《因應氣候變遷作物科學化管理系列二》調節實作以抗高溫、水分及其他逆境(下)

《因應氣候變遷作物科學化管理系列二》調節實作以抗高溫、水分及其他逆境(下)首圖。

文.圖/黃裕銘 英國牛津大學植物科學系博士

因應氣候變遷對農業的衝擊及可能影響糧食安全,進而需要科學化農業實作管理,內含涉及氣候-作物-土壤-肥料的交互關係,〈因應氣候變遷作物科學化管理〉一文擬於《豐年》雜誌分別用3篇文章進行說明,包含第一篇〈農業實作的誤解觀念及做法〉、第二篇〈調節實作以抗高溫、水分及其它逆境〉、第三篇〈提升土壤有機碳的田間實作方式〉。本篇為第二篇〈調節實作以抗高溫、水分及其它逆境〉的下篇,上及中篇提到土壤有機質及適當灌溉提高土壤保水力及抗旱的機制及實證,此下篇先談三個盲目灌溉實例,再談如何提高灌溉的經濟效益。

灌溉不當的案例

案例一、小黃瓜田溝灌

本案例為小黃瓜種植行距140公分,其中間做為田間活動,沒走動及沒運搬車輾壓的土壤僅離水溝邊50公分內,瓜苗種植位置離水溝約20公分。本農戶基肥用複合肥料(13:13:13)且追肥時將複合肥料撒入水溝,相當多農民採用此法,在系列一文章中已談過有些養分在土壤中的移動距離受限,也提到追肥採用高磷肥是不正確的。地面長青苔,有些植物枯萎,顯然灌水過多造成。觀察根系,印證距水溝0~10公分內無細根、只有一條粗根長過來,10~20公分開始有較多細根,30~40公分細根最多且有主根,40~50公分細根變少,且根系主要在土壤表面10公分,其10公分以下到底層的10公分幾乎沒有根,顯示其水分過多,根系無法生長。

小黃瓜田溝灌案例情形。

由土壤有效養分濃度數據可看出,在土壤中移動性最低的磷分布非常均勻,此可能由於農民每期作基肥(複合肥及混和有機質肥料)全園施用,且全面耕犁然後再做水溝,所以磷肥分布相當均勻。有效性鉀的移動性比磷快,可以看到其有交換性鉀最高濃度出現在距水溝30~40公分處,其次在40~50公分處,硝酸態氮很明顯在30~40公分處遠高於其他位置,再看土壤有機質最高在距水溝20~30公分處,這可能顯示根主要在種植位置往離水溝方向生長,表示向水溝方向的水分過溼,且硝酸態氮可能過度隨水向離水溝方向移動。建議適當控制水量及灌水頻率。

小黃瓜田溝灌案例的土壤有效養分濃度數據。

案例二、小黃瓜田滴灌管下有效性氮及磷向下分布狀況

本農戶主要採用滴灌灌肥系統,所用肥料為完全肥,滴水口附近土壤嚴重長青苔,且周圍有白色鹽分。此農戶的小黃瓜葉片葉緣環狀枯黃,顯示養分過高造成鹽害。過度依賴滴灌及其氮肥只用硝酸態氮,導至根圈pH太高,明顯缺微量要素。在滴水口下方用直管採土器採土,將土壤由表層分0~5、5~10、10~15、15~20公分4個深度樣品,可以看到0~5公分硝酸態氮已經超過200mg/kg,有效性磷更高達300mg/kg,很明顯看出銨態氮極低。此為沙質地土壤,滴灌水向側邊擴散有限,主要向下移動。

小黃瓜田滴灌案例田間情形。
小黃瓜田滴灌案例採土情形。

案例三、茶園滴灌管連續5年沒有換位置的狀況

此案例對滴灌管理有相當重要的資料,可供各階層農業相關人員參考,此為節省篇幅,只列出一些重要土壤性質供參考。

首先,本茶園經田間觀察,其心芽生長不均勻,葉色有微量要素缺乏症狀,懷疑施肥有問題,因為其已採用滴灌灌肥長達5年,未曾移動滴管口位置。為證明其5年滴灌位置沒移動可能的問題,所以在滴管(滴管置於畦中間)下及畦旁,經土壤採樣每10公分土層分開放置於塑膠墊上,分為10層土壤,觀察土壤顏色及手指觸感判讀土壤質地。結果:

