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技术资料

解读土壤墒情监测相关的几个概念定义

时间:2016-03-29 14:25来源:未知 作者:admin 点击:
     农业是人类的根基,各国每年花大量的资金投入土壤墒情监测。国外有很多企业从事针对农业的墒情、气象、灌溉相关服务,整个产业链、商业化、市场化都比较成熟。近年来,在中国从事与土壤墒情、生态环境监测产品及服务相关的专业企业中,数家企业的年营业额都已经突破亿元,并成为了资本市场抢手的企业。在水资源分布不平衡(部分地方非常紧缺)、气候变化加剧、生态环境监测智能硬件异军突起、农业劳动力匮乏、大量投资转移到农业行业等背景下,这实际上已经成为了很少有人看到的风口。
     土壤含水量:一般是指土壤绝对含水量,即100g烘干土中含有若干克水分,也称土壤含水率。
     重量含水量:是指土壤中水分的重量与相应固相物质重量的比值。
     体积含水量:是指土壤中水分占有的体积与土壤总体积的比值。
     饱和含水量:是指土壤颗粒间所有孔隙都充满水时的含水量。
     相对含水量:一般是指土壤含水量占田间持水量的百分数。
     田间持水量:指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后,允许水分充分下渗,并防止其水分蒸发,经过一定时间,土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量,田间持水量是大多数植物可利用的土壤水上限。

