土壤供水速率的原位测定及监测方法

技术领域

本发明涉及土壤检测技术，具体涉及一种土壤供水速率的原位测定及监测方法。

背景技术

土壤水分的多少及有效性不仅决定着农产品产量的多少，而且还会影响土壤养分迁移和转化、农产品品质以及植物病虫害和杂草发生率，因此准确及时地判断土壤水分状况，合理地管理土壤水分对农业生产极其重要。目前生产上对土壤水分监测的手段主要分两大类，分别是数量法和能量法，数量法就是测定土壤含水量，以烘干法和测量土壤介电特性为主要原理的TDR和FDR应用最多，能量法就是测定土壤基质势的仪器，以土壤张力计最为普遍。数量法虽然能够知道土壤中水分的多少，但是由于不同质地的土壤对水分吸持能力不同，从而导致相同的含水量在不同质地土壤中有效性差别很大，比如在粘土中体积含水量为15％时，植物已经严重受干旱胁迫，而在砂土中体积含水量为15％时，水分的有效性还非常高，因此以土壤含水量建立的土壤水分控制指标通用性比较差，能量法直接测量土壤水的基质势，表示土壤水分的有效性，相同基质势的水在不同质地中其有效性是相同的，因此基于土壤基质势建立的土壤水分控制指标通用性比较好。

但是在生产实践中发现，植物开始受干旱胁迫时，土壤基质势仍然在-100kPa以上，大部分文献报道开始影响作物产量的土壤基质势在-60kPa以上，而根水势的平均值在-1500kPa左右，说明植物受水分胁迫时，土壤基质势还远远没有降低至根水势，也就是只要有水到达植物根系表面，植物根系吸水是没有任何问题的，经深入分析，植物受干旱胁迫的原因不是土壤基质势低至植物无法吸水，而是非根区的土壤水向根系表面位置供水的速率太慢，即水分移动太慢，从而导致没有足够水分供植物蒸腾消耗。虽然土壤基质势降低的同时，土壤的导水率也随之降低，但是不同土壤，土壤基质势和土壤导水率之间的关系并不相同，这说明监测土壤导水率比监测土壤基质势更加能够准确地判断土壤向植物的供水速率。

目前土壤非饱和导水率的测定无论是室内方法还是原位方法，均是只考虑灌溉、降雨和蒸发过程中的水分垂直向下或向上的一个方向运动的一维流情况，而且无论是室外原位测定还是实验室测定，均需要很长的时间、复杂的测量设备和计算过程，且有些参数用理论公式计算，有些计算过程运用假设条件，测量过程对土壤扰动大，因此测定结果与实际有出入，无法反应根系周围土壤向根系供水的三维水分运动情况。根系吸水是一个三维水分运动过程，目前测定一维方向上的非饱和导水率方法均不能反应土壤水分从根系四周向根系表面供水的速率。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种土壤供水速率的原位测定及监测方法。此土壤供水速率的原位测定及监测方法可快速检测土壤的供水速率，准确性高，为农业生产提供新的土壤水分管理技术和灌溉决策依据。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本土壤供水速率的原位测定及监测方法，包括以下步骤：

S1、在待测定的土层深度处安装土壤张力计和抽水器，再将土壤灌水至田间持水量，待土壤张力计计数稳定后，记录土壤张力计此时读数；

S2、抽水器通过抽水管依次与调压装置、抽气装置和集水瓶连接，以形成抽水系统；

S3、开启抽气装置，并通过调压装置调整压力大小，令抽水系统的压力值为-80kPa，同时开始计时，每隔0.5～1小时，观察土壤张力计读数；

S4、当土壤张力计的读数达到-5kPa时，暂时关闭，吸出集水瓶内的水，以确定此水的体积为V，并计算土壤的供水速率：

其中，q为单位水势梯度条件下的供水速率，V为抽出水的体积，S为抽水器的可进水表面积，t为开启抽气装置至关闭抽气装置的时间，Δψ为抽水器与张力计陶瓷头之间的压力差，即张力计读数与抽水系统压力的差值，L为抽水器与张力计陶瓷头之间的距离；

S5、重复步骤S3和S4，且每重复一次，步骤S4中土壤张力计的读数按一定等差值递减，直至供水速率q的值小于0.01cm/d时为止；以此记录土壤张力计读数和供水速率的相应数据组，并基于此数据组建立两者的关系曲线或关系模型；