(1)滴灌管滴水孔旁土壤剖面狀況,茶樹根系主要分布於0~30公分土層,土壤質地於30~40公分處有較密實的情形,推測經由灌溉水將土壤黏粒往下移動堆積所致。50~100公分土壤質地黏重,土壤團粒化狀況尚良好,所以排水性尚佳。土壤於10~30公分處有明顯灰斑及銹斑情形,可能歸因於滴灌管線已5年未曾移動,養液及灌溉水長期點灌,密實層土壤水分往下滲出速率不及灌溉水滲入速率,造成土壤常反覆浸水及排水造成土壤鐵及錳氧化還原所致,證明此層為根系生長限制層。此剖面根系明顯未如畦外茶樹冠下的根分布狀況。

(2)在茶畦外緣樹冠下、遠離滴灌點的土壤剖面可發現,茶樹主要根系可向下生長至40~50公分土層,土壤於50~60公分則有較密實的情形,60~100公分土壤質地黏重,土壤團粒化狀況尚良好,所以排水性尚佳。土壤10~50公分有明顯根系活動情形,顏色為暗棕色。

茶園滴灌管連續5年沒有換位置,茶葉心芽生長不均勻的情形。
茶葉心芽生長不均勻。
茶園滴灌管連續5年沒有換位置,葉色有微量要素缺乏症狀的情形。
葉色有微量要素缺乏症狀。
  • 土壤有效水分

資料顯示,在表土0~40公分內保持相當穩定,再往下可見土壤有效水分是土層越深水分含量越高,由於根系發展還沒有到深層,多餘的水是浪費,且可能將養分帶離根圈。

  • 土壤pH

資料顯示,滴灌滴孔下土壤剖面的pH都比畦邊緣土壤剖面低,且滴孔下的pH整個土層的上下差異不大,畦邊緣土層的pH是越淺層則pH越高。由於沒有土壤有效性氮資料,只能由土壤有效性鉀和pH相似判斷,這可能是鉀隨水分的蒸發散移動向上累積所致,另外硝酸態氮的移動往往也會伴隨者陽離子的移動。

  • 土壤電導度(EC)

平均而言,滴孔下土壤剖面的電導度比畦邊緣土壤剖面高,電導度最低點在40~50公分土層,再往下土壤電導度反而上升,這可能是硝酸態氮及其他離子往下移動造成,可惜沒有硝酸態氮及銨態氮分析資料可以印證。

  • 土壤有效性磷

土壤有效性磷在0~30公分土層明顯的滴孔下,土壤濃度遠高於畦邊緣土壤,往下深層土壤有效性磷濃度的兩個剖面間,沒有差異且都相當的低,這也是根無法深入的重要原因之一。滴孔下的土壤有效性磷很明顯的在0~10公分層高達163mg/kg,10~20公分土層土壤已經降到51.7mg/kg,然後20~30公分已經降到19.0mg/kg,再往下土層已經低於5mg/kg,甚至低於1mg/kg。

  • 土壤有效性鉀

滴孔下土壤剖面的土壤交換性鉀,比畦邊緣土壤剖面土壤濃度低,主要原因在於一般紅壤土壤的土壤陽離子交換量(CEC)較滴灌帶入的鉀肥容易隨水移動,部分鉀隨水往畦邊緣移動且蒸發散作用將鉀離子往土面移動而累積。滴孔下土層30~40公分深的土壤交換性鉀最低,往下層鉀有稍微提升,也是可以佐證其根系主要是在0~30公分深,再往下根量下降,其吸收量減少。土壤剖面資料顯示,整個園區以目前茶葉生長量狀況判斷,施用的鉀肥高於需要量。需要檢討無法提升產量以提高吸收量的狀況時,可以考慮降低鉀的施用量或濃度,以免提高和有效性錳的拮抗作用,惡化此田區有效性錳,加劇缺錳的嚴重性。

  • 土壤有效性鎂

土壤有效性鎂的分布狀況和其它離子不同,在20~60公分深土層土壤有效性鎂濃度,以畦邊緣土壤剖面土壤較高,再往下深的土壤有效性鎂在畦邊緣土壤則低於滴孔下土壤,且差距隨土層深度而變大。

