土壤测量的仪器课件

土壤测量的仪器3.1土壤湿度测量仪器土壤含水量的两种表示方法：数量法（重量百分数、体积百分数）能量法（水势）数量法（重量百分数、体积百分数）返回能量法——水势（Waterpotential）1907年Buckingham提出；土水势的定义：为了可逆低等温地在标准大气压下从指定高度的纯水水体中移动无穷小量的水到土壤水分中去，每单位数量的纯水所需做功的数量；同一土壤中，湿度越大，土壤水能量水平愈高，土壤水势也愈高；土壤水总是从土水势高出流向土水势低处；当湿度相同时，水势的大小次序：砂土>壤土>粘土。土水势的定量表示方法单位容积土壤水的势能用压力单位。标准单位是：帕斯卡（Pa），也可以使用千帕（KPa）、兆帕（MPa）、巴（bar）、大气压（atm）、厘米水柱（cmh2o）。正常情况下，土壤水势是负值。能量法和数量法的关系

——土壤水分特征曲线土壤水吸力=-土壤水势能量法的优点：可以作为判断各种土壤水分能态的同一标准和尺度；对土水势的研究还能提供一些精确的土壤水分状况测定手段；（水分特征曲线）土水势的数值可以在土壤-植物-大气之间统一使用，把土水势、根水势、叶水势、空气的水汽压等统一比较，判断它们之间水流的方向、速度和土壤水的有效性。（SPAC）返回SPAC系统Soil-Plant-AtmosphereContinuum。澳大利亚著名水文学家Philip（1966），提出了土壤—植物—大气连续体（SPAC）的概念。主要内容（以水为例）是：水分经由土壤达到植物根系，进入根系，通过细胞传输。进入植物茎，由植物木质部到达叶片，再由叶气孔扩散到空气层，最后参与大气的湍流交换，形成一个统一、动态的互反馈连续系统，即土壤—植物—大气连续体系统。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土壤湿度测量仪器土壤含水量间接测量和直接测量的两种方法中，间接测量方法被认为是更有前途的。直接测量——土钻法电阻土壤湿度计负压计(张力计)中子土壤湿度计TDR法FDR法3.1.1直接测量——土钻法

通过用土钻采取土样、烘干、称重再计算出水的克数与干土之比的百分率。即：3.1.2电阻土壤湿度计电阻土壤湿度计是根据土壤含水量与土壤溶液导电性的密切关系，通过测量两个固定电极间土壤溶液的电阻来测定土壤湿度的仪器。

原理：土壤溶液的导电基本符合欧姆定律V=IR。需要注意的是：土壤溶液的导电是离子导电。它受温度、土壤盐分以及电极与土壤接触的紧实状况等许多因素的影响，因而不能直接使用裸露电极。通常是把两根金属电极嵌于各种微孔介质块中（如石膏、多孔陶瓷、尼龙玻璃纤维等），构成感湿元件（常称电阻块），将其埋入土壤中，待感湿元件与土壤水分取得平衡后，再测量其电导率。

石膏块永久埋入土壤中，寿命为3到5年。这种方法适用于干燥土壤环境（张力计无法使用）。测量范围：3-100kPa。3.1.3负压计(张力计)仪器能在田间连续测定土壤总吸力，它以巴为单位，故测定结果便于与大气水汽压和植物的水势联系起来分析使用；

张力计的适用工作范围是在0～1.0×105Pa；可以用于指导灌水。3.1.4中子土壤湿度计(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)用途：

可测量土壤等被测物深达10米的剖面含水量。原理组成：

探头：由快中子源（40毫居里镅铍环状源）和一个慢中子检测器组成。

计数器：监测被测物散射的慢中子通道。3.1.4中子土壤湿度计(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)原理：基本原理是利用中子的散射特性。利用中子热化原理，快中子源发出的中子在遇到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器根据测出的慢中子数量计算出被测物含水量。3.1.4中子土壤湿度计(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)中子湿度计示意图中子仪的优点：它没有感应器与土壤水分平衡的滞后期，所以测量速度快。测定时不需取样，从而可不破坏土壤结构（当然在安置测量导管时要有一定的破坏作用），并能监测一定范围的土体（直径约20cm）,消除了局部变化的影响。测量范围可以从饱和到绝对干燥的土壤湿度，同时土壤中盐类含量的影响可以忽略。

