土壤測量的儀器課件

土壤測量的儀器3.1土壤濕度測量儀器土壤含水量的兩種表示方法：數量法（重量百分數、體積百分數）能量法（水勢）數量法（重量百分數、體積百分數）返回能量法——水勢（Waterpotential）1907年Buckingham提出；土水勢的定義：為了可逆低等溫地在標準大氣壓下從指定高度的純水水體中移動無窮小量的水到土壤水分中去，每單位數量的純水所需做功的數量；同一土壤中，濕度越大，土壤水能量水平愈高，土壤水勢也愈高；土壤水總是從土水勢高出流向土水勢低處；當濕度相同時，水勢的大小次序：砂土>壤土>粘土。土水勢的定量表示方法單位容積土壤水的勢能用壓力單位。標準單位是：帕斯卡（Pa），也可以使用千帕（KPa）、兆帕（MPa）、巴（bar）、大氣壓（atm）、厘米水柱（cmh2o）。正常情況下，土壤水勢是負值。能量法和數量法的關系

——土壤水分特征曲線土壤水吸力=-土壤水勢能量法的優(yōu)點：可以作為判斷各種土壤水分能態(tài)的同一標準和尺度；對土水勢的研究還能提供一些精確的土壤水分狀況測定手段；（水分特征曲線）土水勢的數值可以在土壤-植物-大氣之間統一使用，把土水勢、根水勢、葉水勢、空氣的水汽壓等統一比較，判斷它們之間水流的方向、速度和土壤水的有效性。（SPAC）返回SPAC系統Soil-Plant-AtmosphereContinuum。澳大利亞著名水文學家Philip（1966），提出了土壤—植物—大氣連續(xù)體（SPAC）的概念。主要內容（以水為例）是：水分經由土壤達到植物根系，進入根系，通過細胞傳輸。進入植物莖，由植物木質部到達葉片，再由葉氣孔擴散到空氣層，最后參與大氣的湍流交換，形成一個統一、動態(tài)的互反饋連續(xù)系統，即土壤—植物—大氣連續(xù)體系統。Anoverviewoftransportinwholeplants(Layer1)Anoverviewoftransportinwholeplants(Layer2)Anoverviewoftransportinwholeplants(Layer3)Anoverviewoftransportinwholeplants(Layer4)SoilPlantAtmosphereWaterSystemLocation

YSoil(1m) -0.3Soilatroot -0.5Xyleminroot -0.6Xyleminleaf(10m) -0.8Airinleaf -6.9Airnearleaf -70.0Airawayfromleaf -95.0Waterpotentialinthesoil-plant-atmospherecontinuum返回3.1土壤濕度測量儀器土壤含水量間接測量和直接測量的兩種方法中，間接測量方法被認為是更有前途的。直接測量——土鉆法電阻土壤濕度計負壓計(張力計)中子土壤濕度計TDR法FDR法3.1.1直接測量——土鉆法

通過用土鉆采取土樣、烘干、稱重再計算出水的克數與干土之比的百分率。即：3.1.2電阻土壤濕度計電阻土壤濕度計是根據土壤含水量與土壤溶液導電性的密切關系，通過測量兩個固定電極間土壤溶液的電阻來測定土壤濕度的儀器。

原理：土壤溶液的導電基本符合歐姆定律V=IR。需要注意的是：土壤溶液的導電是離子導電。它受溫度、土壤鹽分以及電極與土壤接觸的緊實狀況等許多因素的影響，因而不能直接使用裸露電極。通常是把兩根金屬電極嵌于各種微孔介質塊中（如石膏、多孔陶瓷、尼龍玻璃纖維等），構成感濕元件（常稱電阻塊），將其埋入土壤中，待感濕元件與土壤水分取得平衡后，再測量其電導率。

石膏塊永久埋入土壤中，壽命為3到5年。這種方法適用于干燥土壤環(huán)境（張力計無法使用）。測量范圍：3-100kPa。3.1.3負壓計(張力計)儀器能在田間連續(xù)測定土壤總吸力，它以巴為單位，故測定結果便于與大氣水汽壓和植物的水勢聯系起來分析使用；

張力計的適用工作范圍是在0～1.0×105Pa；可以用于指導灌水。3.1.4中子土壤濕度計(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)用途：

可測量土壤等被測物深達10米的剖面含水量。原理組成：

探頭：由快中子源（40毫居里镅鈹環(huán)狀源）和一個慢中子檢測器組成。

計數器：監(jiān)測被測物散射的慢中子通道。3.1.4中子土壤濕度計(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)原理：基本原理是利用中子的散射特性。利用中子熱化原理，快中子源發(fā)出的中子在遇到氫原子后，失去部分動能轉化成慢中子，儀器根據測出的慢中子數量計算出被測物含水量。3.1.4中子土壤濕度計(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)中子濕度計示意圖中子儀的優(yōu)點：它沒有感應器與土壤水分平衡的滯后期，所以測量速度快。測定時不需取樣，從而可不破壞土壤結構（當然在安置測量導管時要有一定的破壞作用），并能監(jiān)測一定范圍的土體（直徑約20cm）,消除了局部變化的影響。測量范圍可以從飽和到絕對干燥的土壤濕度，同時土壤中鹽類含量的影響可以忽略。