  • 土壤有效性錳

錳的化學性氧化還原最活潑,容易還原。一般狀況下紅壤不會缺錳,但是若長期土壤加入大量的水造成長期還原,則錳離子容易流失。茶葉需要錳的濃度相當高,芽稍錳的濃度有的高達2,000mg/kg。錳的養分管理需要連動到水分管理及肥料供應量。

  • 土壤有效性鋅

土壤有效性鋅濃度在土壤剖面分布狀況,和前面幾種陽離子相似,不過有一個特別不一樣的狀況,便是其有效性濃度相當低。

茶園滴灌管連續5年沒有換位置,滴水點下方土鑽採土(左)與畦邊緣茶樹下採土對照情形。

土壤水分管理

農業AI人工智慧管理是現在最夯的用詞,然而何時灌溉要灌多少水,農友需要基礎知識,如前面已經提過的土壤田間容水量、永久萎凋點及有效水分,並注意不同作物的水分利用率不同。

土壤水勢能的測定方法

水在基質(土壤、植物)中的移動方向一定是由高能量往低能量走,水也被基質所吸附,以水勢能說它是負值,人們喜歡用正值表示,採用力的單位(Pa, bar)或張力(tension)就能以正值表示。本文全列出,避免未來非土壤環境科學專業者利用文獻資料時誤解。

土壤水勢能田間的測定工具方法有張力計(tensiometers)、電阻塊(一般用石膏塊)(electrical resistance blocks)、散熱探針(heat dissipation sensors)、及乾溼計(psychrometers),其適合測定的水勢能範圍分別為0~-80kPa(0~0.8大氣壓)、0~-890 or-1,500kPa(0~8.9或15大氣壓)、-98~-3,000kPa(0.98~30大氣壓)及-9.8~-100,000kPa(0.098~1000大氣壓)。最早水勢能以大氣壓(atm)為單位,後來用力的單位,改為Pa或及bar。1bar=100kPa=0.9869atm,也就是1atm=1.01325bar。

土壤水分移動的基本認識

水在滲流層(vadose zone)主要是經由非毛細孔往下流(non-capillary),而水的再分布及側面向上流動則利用毛細孔。

土壤孔隙大小可以分類為非毛隙的巨孔隙、粗毛細孔隙(CCP)及細毛細孔隙(FCP)。非毛細孔做為快速排水(RDP)、粗毛細孔做為慢排水孔(SDP)及保水孔隙(WHP)。在區分毛細及非毛細孔的壓力頭約在0.1kPa到10kPa。快速排水、緩慢排水、粗毛細孔、保水孔隙及細毛細孔直徑的相對壓力分別為0~10、10~33、10~1,500、33~1,500及>1,500kPa。可歸類成總排水孔隙(TDP)(0~33kPa)、總儲水孔隙(WSP)(>33kPa)、非毛細孔(<10kPa)及土壤基質毛細孔(>10kPa)。

常見土壤及植物水勢能範圍及不同表示單位。

農田中水分參數的意義

蒸發散作用(Evapotranspiration ,ET)是指農田土壤表面的水分蒸發作用(evaporation)加植物的蒸散作用(transpiration)損失水分量合稱為蒸發散作用。植物蒸散作用是氣孔打開時,CO2擴散進入植體,同時植體中的水蒸氣擴散出植體進入大氣。蒸發作用主要因輻射能將土壤表面水蒸發,作物植被少的時候其影響較大,待植被遮蔽量夠高時主要為蒸散作用。

影響植物蒸發散量因子

影響植物蒸發散水分量因子有氣候參數、作物特性、管理及環境因素。

  • 氣候參數

影響蒸發散作用的主要氣候參數有輻射量、空氣溫度、溼度及風速。大氣的蒸散能力以標準作物蒸發散作用(reference crop evapotranspiration, ETo)表示。從不缺水的標準表面產生的蒸發散作用速率,稱為標準作物蒸發散作用或標準蒸發散作用以ETo表示。