S6、再通过土壤张力计读数，基于关系曲线或关系模型，实现对土壤实时供水速率的间接监测。

优选的，所述抽水器包括陶瓷头和密封接头，所述密封接头安装于陶瓷头的开口端，以形成密封腔，所述抽水管的一端穿过密封接头后伸入密封腔底部。

优选的，所述抽水管的一端呈楔形。

优选的，所述密封接头包括接头底座、锁紧帽和锁紧胶圈，所述接头底座包括依次连接的密封部、限位部和螺纹部，所述密封部插入陶瓷头的开口且与开口密封连接，所述限位部的侧面与陶瓷头的开口端端面相贴，所述锁紧胶圈的一端塞入螺纹部内，且通过锁紧帽锁紧。

优选的，所述调压装置为采用带压力显示的调压阀。

优选的，所述抽气装置为直流供电微型蠕动泵。

优选的，所述集水瓶为等径圆柱形玻璃瓶，此等径圆柱形玻璃瓶的瓶身有显示体积的刻度。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

本发明利用土壤张力计和抽水系统结合建立关系曲线或关系模型，从而根据土壤张力计可快速确定土壤的供水速率，该方法准确性高，效率高，是一种灌溉决策的创新方法，为后续灌溉提供了可靠依据，以保证可及时为植物灌溉。

本发明的原位测定方法采用主要由抽水器、调压装置、抽气装置和集水瓶构成的抽水系统，再结合土壤张力计进行测定，该方法采用设备简单，方便操作，且保证了测定的准确性。

附图说明

图1是本发明的土壤供水速率的原位测定及监测方法中抽水器的结构示意图。

图2是本发明的土壤供水速率的原位测定及监测方法中抽水系统的结构示意图。

图3是本发明的土壤供水速率的原位测定及监测方法在粘壤土测定建立的关系曲线。

图4是本发明的土壤供水速率的原位测定及监测方法在砂壤土测定建立的关系曲线。

其中，1为陶瓷头，2为密封接头，21为接头底座，22为锁紧胶圈，23为锁紧帽，3为抽水管，4为调压装置，5为抽气装置，6为集水瓶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

土壤供水速率的原位测定及监测方法，包括以下步骤：

S1、在待测定的土层深度处安装土壤张力计和抽水器，再将土壤灌水至田间持水量，待土壤张力计计数稳定后，记录土壤张力计此时读数；具体的，土壤张力计的读数即是此处土壤的土壤基质势。

S2、抽水器通过抽水管依次与调压装置、抽气装置和集水瓶连接，以形成抽水系统，如图1和图2所示；具体的，所述抽水器包括陶瓷头和密封接头，所述密封接头安装于陶瓷头的开口端，以形成密封腔，所述抽水管的一端为楔形，穿过密封接头后伸入密封腔底部，保证抽水器内的水全部抽出，抽水管不被堵塞。则土壤中的水分穿过陶瓷头后进入密封腔内，以对相应土壤处的水分进行收集，同时将一定时间内收集的水分送到集水瓶中，并记录此段时间内集水瓶内的水分体积。

S3、开启抽气装置，并通过调压装置调整压力大小，令抽水系统的压力为-80kPa，；同时开始计时，每隔0.5～1小时，观察土壤张力计读数；具体的，带压力显示的调压阀直接调节，以保证抽水管及陶瓷头内的密封腔的压力稳定为-80kPa。

S4、当土壤张力计的读数达到-5kPa时，暂时关闭，吸出集水瓶内的水，以确定此水的体积为V，并计算土壤的供水速率：

其中，q为单位水势梯度(kPa/cm)条件下的供水速率(cm·d

S5、重复步骤S3和S4，且每重复一次，步骤S4中土壤张力计的读数按一定等差值递减，本实施例中以-5kPa作为等值，即骤S4中土壤张力计的读数每次抽水时依次达到-5kPa、-10kPa、-15kPa、-20kPa…，直至供水速度q的值小于0.01cm/d时为止；以此记录土壤张力计读数(即土壤基质势)和供水速率的相应数据组，并基于此数据组建立两者的关系曲线或关系模型；具体的，关系曲线为用测量的数据做成的点连成的曲线，而关系模型是用一个数学关系式模拟关系曲线。比如近似直线的点，就可以用直线方程来描述。当土壤张力计读数和供水速率之间的拟合度高时，可建立关系模型，从而根据土壤张力计的计数快速确定测定处的土壤供水速率。

