日生長5厘米以上，出現生長高峰期，持續到開花才又變緩。

4、開花期：從始花期到終花期止，這段時間為開花期，一般1—2周時間。每天上午8—10時，天氣晴好，20—25℃環境下開花最多。如氣溫低於15℃或連續陰雨天，開花期將延遲。

5、漿果生長期：子房膨大至果實成熟的一段時期稱為漿果生長期。一般需要60—70天，長的需要100天。

6、漿果成熟期：果實變軟開始成熟至充分成熟的階段，時間半個月至2個月。

7、落葉期：果實採收至葉片變黃脫落的時期。

8、休眠期：從落葉到第二年春天根系活動樹液開始流動為止這段時期

1. 產量預測的意義

1) 國家層面

民以食為天，一個國家的糧食產量與儲備將對該國家的安定繁榮與發展起到至關重要的作用，所以根據對未來幾年甚至幾十年的糧食產量預測進行戰略規劃將是每個國家至要工作。隨著全國人口的迅速增長，越來越多的人往城市方向遷移，導致糧食的生產有一定的滯后。人均糧食產量成為人們重視的問題，特別是對未來的糧食產量預測成為人們迫切需求知道了解的重大難題。

2) 企業個體層面

作為農業企業，最終的農作物的產量涉及到企業收穫工作量、運輸、倉儲等一些列的企業運營環節。收穫時的人工招聘、培訓、組織，運輸車輛的聯繫，倉庫的準備等一系列準備工作都需要大量的提前時間段。為了使收穫人工數量、車輛運輸能力、倉庫倉儲能力等一些列環境與農作物產量相配套，從而使企業運營效率、運營成本最優化，就需要做出儘可能準確的產量預測。

2. 農作物產量與蒸發蒸騰量關係

在其他影響因素確定的情況下，農作物的產量與其在生育期的蒸發蒸騰量有顯著的線性關係，通過土壤水分感測器統計出農作物在生育期的蒸發蒸騰量，為預測農作物產量提供參考。

測算灌溉水利用係數灌溉水利用係數(英文名稱：water efficiency of irrigation)是指在一次灌水期間被農作物利用的凈水量與水源渠首處總引進水量的比值。灌溉水利用係數的概念約在60年前提出，它是衡量灌區從水源引水到田間作用吸收利用水的過程中水利用程度的一個重要指標，也是集中反映灌溉工程質量、灌溉技術水平和灌溉用水管理的一項綜合指標，是評價農業水資源利用，指導節水灌溉和大中型灌區續建配套及節水改造健康發展的重要參考。跟蹤分析灌溉用水有效利用係數變化情況，合理評價節水潛力與節水灌溉發展成效，對於促進灌溉節水健康發展具有重要意義。