  • 作物因子

意指作物光合作用型(C3、C4、CAM型)、品種及生長階段,且作物種於管理良好的農田下,評估其蒸發散作用。

  • 管理及環境條件

有些因子如土壤鹽分、土壤肥力貧瘠、施肥量有限、土壤剖面存在硬或無法穿透層、缺乏病蟲害防治及管理不良等,都可能限制作物發展及降低蒸發散作用。其他因子包括地面覆蓋、植物密度及土壤水分含量。土壤水分含量對蒸發散作用的影響,主要看其缺水幅度及土型(土壤質地)。另一方面,土壤水分過多造成浸水傷害根,抑制植物呼吸作用而限制水分吸收。

標準條件下作物蒸發散作用ETc

作物在標準環境條件下的蒸發散作用稱為ETc,其指在一定氣候條件下作物沒有病蟲害、充分施肥、長於大田、適當土壤條件、及紀錄完整產量下作物的蒸散作用。

在涼到溫暖平均溫的氣候下,作物的ETc介於1~9mm/day。用以補償田間作物因蒸發散水量所需的水量,稱為作物水分需要量。雖然作物蒸發散水量和作物水需要量是相同的,但作物需水量是所需補充的水,蒸發散水量是指經由作物蒸發散損失的水量。灌溉水量基本上代表作物需水量和有效降雨量的差值,因此灌溉水量在鹽分地區還要考慮將土壤鹽分淋洗出根圈的水量。

標準表面Reference surface

為避免每一作物及生長階段都需要定義其專一的蒸發參數,所以引用標準表面的概念,如此每一作物的蒸發散速率直接可用標準表面蒸發散量乘上作物係數。聯合國糧食及農業組織(FAO)的顧問專家提出明確的標準表面定義:假設的標準作物高度12公分,固定表面阻力70 s m-1及反射係數(albedo)0.23。此標準表面近似於一大片綠色草地有均勻高度、生長正常、完全遮蓋地表以及有適當土壤水分。這樣大且均勻的草地表面水蒸氣,只有向上流動的單一方向流動。

作物水利用效益的定義

美國土木工程師協會(American Society of Civil Engineers, ASCE)定義灌溉效益(irrigation efficiency, IE)為作物吸收灌溉水量的體積比。滴灌系統能滿足低量、符合作物蒸發散量的灌溉,具有提高灌溉效益的潛能。表面滴灌的灌溉效益可達80~91%,噴灌在54~80%,溝灌50~73%。

政府政策規畫者更注重灌溉水使用效益(irrigation water use efficiency, IWUE),其定義為季節灌溉水量(mm)和作物產量(t/ha)比即為t/ha/mm,包括雨水。影響灌溉水使用效益的因子有:降低排水損失、樹冠攔截、土型、栽培及管理實作、品種選擇。可以採取短缺式灌溉法,使農田進行最低灌水量以提高灌溉及灌溉水使用效益。

最經濟的短缺式灌溉,有賴灌溉水的均勻施用及灌溉水的相關費用、任何整治排水的費用及作物單位產值,Sammis and Wu(1986)指出,在土壤水分逆境下灌溉水使用效益提高,但是番茄適銷產量降低。有研究顯示,底土層滴灌的灌溉水使用效益較高,其他依序為表面滴灌、噴灌系統、溝灌。一研究洋蔥的灌溉水使用效益,結果在表面滴灌、噴灌及溝灌分別為0.052、0.049及0.044t/ha/mm。只有一個研究其溝灌的灌溉水使用效益,顯示最高0.104t/ha/mm。

南澳洲政府環境與水部資料顯示,French and Schultz(1984)所建立的作物水使用效益(WUE)模式已被廣泛使用,其估算無灌溉區水來自降雨,每毫升雨量能生產20kg/ha/mm穀物,這資料表示單賴雨水也能使作物生產力達100%,近年新作物品種可提升到25kg/ha/mm。此模式從1982~2020間被做為評估南澳洲土壤小麥生產健康度。南澳洲的小麥水使用效益在1960到1970年代只有7kg/ha/mm,經逐漸改善,到2000年代已經提高為11kg/ha/mm,2010年代則已達14kg/ha/mm。

小番茄種植經常利用滴灌方式補給水分兼肥分。(攝影/王士豪)
小番茄種植經常利用滴灌方式補給水分兼肥分。(攝影/王士豪)