S6、基于关系曲线或关系模型，再通过土壤张力计来监测土壤的供水速率。

本发明中通过土壤张力计和抽水系统确定相应区域内的土壤供水速率，从而可建立关系曲线或关系模型，从而可通过土壤张力计测定此区域内土壤的土壤基质势，以间接得到供水速率，以达到随时监测土壤的供水速率，为植物的灌溉提供可行的依据，保证植物在良好的土壤环境中生长，以提高作物的产量和品质。

如图1和图2所示，所述抽水器包括陶瓷头和密封接头，所述密封接头安装于陶瓷头的开口端，以形成密封腔，所述抽水管的一端穿过密封接头后伸入密封腔。具体的，陶瓷头除可采用陶瓷制成，还可采用其他亲水性多孔材料制成。陶瓷头具有中空结构，呈管状，且底端封闭呈球型，陶瓷头的上端开口通胶水与密封接头连接，从而形成密封腔。这结构简单，保证了密封腔的密封效果，以保证工作的有效进行。

所述密封接头包括接头底座、锁紧帽和锁紧胶圈，所述接头底座包括依次连接的密封部、限位部和螺纹部，所述密封部插入陶瓷头的开口且与开口密封连接，所述限位部的侧面与陶瓷头的开口端端面相贴，所述锁紧胶圈的一端塞入螺纹部内，且通过锁紧帽锁紧。具体的，抽水管采用硅胶管制成，当锁紧帽向底座拧紧时，锁紧胶圈在锁紧帽内侧倒角结构的挤压作用下缩紧，从而夹紧抽水管，以达到密封效果。

所述调压装置为采用带压力显示的调压阀。具体的，本实施例中调压阀的压力调节范围为0～95kPa，以保证测定的有效进行。

所述抽气装置为直流供电微型蠕动泵。此直流供电微型蠕动泵，方便控制，精度高，进一步保证测定结果的准确性。

基于上述土壤供水速率的原位测定及监测方法的应用，一般情况下，当土壤供水速率小于0.01cm/d时，植物需水得不到满足，此时需要灌溉，如果某种植物在不同生长阶段的耗水速率可知，基于土壤张力计读数，再结合关系曲线或关系模型确定土壤的供水速率，再通过供水速率与植物耗水速率对比，以更加精确地确定是否需要灌溉：

当土壤的供水速率大于植物耗水速率时，不需要灌溉；

当土壤的供水速率小于植物耗水速率时，需要灌溉。

如当采用本发明的方法对某一粘壤土的供水速率进行测定，测得数据如下表1：

表1

基于表1中的数据建立关系曲线，如图3所示。粘壤土当土壤基质势下降至-60kPa时，土壤的供水速率已经低至0.01cm/d，即一天内土壤水分的移动距离只有0.1mm，此时土壤的供水速率已不能灌足大多数植物正常生长消耗的需求，需要灌溉，据此，在该类型土壤中，作物生长期间，用土壤张力计监测土壤基质势，当土壤基质势低到-60kPa时，即土壤张力计的读数下降到-60kPa时，可以启动灌溉。如果作物在不同生长阶段的耗水速率已知，则可以根据耗水速率和土壤供水速率的大小更加精确地判断需水临界期，从而保证土壤水分条件处于作物最适宜的状态。

再如，当本发明的方法对某一砂壤土的供水速率进行测定，测得数据如下表2：

表2

基于表2的数据建立关系曲线如图4所示，砂壤土当土壤基质势下降至-40kPa时，土壤的供水速率已经低至0.01cm/d，即一天内土壤水分的移动距离只有0.1mm，此时土壤的供水速率已不能灌足大多数植物正常生长消耗的需求，需要灌溉，据此，在该类型土壤中，作物生长期间，用土壤张力计监测土壤基质势，当基质势达到-40kPa时，即土壤张力计的读数为-40kPa时，可以启动灌溉。如果作物各生长阶段的耗水速率已知，则可以根据耗水速率和土壤供水速率的大小更加精确地判断需水临界期，从而保证土壤水分条件处于作物最适宜的状态。

从如上两种土壤测定的数据可以看出，当土壤基质势同为-40kPa时，粘壤土的供水速率为0.1229cm/d，土壤仍然能够充分向植物供水，而砂壤土的供水速率则为0.01cm/d，已经不能向植物充分供水了，因此该方法能够从本质上解决土壤水分状况监测的难题，为农业生产中土壤水分的管理决策提供更加可靠的技术支撑。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。