中子儀的缺點：由于所測的是以中子源為中心，半徑約20cm的土體，因此在田間測量表層土壤濕度時，會有部分中子逸出土表，限制了表層附近的測量精度，同時“環(huán)境污染”；對于根系分布密度大或有機沉積物含量高的土壤，在測量時也會造成誤差；其結構復雜，成本高，使用時需有一定的防護措施更限制了儀器的廣泛應用。3.1.5TDR法TimeDomainReflectometry（時域反射儀）根據探測器發(fā)出的電磁波在不同介電常數物質中的傳輸時間的不同，計算出被測物含水量。水是決定土壤介電常數的主要因素，因此可以使用TDR的原理來測量土壤的含水量。TRIMET3與TRIMEP3系列TDR土壤含水量測量系統TDR高精度土壤水分測試儀TRIME的智能針式探頭是一種高技術含量的堅固耐用的產品，其獨特之處在于在探頭中結合了TDR的電子測量線路，從而可以提供很高的精度，并提供了最佳網絡數據傳輸功能（傳感器的線纜長度可能長達3公里而無須任何的放大裝置）。TRASE土壤含水量監(jiān)測計3.1.6FDR法FrequencyDomainReflectometry

該系統是通過測量電解質常量的變化量測量土壤的水分體積含量，這些變化轉變?yōu)榕c土壤濕度成比例的毫伏信號。SMS2高精度土壤水分測量儀3.2土壤蒸發(fā)的測量儀器

蒸散量是農業(yè)氣象觀測項目之一，是對田間土壤蒸發(fā)和作物蒸騰總量的測定，又稱農田總蒸發(fā)（蒸散）測定（Evapotranspiration）。其測定資料在農業(yè)氣候干濕評定、農田灌溉管理、作物產量估測和土壤水分預報等方面均有廣泛的用途。3.2.1小型土壤蒸發(fā)器3.2.2農田蒸滲儀3.2.3山東禹城大型蒸滲儀3.2.1小型土壤蒸發(fā)器土壤蒸發(fā)器是通過稱量一定容積自然狀態(tài)土體，在一定時間間隔內的重量變化來確定該時段土壤蒸發(fā)量的。3.2.1小型土壤蒸發(fā)器體積小，誤差大；稱重系統，使用不方便；無法考慮地下水的影響。3.2.2農田蒸滲儀（Lysimeter）TheLysimeterisafullyautomaticweighingsystemdesignedformonitoringweightchangesinSPACsystemallowingresearcherstoassessinformationsuchasevapotranspirationandsoilnutrientuptakes.

農田蒸滲儀是在SPAC系統中，為了監(jiān)測其重量的變化而設計的一種全自動的稱重系統，可以使研究者獲得土壤蒸散以及養(yǎng)分運動的設備。3.2.2農田蒸滲儀（Lysimeter

由于蒸滲計的內容器大，可以栽種大量的各種作物，因而取樣代表性大，又能夠準確地進行測量，所以它是一種廣泛用于科研的農田蒸散的測定儀器。世界上許多國家（英國、加拿大、法國、澳大利亞和俄羅斯）都在有關的科研基地上建造有各種形式的大型蒸滲計。近幾年來，我國也開始建造，使用這樣的蒸滲計。