中子仪的缺点：由于所测的是以中子源为中心，半径约20cm的土体，因此在田间测量表层土壤湿度时，会有部分中子逸出土表，限制了表层附近的测量精度，同时“环境污染”；对于根系分布密度大或有机沉积物含量高的土壤，在测量时也会造成误差；其结构复杂，成本高，使用时需有一定的防护措施更限制了仪器的广泛应用。3.1.5TDR法TimeDomainReflectometry（时域反射仪）根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的传输时间的不同，计算出被测物含水量。水是决定土壤介电常数的主要因素，因此可以使用TDR的原理来测量土壤的含水量。TRIMET3与TRIMEP3系列TDR土壤含水量测量系统TDR高精度土壤水分测试仪TRIME的智能针式探头是一种高技术含量的坚固耐用的产品，其独特之处在于在探头中结合了TDR的电子测量线路，从而可以提供很高的精度，并提供了最佳网络数据传输功能（传感器的线缆长度可能长达3公里而无须任何的放大装置）。TRASE土壤含水量监测计3.1.6FDR法FrequencyDomainReflectometry

该系统是通过测量电解质常量的变化量测量土壤的水分体积含量，这些变化转变为与土壤湿度成比例的毫伏信号。SMS2高精度土壤水分测量仪3.2土壤蒸发的测量仪器

蒸散量是农业气象观测项目之一，是对田间土壤蒸发和作物蒸腾总量的测定，又称农田总蒸发（蒸散）测定（Evapotranspiration）。其测定资料在农业气候干湿评定、农田灌溉管理、作物产量估测和土壤水分预报等方面均有广泛的用途。3.2.1小型土壤蒸发器3.2.2农田蒸渗仪3.2.3山东禹城大型蒸渗仪3.2.1小型土壤蒸发器土壤蒸发器是通过称量一定容积自然状态土体，在一定时间间隔内的重量变化来确定该时段土壤蒸发量的。3.2.1小型土壤蒸发器体积小，误差大；称重系统，使用不方便；无法考虑地下水的影响。3.2.2农田蒸渗仪（Lysimeter）TheLysimeterisafullyautomaticweighingsystemdesignedformonitoringweightchangesinSPACsystemallowingresearcherstoassessinformationsuchasevapotranspirationandsoilnutrientuptakes.

农田蒸渗仪是在SPAC系统中，为了监测其重量的变化而设计的一种全自动的称重系统，可以使研究者获得土壤蒸散以及养分运动的设备。3.2.2农田蒸渗仪（Lysimeter

由于蒸渗计的内容器大，可以栽种大量的各种作物，因而取样代表性大，又能够准确地进行测量，所以它是一种广泛用于科研的农田蒸散的测定仪器。世界上许多国家（英国、加拿大、法国、澳大利亚和俄罗斯）都在有关的科研基地上建造有各种形式的大型蒸渗计。近几年来，我国也开始建造，使用这样的蒸渗计。

