水土保持的灌溉方法和替代品

封面照片:水稻种植中的节水灌溉措施。水土保持可以与灌溉相结合,例如越南的水稻漫灌措施(上图),可以通过促进水渗入土壤、将过多的水储存在水箱或水坝中、或更有效地使用灌溉水等措施来达到节水的目的。

水资源保护

如前所述,可以通过对抗风蚀和水蚀(土壤流失原因之一)来节水,也可以通过提高用水效率来节水,例如,通过采取更加合理的养分供应和对作物的灌溉措施来节水。

  • 简而言之,为改善田间的水分平衡,可以从以下几个基本策略入手。其中包括降低风速以限制水的蒸发、促进水在土壤中的渗透、增加土壤有机物含量、改善土壤结构和使根系向地下深处生长。另外,间作有时可以减少由于干旱问题带来的经济风险,并与可以改善土壤结构有助于其保持水土。图1很好的说明了这一点。
  • 水利用效率是指每单位用水量的作物产量。它可以通过改善土壤肥力、增强综合虫害管理或通过更有效的灌溉来进行提高。
  • 限制性生长因素。水的供应和土壤肥力是作物管理中最重要的两个部分。至少在作物管理出现问题的年份中,如果重视一个而不重视另一个问题,那作物管理可能是无效的。与施肥一样,灌溉如果施得好,可能会对作物生长有帮助,但如果施肥不对,就会对作物造成伤害。作物营养的缺乏不仅会影响作物对水的吸收,而且还要进一步影响其抗旱能力。
  • 改善作物营养的同时有时也能直接达到节水的效果。钾(K元素)的缺乏削弱了叶片关闭气孔(气孔)和停止蒸腾的能力。叶片缺K常常会出现叶片边缘提前黄色或枯萎的现象。而磷酸盐(P)的缺乏会延迟整个叶片的生长和成熟。严重缺乏养分一般会使植物顶端只产生糖分并产生细而浅的根系,这种现象在一些小型热带农场十分常见。
  • 但如果土壤中有高养分水平加上表土中足够的水会使植物根系变得更短更浅。这是因为植物顶部将几乎所有的糖分用于新的叶片生长,而留给根部的很少。这在缺乏磷酸盐的情况下也有记载,但是有一些文献中的概括是相互矛盾的。
  • 植物的灌溉一般在植物需要浇水吸收更加有效。并且灌溉水量可以用一些数学公式来计算。例如,可以在一定土壤深度观察其水分含量(颜色和感觉),一些对干旱敏感的植物可能在作物停止生长之前清楚地显示出干旱压力。因此灌溉水量可以基于每日温度、风、作物、土壤和灌溉效率以及雨水量进行计算。还可以使用粮农组织(www.fao.org/3/S2022E/s2022e08.htm)或其他一些合适的应用程序进行计算。另外,还需要注意的是低于2毫米的降雨可被视为对植物生长无效而不加入计算范畴。当植物通过关闭气孔而停止蒸腾作用时,其叶子的温度会升高。因此,使用带红外相机的无人机、气球或风筝可能对这种情况的监测比较有帮助。
  • 敏感时期的作物。灌溉可以集中在作物的干旱敏感阶段,如发芽、授粉和谷物/果实灌浆期进行,对于年幼的水稻,只需通过通过调整灌溉量控制杂草,并且这种操作只需几次就足够了。与持续的水淹相比,这种操作可以节省很多水。另外,还可以与播种、成行种植水稻措施以及简单除草工具相结合。例如。水稻集约化管理系统(SRI)。然而,在炎热的阳光下进行灌溉也可能导致热量从地表传递到种子,而干燥的土壤则更具有绝缘性。因此,在炎热天气下进行的灌溉比其他任何情况下都会降低灌溉效果。
  • 与漫灌相比,使用喷灌方法可以提高灌溉效率(在大多数田地)。适当的坡度和土壤的渗透性对漫灌效率也十分重要。滴灌和类似的涓流灌溉是灌溉方法中最有效的,但需要相对高的投资成本。不过,农民可以使用可移动的软管进行灌溉操作。但是管道中的水可能由于地面热传导而可能变热,而且如果堵塞地下管道开口的话,情况会更糟糕。小规模的涓流灌溉系统可以通过一个带过滤器的高架容器而组装起来。照片和详情介绍中是涓流灌溉。