作物水利用效益及經濟效益差異

Xiao et al.(2019)在中國西北乾燥地區研究黑河農業用水6種作物的水使用效益,採用CROPWAT模式計算作物水分需求。結果顯示該地區水需要量作物為田間玉米597.2mm、其次是種子玉米577.3mm,再來是油菜、小麥、大麥、及馬鈴薯。經濟效益順序是種子玉米>田間玉米>馬鈴薯>油菜>小麥>大麥。以立方米(m3)水量產出的經濟效益人民幣元(yuan)表示,原始模式估算經濟效益最高的是馬鈴薯9.03yuan/m3,然後是種子玉米6.33yuan/m3;經修正後模式推算最高是種子玉米3.44yuan/m3,然後是馬鈴薯的2.55yuan/m3

不同灌溉方法的水分利用效益

本文上篇已經提到氣候變遷影響作物產量的重要因素是熱及水的問題,提到不同光合作用類型植物對水的利用效益,以及有哪些有機材料及耕作實作可以提高土壤有機質、提高土壤有效水分,進而降低土壤溫度及氣候變遷極端氣候對農作的損害。本文中篇整理土壤有機質的提高,如何降低乾旱造成的損失程度,以及土壤地下水能供應多少水給作物吸收利用。本文下篇將藉由實例討論如何灌溉可以讓作物收益最高。

灌溉時間點對土壤水利用效益的影響

Rahil and Qanadillo(2015)於巴勒斯坦溫室研究4種灌溉方法:農民灌溉(FI)、張力計控制(TI)、蒸發散數據(ETc)、70%蒸發散水(ETc)對小黃瓜產量及水使用效益。結果顯示作物最高產量為70%ETc,其次順序為TI、FI及ETc,且70%ETc比其他灌溉方法依序分別增產24%、6%及4%。經由控制灌溉和農民灌溉方法比較TI、70%ETc及ETc灌溉方法,分別可以節省水量139、104及26mm(合每公頃節省分別為1390、1040及260公噸水)。滴灌位置行距120cm,孔距40cm,滴灌量4 l h-1。FI、TI、ETc、70%ETC總用水量分別為287、148、261及183mm,合用水量分別為2,870、1,480、2,610及1,830公噸水,水使用效益分別為19、30、22、33kg/t(每公噸水產出量分別為19、30、22及33公斤小黃瓜)。

滴灌水量少、直接灌到鄰近植物根圈,可以提高作物產量。適當選擇滴灌系統的灌溉時程,可以提高產量,水量過多或不足都會降低作物產量。

小黃瓜移植後0~14天間,隨滴灌系統施用13:13:13複合肥料共130公斤/公頃(kg/ha),每3天灌一次,第二及第三生長期約15星期,施用11:8:20複合肥料4,600kg/ha。施肥量N:P2O5:K2O計523:385:937kg/ha。

農民灌溉為種植後前14天,每2天滴灌30分鐘;植後14~35天,每3天灌溉45~60分鐘;然後每3到4天灌溉一次,每次80~100分鐘。張力計控制是在前14天以埋在15cm深度土壤的張力計到50~60kPa(0.5~0.6大氣壓)時,就啟動灌溉,往後以30公分深度張力計做指標。ETc是採用FAO的作物蒸發散計算公式,經由Allen et al.(1998)修正公式,且由CRPWAT Software version 7.0軟體運算。Harmanto et al.(2005)研究發現溫室種植耗水量比田間少25~30%,所以設定70%ETc處理。作物水分利用係數(Kc)值介於0.6到1.15,移植到植後15天,Kc值0.6逐漸提高;到植後45天達1.15,保持1.15到植後100天,然後逐漸下降到植後117天的0.8。

小黃瓜養分需求(公斤/公頃)。

結語

灌溉的用意是補充水分以降低高溫對作物的傷害,若沒有注意不同灌溉方式的灌水量及灌水時間點,將無法達到提高灌溉經濟效益,灌太多水會影響植物根系生長。滴灌往往結合灌肥,如果沒有納入如前面系列文章所提作物所需養分、肥料成分在土壤中的移動性,也無法發揮該有的投資效益。

(參考文獻請洽作者)

更多文章請見《豐年雜誌》2023年5月號