蒸滲儀的示意圖LysimeterⅠloadcellsensorsLysimeter

Ⅰaseriesofloadcellsensors

Lysimeter

ⅡLysimeter

ⅢLysimeter

ⅣLysimeter

ⅤLysimeter

ⅤLysimeter

Ⅵ蒸滲儀的一般應用:測定蒸散總量，或土壤蒸發(fā)量和蒸騰量，研究農作物的耗水規(guī)律；和其他儀器一起測定土壤水中各種化學成分的含量；研究化肥和農藥對土壤水和地下水的影響。蒸滲儀的測量原理農田土壤水量平衡方程△S為時段開始與終了時土層汗水量的差值；P為降水量；I為灌溉水量；N為毛管水上升到該土層的水分；D為滲漏到土層以下的水分；T為作物蒸騰量；E為土壤水分蒸發(fā)量；R為地面徑流。各項單位通常用mm表示。PrecipitationIrrigationRunoffEvapotranspirationRiseSeepageEvapotranspirationPrecipitationQuantity3.2.3山東禹城大型蒸滲儀中國科學院綜合試驗站(簡稱禹城站)位于山東省禹城市。建于1979年，是中國科學院對外開放試驗站、中國生態(tài)系統研究網絡(CERN)農業(yè)生態(tài)系統試驗站、聯合國環(huán)境總署陸地生態(tài)系統監(jiān)測站(GTOS)、國家重點野外科學觀測試驗站(試點站)。1989年建設了蒸滲儀。山東禹城大型蒸滲儀禹城地區(qū)位于山東省境內的黃河下游沖積平原上，受黃河引水的影響，區(qū)內地下水埋深較淺，常年在0.2m到4.2m之間變動，由于地下水埋深淺，地下水和土壤水的交換關系十分活躍。在這類地區(qū)開展SPAC系統的研究，必須考慮地下水的影響，構成地下水—土壤—植物—大氣連續(xù)體（GSPAC）系統山東禹城大型蒸滲儀組成（1）主體系統蒸滲儀的主體系統是指裝有飽和非飽和土住的鋼簡、外壁以及土壤中的測試儀器．土柱表面積為3.14m2，可以種植1500株小麥或21株玉米，土柱深達5m，以滿足土壤剖面上地下水位不斷變動的要求，地下水位最深為4.2m。土柱中的測試儀器包括負壓計、中子水分儀、鹽分傳感器、土壤溶液提取器和溫度計等．山東禹城大型蒸滲儀組成各儀器埋設深度(單位：cm)如下：負壓計：20，40，50，60，70，80，90，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300，330，360，390，420，450鹽分傳感器：5，15，25，40，70，110，160，220溶液提取器：30，50，100，150，200溫度計：0，10，20，30，40，60，100，150，200山東禹城大型蒸滲儀組成（2）稱重系統蒸滲儀鋼筒與土柱重約30Mg，當土壤含水量增大時，重量也隨之增大，最重可達34Mg．盡管如此重的土柱，蒸滲儀要求有較高的分辨率．在禹城地區(qū)，年潛在蒸騰蒸發(fā)量為900—950mm，平均日蒸騰蒸發(fā)量只有2.6mm。據此，蒸滲儀的分辨率是按0.02mm設計的山東禹城大型蒸滲儀組成（3）供排水系統為了模擬地下水的實際狀態(tài)，需向蒸滲儀內加入或排出一定水量使內外地下水位保持一致。供排水系統包括供水箱、排水箱、Mariotte瓶和供排水管道。Mariotte瓶可以沿豎直導軌上下移動通過向蒸滲儀內加入或排出一定水量控制蒸滲僅內地下水位。加入或排出的水量由供水箱和排水箱測量得出。大型蒸滲儀功能:測量具有地下水毛管上升補給條件下的農田實際耗水量和潛水蒸發(fā)量，進而分析研究地下水對農田耗水量的作用和貢獻。研究不同土壤類型、不同地下水埋深對農田耗水和土壤水入滲的影響。研究作物耗水量、棵間蒸發(fā)量和合理的農田灌溉制度。建立GSPAC系統分析模型，優(yōu)選和確定各類參數。研究與水分運動有關的土壤養(yǎng)分、化學元素和污染物質在土壤中運移和轉化的規(guī)律。和同類儀器的比較:面積大。表面積為3.14m2，可種植冬小麥約1000株，玉米或棉花約20株。深度深。土體深度為5m,并有采用馬里奧特瓶控制土柱內水位變化的供水系統，能模擬地下水位淺埋條件下地下水積極參與GSPAC系統物質能量轉化的實際過程，并能同時測量作物耗水量和潛水蒸發(fā)量。原理新。稱量系統采用非平衡測定原理及零點偏置電路，精度高，可以靈敏地反映出0.02mm的變化。可控性?？扇斯せ蛴嬎銠C觀測與控制。研究結果例：1998年10月8日到1999年6月7日采用蒸滲儀對冬小麥生長期進行了測量。研究結果例：水量平衡：冬小麥生長期間，農田水平衡中最主要的支出項農田騰發(fā)量累計為456.66mm。用于供給農田蒸散量以滿足冬小麥耗水的水分來源有三種：天然降水、地下水對土壤水的補給和人工灌溉。冬小麥生長期為一年中的干旱季節(jié)，累計降水量僅為115.3mm，占農田蒸散量的25.3％。冬小麥生長期地下水埋深在1.60—2.40m之間變動，地下水對土壤水的補給量累計可達75.61mm，約占農田蒸散量的16.6％；累計灌溉水量為275.31mm，成為冬小麥生長期間土壤水分的主要補給來。研究結果例：土壤水分和水勢TDRWateristheprimaryfactorindeterminingthedielectricconstantofsoil.TheTDRsoilmoisturesensormeasuresthedielectricconstant,whichisdirectlyrelatedtowatercontentinreasonablegrowingconditions.Theprobeconsistsofasmallelectronicmoduleencapsulatedforenviron