  • 在初期种植植物时需要频繁进行浅层灌溉,特别对于种子或幼小植株生长来说。供应大量的水或流动快速的水滴会破坏土壤结构。然而,过少的灌溉水量会减少滞留在土壤表面的水的蒸发量。并且保证深度土壤的湿润可以促进植物根系向更深处生长。植物根系可以吸收水分和营养物质,如硝态氮(NO3-)和钾(K+)等,这些营养物质也可能由于密集降雨而被冲刷而渗透到土壤深层。浅层根系也可以帮助吸收表层土壤中的营养物质。此外,长且扎根不深的根系可以与常见的真菌共生而且对于水分和磷酸盐的吸收十分重要。年幼的植物需要水的可用性更高。但是如果需要施用很多水,那么土壤侵蚀、径流、压实和表面封闭孔隙都会成为问题。因此,浇水的花盆需要使用沙质或纤维状材质。可以使用软管、袋子或其他容器中慢慢漏出水,这样一来水可以慢慢释放而不会导致表层土壤密闭且空气含量减少。沙质土壤的持水量很小,而且水流速很快。而粘土可以保留很多水,但留给植物可以吸收的水很少,因此水的可用性不高。中等质地的淤泥能保持大部分植物可利用的水分,但土壤结构不稳定。土壤采用混合质地或夹杂有机物可以提高土壤保持植物可用水分的能力,减少土壤结构问题。人工物质的添加也可以增加土壤持水能力,但其中有一种常见的类型,即聚丙烯酸酰胺,被怀疑对人类有致癌风险。
  • 植物根系生长较深可以减少其灌溉需求,因为深根可以使植物获得更多的水。一些植物通过深根可以生长在较为紧凑的土壤中,如半干旱热带地区的木豆(Cajanus cajan),以及温带地区的黄羽扇豆或萝卜。植物死后留下的大而深的孔隙可以使灌溉水快速引流而下。这虽然有助于防止水土流失,但有时水也会带着营养物质,甚至是磷酸盐和杀虫剂快速渗透到土壤深处。因此可以考虑种植多年生草本植物或黑麦,因为这种植物根系较为发达,但一些直根系的植物却渗透力更好。土壤中的铁氧化物、紧凑的粘土和酸性土壤(小于5.5,其他植物小于5.0)影响根系生长。在这种酸溶性铝含量高的酸性土壤中,较敏感植物的根往往不能很好地延伸并时常会表现出发育不良的现象。而在土壤水分pH值5.5以上的热带土壤中,往往植物会出现微量营养素缺乏,从而影响植物嫩叶的颜色、形状及果实。在土壤中加入稀释的CaCl2或KCl可以将pH值分别降低约0.5和1.0个单位。具体操作内容另见综合土壤肥力管理计划的章节。
  • 灌溉时往往忽略了排水问题。土壤中多余的水应被尽快的排掉。在干旱和半干旱地区,由于雨水通常太少,所以无法将盐分冲出土壤,因此盐分就会慢慢积累起来而造成植物中毒(如钠、氯和碳酸氢盐对敏感植物有毒)。所以这种地区有时需要进行过量的灌溉与排水工作。如果我们以及可以尝到灌溉水中的盐分,那就特别需要小心灌溉水盐含量。电导率(EC)表示总的盐浓度,但分析方法(浓度和单位)很重要,植物的对盐的耐受力差别也很大。钠(Na+)含量的多少会影响土壤结构,如果土壤中钙和镁的含量少。土壤会变得碱性,有机物会分散,从而产生黑碱土。盐含量多的情况下,土壤会变成白碱土。使用石膏(CaSO4)或种植滨藜属植物(Atriplex spp.)可以应对这种胁迫环境。对于在半干旱和干旱地区的灌溉措施,则需要种植者有更多的洞察力或经验,但这里不多做概述。
  • 覆盖物有时可以减少水分从表面流失。