土壤“墒情”的来龙去脉
      墒,是指适宜植物生长发育的土壤湿度。因此,农业生产中常有抢墒、保墒、跑墒之说。土壤墒情是否适宜植物生长发育就如同人是否有饭吃,人可以吃固态、液态、各种千奇百怪的食物,而植物只能靠庞大的根系从土壤中吸收水分,顺带把溶解在土壤水分中的营养物质吸收到身体中。伟大的光合作用造就了地球,而植物特有的光合作用只有在水分子的参与下才能完成。因此,土壤墒情的测报工作对人类极为重要。
     那么,问题来了,如何测报土壤墒情才能反应土壤湿度是否处于适宜植物生长发育的状态呢?由此,一大波与土壤墒情状况相关的概念被人们整出来了(建议跳过、不用阅读本段人们创造的N多概念),比如:体积含水量、重量含水量、相对含水量、饱和含水量、田间持水量、作物缺水胁迫、凋萎点、萎蔫系数、灌溉水利用系数、土壤重力水、土壤毛管水、土壤吸湿水、土壤膜状水(薄膜水)、土壤束缚水、土壤自由水、化学结合水、地下水、旱灾、涝灾、特大干旱、严重干旱、中度干旱、轻度干旱、土壤水分特征曲线、土壤导水率、土壤水扩散率、土壤粒径……
      首先,历史以来,人们都是如何判断识别土壤湿度情况的呢?可以用眼睛看,但是眼睛不能够在不同的人之间形成共同沟通交流的标准。可以用手捏,用手捏一把土壤然后放开手,看土壤松散情况,但是,不同的人之间捏一把土的用力程度有差异,也不能形成人们共同的标准。既然眼睛和手都不靠谱,能不能通过直接加热让水分挥发的方式(对比加热前后土壤的重量差异)看看土壤中究竟有多少水呢?恒温箱烘干法、酒精燃烧法、红外线烘干法等都被使用。
     恒温箱烘干称重法一直被认为是最经典和最精确的标准方法。显然,烘干称重法得到的是重量含水量。烘干法的优点是就样品本身而言结果可靠,但它的缺点也是明显的。取样时会破坏土壤,深层取样困难,定点测量时不可避免由取样换位而带来误差。在很多情况下难以进行长期原位监测且受土壤空间变异性影响也比较大。取土烘干操作费时费力,至少需8小时以上,还需要烘干燥箱及电源,完全不适合野外作业,不可能规模化的应用。
     提前说一句,在所有测量土壤水分的方法中,只有烘干法得到的是重量含水量,因为在烘干法中必须使用工具:称重量的称。   
     20世纪50年代,曾经最牛的土壤水分仪器诞生——中子仪。
      由于每个水分子中含有两个氢原子,利用中子源辐射的快中子,碰到氢原子时慢化为热中子,通过热中子数量与土壤含水量之间的相关关系,来确定土壤水分的多少。 
      世界上很多国家对中子仪进行研究,使中子法日趋完善。中子法十分适用于监测田间土壤水分动态,套管永久安放后不破坏土壤,能长期定位连续测定,不受滞后作用影响,测深不限,中子仪还可与自动记录系统和计算机连接,因而成为田间原位测定土壤含水量较好的方法并得到广泛应用。
     然并卵,需要田间校准是中子法的主要缺点之一,另外,仪器设备昂贵,一次性投人大,单台仪器10万人民币以上。中子法的土壤采样范围为一球体,这使得在某些情况下测量结果会出现偏差,比如在中子仪附近有一个萝卜,则萝卜的水分也被视为土壤水分数据,另外,土壤处于干燥或湿润周期时、层状土壤、表层土壤等情况,都会造成数据偏差。此外,中子仪还存在潜在的辐射危害。 
     20世纪70年代,当今最为被广泛应用的土壤水分仪诞生——介电法水分仪。
     介电法是利用了物质材料(这里的物质材料就是土壤)的介电常数特性。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场的原理(初中物理哦)。
     从电磁角度看,在常温常压下自由水的介电常数为80,土壤固体颗粒约为3,空气为1。因此,与土壤中的固体颗粒和空气相比,水的介电常数在土壤中处于支配地位,土壤水分含量越高,介电常数值就越大。许多试验表明,无论土壤的构成成分与质地有何差异,土壤介电常数与容积含水量总是呈非线性单值函数关系。众所周知的TDR法、FDR法、FD法、电容法土壤水分仪都属于介电法水分仪。20世纪90年代后,国际上把介电法水分仪作为研究土壤水分的基本仪器设备。
     没有一种产品能够一统天下,目前市面上还有另外一类水分仪占有一定市场——张力计。
     张力计测量的是土壤的基质势。张力计法的优点是在土壤比较湿润的情况下测量土壤基质势很准确,适合于灌溉和水分胁迫的监测。与测量土壤容积或重量含水量的方法相比,张力计法受土壤空间变异性的影响比较小。它还是一种低成本设备的直接测量方法,能够连续测量。
     张力计法的主要缺点表现在反应慢,需要长时间平衡后才能读数;测量范围小,非常干燥的土壤中不适合。如果瓷杯与土壤接触不紧密(如放置在根系活动范围内或有机肥分解产生气体的地方或土壤失水收缩严重时),会引起读数的反应迟钝或停滞。在测量过程中,特别是在高温干旱季节,需要经常养护和给瓷杯补充水分。毛瓷杯易损坏,需要定期维护和更换,劳力和时间消耗非常多,运行费用较高。
     需要强调,在上述众多方法中,除了使用烘干法得到重量含水量、使用张力计测量得到土壤水势以外,目前地球上存在的其它各种土壤水分仪器测量得到的都是体积含水量。
     体积含水量是指在一定体积的土壤中,水分所占的体积比例。比如测得20%的体积含水量就是指一块体积为100毫升的土壤中含有20毫升的水分。
     事实上,体积含水量的表达方式更为科学。自然界土壤中的水分是以体积的方式分布在土壤中的,而不是重量。植物的根系也只能吸收根系在土壤空间分布范围内的水分。
      然而,问题出现了:用仪器测量到了土壤水分含量的部分数据,离掌握土壤墒情还差十万八千里。因为,测量得到的土壤水分含量是单点静态的数据,反应植物适宜土壤湿度的墒情则是一个动态的土壤湿度范围。这个动态的土壤湿度范围和土壤类型、植物类型、植物的生育阶段状态、天气环境状况等一系列因素相关。
     怎么办呢? 一个新的概念被创造使用了:相对含水量。相对含水量的概念抛开了上述复杂相关因素,仅从一个关键维度考虑问题:土壤吸水能力的差异性。比如,某砂性土壤的吸水能力是体积含水量18%(当含水量高于18%时,水在重力的作用下下渗,anyway,最终该砂性土仅能把持、hold住占土壤体积18%的水分)。于是,假如某时刻测量到含水量为9%,该时刻的相对含水量=9%/18%=50%,这样就简单明了了:当前的含水量状态相对于土壤的最大吸水能力状态处于50%的水平。
      相对含水量在政府墒情测报中使用最为广泛。其中就有根据土壤相对含水量(R)的干旱等级指标:60<R,无旱;50 <R≤60,轻度干旱;40 <R≤50,中度干旱;30 <R≤40,重度干旱;R≤30,特别重度干旱。
      相对含水量固然好,问题随之来了:如何准确确定监测点的土壤最大吸水能力呢? 这涉及两个概念:田间持水量和饱和含水量。
      田间持水量(简称:田持)指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后,允许水分充分下渗,并防止其水分蒸发,经过一定时间,土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量,是大多数植物可利用的土壤水上限。
      饱和含水量也称饱和持水量,是指土壤孔隙全部充满水分时的最大含水量。
     相对含水量就是当前测得含水量与田间持水量或者饱和含水量的比值。对于经常发生涝灾的地方,使用当前含水量比上饱和含水量,直接反映涝灾状态;对于经常干旱需要灌溉的地方,使用当前含水量比上田间持水量,直接反映田间干旱程度状态。
     然而,从田间持水量和饱和含水量的概念就能看出,这是需要实测才能得到的数值,不同土质、不同的土壤结构相差巨大,即使同一个地点的土壤,由于农机耕整地、农艺措施的差异,都将导致田间持水量和饱和含水量的不同。
     实测田间持水量和饱和含水量的费用、时间成本都是巨高的。况且,土壤的不一致性决定了:只有当水分仪测量位置和实测田间持水量、饱和含水量位置一致时,所得到的相对含水量才是科学的。

