標籤:土壤水分 土壤水分感測器 soil moisture

土壤水是植物吸收水分的主要來源(水培植物除外),另外植物也可以直接吸收少量落在葉片上的水分。土壤水的主要來源是降水和灌溉水,參與岩石圈-生物圈-大氣圈-圈-水圈的水分大循環。

1類型

土壤水分主要來源於大氣降水和灌溉水,此外,地下水上升和大氣中水汽的凝結也是土壤水分的來源。
水分由於在土壤中受到重力、毛管引力、水分子引力、土粒表面分子引力等各種力的作用,形成不同類型的水分並反映出不同的性質。
固態水,土壤水凍結時形成的冰晶。
汽態水,存在於土壤空氣中。
束縛水,包括吸濕水和膜狀水。
自由水,包括毛管水、重力水和地下水。
膜狀水-薄膜水
膜狀水指由土壤顆粒表面吸附所保持的水層,其厚度可達幾十或幾百個以上的水分子。
薄膜水的含量決定於土壤質地、腐殖質含量等。土壤質地粘重,腐殖質含量高。膜狀水含量高,反之則低。膜狀水的最大值叫最大分子持水量。
由於膜狀水受到的引力比吸濕水小,一般為pF值4.5~3.8,所以能由水膜厚的土粒向水膜薄的土粒方向移動,但是移動的速度緩慢。薄膜水能被植物根系吸收,但數量少,不能及時補給植物的需求,對植物生長發育來說屬於弱有效水分。又稱為松束縛水分。吸附力為土粒剩餘的引力。
重力水
當進入土壤的水分超過田間持水量后,一部分水沿著大孔隙受重力作用向下滲漏,這部分受重力作用的土壤水稱重力水。重力水下滲到下部的不透水層時,就會聚積成為地下水。所以重力水是地下水的重要來源。地下水的水面距地表的深度稱為地下水位。地下水位要適當,不宜過高或過低。地下水位過低,地下水不能通過毛管支持水方式供應植物;地下水位過高不但影響土壤通氣性,而且有的土壤會產生鹽漬化。若重力水在滲漏的過程中碰到質地粘重的不透水層可透水性很弱的層次,就形成臨時性或季節性的飽和含水層,稱為上層滯水。這層水的位置很高,特別是出現在犁底層以上會使植物受漬,通常把根系活動層範圍的上層滯水叫潛水層,對植物生長影響較大。
重力水雖然能被植物吸收,但因為下滲速度很快,實際上被植物利用的機會很少。
上述各類型的水分在一定條件下可以相互轉化,例如:超過薄膜水的水分即成為毛管水;超過毛管水的水分成為重力水;重力水下滲聚積成地下水;地下水上升又成為毛管支持水;當土壤水分大量蒸發,土壤中就只有吸濕水。

2存在形態

土壤水存在於土壤孔隙中,尤其是中小孔隙中,大孔隙常被空氣所佔據。穿插於土壤孔隙中的植物根系從含水土壤孔隙中吸取水分,用於蒸騰。土壤中的水氣界面存在濕度梯度,溫度升高,梯度加大,因此水會變成水蒸汽蒸發逸出土表。蒸騰和蒸發的水加起來叫做蒸散,是土壤水進入大氣的兩條途徑。
表層的土壤水受到重力會向下滲漏,在地表有足夠水量補充的情況下,土壤水可以一直入滲到地下水位,繼而可能進入江、河、湖、海等地表水。

3表示方法

土壤中水分的多少有兩種表示方法:一種是以土壤含水量表示,分重量含水量和容積含水量兩種,二者之間的關係由土壤容重來換算。另一種是以土壤水勢表示,土壤水勢的負值是土壤水吸力。

4重要指標

土壤含水量有三個重要指標。一個是土壤飽和含水量,表明該土壤最多能含多少水,此時土壤水勢為0。
第二是田間持水量,是土壤飽和含水量減去重力水後土壤所能保持的水分。重力水基本上不能被植物吸收利用,此時土壤水勢為-0.3巴。
第三是萎蔫係數,是植物萎蔫時土壤仍能保持的水分。這部分水也不能被植物吸收利用,此時土壤水勢為-15巴。
田間持水量與萎蔫係數之間的水稱為土壤有效水是植物可以吸收利用的部分。當然,一般在田間持水量的60%時,即土壤水勢-1巴左右就採取措施進行灌溉。
土壤水勢可細分為重力勢、基模勢和溶質勢。
土壤水分重力勢以土壤水面與土表面相平時為0。水面高於土表面時為正值(此時也稱為壓力勢)。水面低於土表面時為負值(土壤水吸力為正值)。
土壤基模勢指土壤中礦質顆粒表面和有機質顆粒表面對水所產生的張力。它的值永遠是負值,即總是將土壤表面的水分向土體內吸進來。
土壤水分溶質勢與土壤溶液中所含溶質數量有關,溶質越多,溶質勢越小(即越負)。點水源入滲時,水沿濕度梯度從高水勢處向低水勢處流動,逐漸形成一個乾濕交界分明的橢球體形狀,稱為濕潤球,球面各處土壤水勢相等。該球面稱為入滲鋒,在水頭固定不變時,入滲鋒的前進速度隨著時間的延長而減慢。
大部分植物養分都是溶於水后隨水移動運輸到植物根系被吸收的。無論根系以質流、擴散、截獲哪種方式吸收植物養分都在土壤溶液中進行。

5測量方法

電測法
有TDR 或者是FDR原理 FDS100土壤水分感測器
FDS土壤水分感測器是國內自主開發的產品,我們是國內為數不多的自主開發單位之一。
下面是FD原理土壤水分感測器介紹:
FDS100水分感測器是基於介電理論並運用頻域測量技術自主研製開發的,能夠精確測量土壤和其它多孔介質的體積含水量。可與溫室環境監測、土壤墒情採集、自動灌溉控制等系統集成,實現水分的長期動態連續監測。也可與SMC系列數據記錄儀組成攜帶型土壤水分測量系統。
主要特點:
響應速度快,<1秒;
重複性好,<1%;
環境適應性強,防水防潮;
電壓/電流輸出可選,傳輸距離遠;
工作溫度範圍寬,低溫可擴展到-40oC
性價比高;
技術指標:
測量參數 土壤容積含水量vol% (m3/m3)
供電電壓
5~12VDC
測量範圍
0~100%
工作電流
25mA
精 度
非飽和範圍內為±2%
電纜長度
標準長度1.5m,可定製
重複性
±1%
電極材料
316L不鏽鋼
輸出信號
0~1.5VDC或4~20mA
電極長度
6cm
測量區域
95%的影響在¢5×8cm的圓柱體內
密封性
IP68防水防潮
響應時間
<1秒
外形尺寸
120×45×15mm
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