地膜可以表面覆盖的枯萎的植物残体或使用其他材料对土壤表面进行覆盖。地膜下的土壤表面通常会变得更凉爽、更潮湿。然而,雨水也会被地膜所隔绝而无法达到根系,而且地膜可能会滋生虫害而影响幼苗,还可能吸引母鸡或蛇侵害植物。由于地膜的使用,火灾也可能更容易在田地中蔓延,且氮可能会从富含N的地膜中以氨的形式流失到空气中。土壤表面只有在没有生机的植物或土块较大的情况下才会慢慢干燥。这是由于土壤表面干旱造成的吸力(毛细管效应)被打破的原因。

  • 温室有时会循环使用大部分灌溉水。尽管如此,仍然需要足够的通风来保持白天温室内的二氧化碳水平。在英国,发电站产生的二氧化碳会被回收到附近的巨大温室里,但这需要进行持续的监测和防止废气过多的产生,如有毒的一氧化碳(CO)。
  • 选用耐旱的植物。耐旱植物有以下几种能力/特征:
  • 当雨量较多的时侯,耐旱植物顶端和根部生长更好。
  • 嫩芽和根部可以在干燥环境中生存(由不同的基因操控)。
  • 可以继续繁殖(如生产果实或谷物),并在土壤水分仍然充足的情况下提早成熟,以“避开”干旱。
  • 叶子上有蜡质层/毛发。
  • 合理储存水果和蔬菜,且尽量避免选择在旱季种植。为了避免水果在干燥环境下的褐变,通常可以将其加热到约60-80oC保持约5-10分钟,以破坏一些因氧化而导致褐变的酚类酶。或者选择使用抗氧化剂也可以帮助减缓褐变,例如柠檬汁(Zawawi等人,2022)。农林业也可以为这种良好的干燥和储存方式提供所需要燃烧的木材。
  • 改进低成本的种植方法,如直接播种。这种方法可以通过促进植株早期的根系生长,从而帮助植物建立干旱耐受性。不仅如此,它还可以帮助植物度过敏感阶段,即受损的根系应向植株地上部分供水,或者通过在干旱条件下使其耐受性提高,维持正常的生理活动。在烈日条件下,植株发芽时可能会导致出现干旱问题,这主要是由于土壤表面的热量所致。在某些情况下,养育幼苗,如从灌溉的温室或屏风房中养育,如果方法得当,即可以节省很多灌溉用水。
  • 采用综合措施节水。使用更多的灌溉水,不是像许多人所说的那样是解决缺水或耕作的唯一办法。但是,如果灌溉方式得当,往往能对干旱中的植物起到很大帮助。然而如果灌溉方式不对,也会对植物产生破坏性。总而言之,对作物供水(以及牲畜遮荫措施和作为饲料过程)需要采取综合且全面的方法,才可以节约很多水。然而,许多灌溉措施细节是重要的,但也是经常被忽视的。关于这些方面的更多细节可以在其他章节中找到。

1. 就地节水。水土保持问题可以包括水的渗透或保留沟渠(当滑坡不是一个问题的时候)。大多数水土保持方法可以通过减少风力或增加通过土壤表面和土壤有机物以增加水的渗入来进行。对水资源保护措施还可以包括采用有效的灌溉方法以及解决植物的一些其他问题进行,这些措施使植物更多的能够有效利用土壤中可用的水。摘自 Muriuki和Macharia (2011)。

 

参考资料

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Muriuki JP, Macharia PN 2011 Green Water Credits Report K12: Inventory and Analysis of Existing Soil and Water Conservation Practices in Upper Tana, Kenya. https://www.isric.org/documents/document-type/green-water-credits-report-k12-inventory-and-analysis-existing-soil-and Open access.

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Zawawi N A F et al. 2022 How Thermal, High Pressure, and Ultrasound Inactivation of Various Fruit Cultivars’ Polyphenol Oxidase: Kinetic Inactivation Models and Estimation of Treatment Energy Requirement. Appl. Sci. 2022, 12, 1864; https://doi.org/10.3390/app12041864

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