蒸渗仪的示意图LysimeterⅠloadcellsensorsLysimeter

Ⅰaseriesofloadcellsensors

Lysimeter

ⅡLysimeter

ⅢLysimeter

ⅣLysimeter

ⅤLysimeter

ⅤLysimeter

Ⅵ蒸渗仪的一般应用:测定蒸散总量，或土壤蒸发量和蒸腾量，研究农作物的耗水规律；和其他仪器一起测定土壤水中各种化学成分的含量；研究化肥和农药对土壤水和地下水的影响。蒸渗仪的测量原理农田土壤水量平衡方程△S为时段开始与终了时土层汗水量的差值；P为降水量；I为灌溉水量；N为毛管水上升到该土层的水分；D为渗漏到土层以下的水分；T为作物蒸腾量；E为土壤水分蒸发量；R为地面径流。各项单位通常用mm表示。PrecipitationIrrigationRunoffEvapotranspirationRiseSeepageEvapotranspirationPrecipitationQuantity3.2.3山东禹城大型蒸渗仪中国科学院综合试验站(简称禹城站)位于山东省禹城市。建于1979年，是中国科学院对外开放试验站、中国生态系统研究网络(CERN)农业生态系统试验站、联合国环境总署陆地生态系统监测站(GTOS)、国家重点野外科学观测试验站(试点站)。1989年建设了蒸渗仪。山东禹城大型蒸渗仪禹城地区位于山东省境内的黄河下游冲积平原上，受黄河引水的影响，区内地下水埋深较浅，常年在0.2m到4.2m之间变动，由于地下水埋深浅，地下水和土壤水的交换关系十分活跃。在这类地区开展SPAC系统的研究，必须考虑地下水的影响，构成地下水—土壤—植物—大气连续体（GSPAC）系统山东禹城大型蒸渗仪组成（1）主体系统蒸渗仪的主体系统是指装有饱和非饱和土住的钢简、外壁以及土壤中的测试仪器．土柱表面积为3.14m2，可以种植1500株小麦或21株玉米，土柱深达5m，以满足土壤剖面上地下水位不断变动的要求，地下水位最深为4.2m。土柱中的测试仪器包括负压计、中子水分仪、盐分传感器、土壤溶液提取器和温度计等．山东禹城大型蒸渗仪组成各仪器埋设深度(单位：cm)如下：负压计：20，40，50，60，70，80，90，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300，330，360，390，420，450盐分传感器：5，15，25，40，70，110，160，220溶液提取器：30，50，100，150，200温度计：0，10，20，30，40，60，100，150，200山东禹城大型蒸渗仪组成（2）称重系统蒸渗仪钢筒与土柱重约30Mg，当土壤含水量增大时，重量也随之增大，最重可达34Mg．尽管如此重的土柱，蒸渗仪要求有较高的分辨率．在禹城地区，年潜在蒸腾蒸发量为900—950mm，平均日蒸腾蒸发量只有2.6mm。据此，蒸渗仪的分辨率是按0.02mm设计的山东禹城大型蒸渗仪组成（3）供排水系统为了模拟地下水的实际状态，需向蒸渗仪内加入或排出一定水量使内外地下水位保持一致。供排水系统包括供水箱、排水箱、Mariotte瓶和供排水管道。Mariotte瓶可以沿竖直导轨上下移动通过向蒸渗仪内加入或排出一定水量控制蒸渗仅内地下水位。加入或排出的水量由供水箱和排水箱测量得出。大型蒸渗仪功能:测量具有地下水毛管上升补给条件下的农田实际耗水量和潜水蒸发量，进而分析研究地下水对农田耗水量的作用和贡献。研究不同土壤类型、不同地下水埋深对农田耗水和土壤水入渗的影响。研究作物耗水量、棵间蒸发量和合理的农田灌溉制度。建立GSPAC系统分析模型，优选和确定各类参数。研究与水分运动有关的土壤养分、化学元素和污染物质在土壤中运移和转化的规律。和同类仪器的比较:面积大。表面积为3.14m2，可种植冬小麦约1000株，玉米或棉花约20株。深度深。土体深度为5m,并有采用马里奥特瓶控制土柱内水位变化的供水系统，能模拟地下水位浅埋条件下地下水积极参与GSPAC系统物质能量转化的实际过程，并能同时测量作物耗水量和潜水蒸发量。原理新。称量系统采用非平衡测定原理及零点偏置电路，精度高，可以灵敏地反映出0.02mm的变化。可控性。可人工或计算机观测与控制。研究结果例：1998年10月8日到1999年6月7日采用蒸渗仪对冬小麦生长期进行了测量。研究结果例：水量平衡：冬小麦生长期间，农田水平衡中最主要的支出项农田腾发量累计为456.66mm。用于供给农田蒸散量以满足冬小麦耗水的水分来源有三种：天然降水、地下水对土壤水的补给和人工灌溉。冬小麦生长期为一年中的干旱季节，累计降水量仅为115.3mm，占农田蒸散量的25.3％。冬小麦生长期地下水埋深在1.60—2.40m之间变动，地下水对土壤水的补给量累计可达75.61mm，约占农田蒸散量的16.6％；累计灌溉水量为275.31mm，成为冬小麦生长期间土壤水分的主要补给来。研究结果例：土壤水分和水势TDRWateristheprimaryfactorindeterminingthedielectricconstantofsoil.TheTDRsoilmoisturesensormeasuresthedielectricconstant,whichisdirectlyrelatedtowatercontentinreasonablegrowingconditions.Theprobeconsistsofasmallelectronicmoduleencapsulatedforenviron