土壤“墒情”的未来
     进入21世纪,互联网、物联网技术取得突飞猛进,有没有给土壤墒情监测带来一些改变呢?土壤水分的测量受土壤类型、土壤质地、有机质含量,土壤温度等因素影响。Insentek智墒水分仪在水分仪的适用性、避免受土壤的差异性影响数据的准确方面做出了突破。
      智墒使用高频震荡技术,选用特定的频率段,该频率段对土壤类型、土壤质地等因素的敏感度较低,仅土壤水分高度相关,同时,对土壤温度的影响做了修正,最终,智墒实现了在不需要现场标定的情况下直接使用。
此外,Insentek智墒水分仪在智能化、互联网化方面做了大量探索,体现出了与传统水分仪的以下主要区别:
   1、获取数据的及时、便利性。智墒水分仪把数据直接发送到云端,用户通过移动端手机微信、Web网页等方式非常便利等在线获得实时数据。
   2、自适应智能数据采集。比如:在默认数据采集时间间隔为1小时下,当水分仪监测到连续两次数据变化大于设定的范围(如3%),水分仪自动将数据采集时间间隔变动到15分钟一次,进而更密集的采集,监测土壤墒情数据变化。
   3、 强大的云端数据分析支持。Insentek智墒水分仪拥有强大的云端数据分析支持,基于传感器终端提供给云端后台的大量数据,用户可以获得以下土壤墒情之外的有用信息:
          A、智能植物活动根系识别;
          B、智能植物缺水胁迫识别;
          C、智能田间持水量识别;
          D、智能饱和含水量识别;
          E、智能相对含水量测算;
          F、智能实际蒸发蒸腾量ETc自动计算;
         G、根据内置的GPS定位,自动获得相应位置的参考蒸发蒸腾量ET0数据,基于ETc和ET0数据,自动形成日作物系数Kc;
     对含水量是土壤水分仪所测的当前含水量与田间持水量的比值。刻意获得田间持水量费时、费力不可行。概念相对含水量的出发点的反应土壤的旱涝等级状态,并不能真实地反应出是否是适宜植物生长发育的湿度范围。
     Insentek智墒土壤水分仪通过以逐小时、对每个土层含水量的连续变化量进行大数据分析处理,能够科学的识别出植物微小的耗水变化情况,判断出植物活动根系深度位置、植物是否处于适宜的土壤湿度环境中、植物是否出现缺水胁迫状态——这一切都由能够自学习的人工智能软件自动完成。
     当智墒水分仪识别到土壤湿度达到田间持水量、饱和含水量状态时,相应的相对含水量自然自动呈现。
 

  

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