三种土壤水势传感器在原状与扰动黏壤土上测定精度评价

分别在田间原状黏壤土和室内扰动黏壤土上安装MPS-1、MPS-6、pF水势传感器与TDR315L土壤水分传感器测定土壤水分特征曲线,通过比较测定结果的准确性,提出了三种土壤水势传感器的使用建议。结果表明:MPS-1传感器虽测量范围窄,但无论在原状黏壤土还是扰动黏壤土上均表现良好;MPS-6和pF传感器测量范围宽,但测量的水势值精度不高,且MPS-6传感器对温度敏感,pF传感器在使用期间内表现不稳定。MPS-1传感器应用于原状和扰动黏壤土由其数据拟合出的土壤水分特征曲线与对照曲线重合度较高,而MPS-6和pF传感器应用于原状和扰动黏壤土,当含水量高于0.30 cm~3cm~(-3)时测定结果拟合得到的水分特征曲线与对照曲线重合度较高。比较三个水势传感器的测量表现,可以认为MPS-1传感器用于含水量高于0.30 cm~3cm~(-3)的原状黏壤土和含水量高于0.17 cm~3cm~(-3)的扰动黏壤土,MPS-6传感器用于含水量高于0.30 cm~3cm~(-3)的原状和扰动黏壤土测定土壤水势的效果较好。本研究结果可为使用上述三种传感器测定土壤水分特征曲线提供参考。     

太阳能供电的土壤剖面水分动态原位自动监测系统的研制

目前,商业化的土壤水分传感器在野外观测土壤剖面含水率时仍然存在测量深度不可调节、多传感器探头之间的互换误差、野外长期监测供电困难、成本较高等问题。为此,该研究设计并研制了一种太阳能供电的可实现野外长期工作的介电管式土壤剖面水分原位自动监测系统。该系统组成包括:传感器模块、主控模块、太阳能供电模块和参数设置软件。测量时,先将PVC管垂直安装至待测土壤中,安装过程不扰动土壤结构,主控与存储模块控制土壤含水率传感器在PVC管中上下移动测量土壤含水率,并同步记录土壤深度。此外,该系统可以根据实际需求通过PC机参数设置软件进行灵活设定测量参数(传感器测量深度、测量深度间隔和测量周期)。针对该系统的性能与测量精度开展了相关测试与观测试验,功耗测试结果表明该系统待机功率为0.35 W,工作功率为1.4 W,太阳能电池板最大输出功率为5W,太阳能电池板和锂电池配合供电的情况下能实现长时间续航;土壤含水率传感器在砂土和粉壤土中的标定试验表明:该系统测量结果与实际土壤体积含水率高度吻合,标定曲线决定系数R~2均大于0.99;经过校正后,该系统探头深度定位的标准偏差在0.2 cm以内。在两种质地土壤的滴灌试验结果表明:该系统分别在6和15 mL/min两种滴水速率下均能准确获取土壤剖面含水率的动态变化过程,为观测作物生长状态和根区水分变化、制定合理的灌溉策略以及研究并检验土壤入渗水动态模型提供了可靠的技术支持和保障。     

基于频域法的便携式无线土壤水分测量装置设计与试验

针对农田土壤水分测量的实际需要,研制了一种便携式无线土壤水分测量装置。该装置结构一体化设计采用"T"型结构,将土壤水分传感器和信息采集与发送单元融合,可在0~300 mm的不同深度下测量土壤水分,并采用蓝牙传输技术,将测量数据实时发送给Android手机,手机可通过App软件对数据进行分析处理,实现了农田数据的大容量存储和智能化处理。在实验室环境下,使用砂土和壤土2种土样对测量装置进行了标定试验,土壤容积含水率与传感器输出电压服从二次曲线关系,决定系数均达到0.99以上;将测量装置与波兰Easy Test TDR土壤测试仪进行对比试验,二者测量结果呈线性相关关系,决定系数为0.987。试验结果表明该装置可准确测量土壤水分含量。     

土壤水分-基质势-温度复合传感器研制

土壤水分、基质势是描述土壤持水特性的重要参数,不同类型土壤的水分特征曲线存在明显差异。目前在野外环境下通常采用传感器分离测量法测定土壤水分特征曲线,但因土壤的空间异质性导致较大的测量误差。为此,该研究设计了一种可同步测量土壤水分、基质势和温度的复合传感器,主要组成部分包括32位MCU主控芯片、继电器切换模块、介电水分/基质势测量模块和温度测量模块,主控芯片通过控制继电器切换实现土壤水分、基质势和温度的同步测定,同时进行温度校正。采用森林土壤、农田壤土和砂土对复合传感器进行性能测试、标定和观测试验,并与商业化仪器的测量结果进行对比。结果表明：在干燥至近饱和范围内,复合传感器测定的土壤水分和基质势均具有良好的单调性,决定系数R2均大于0.98,土壤体积含水率和基质势的测量范围分别为0%～40%和-1 500～-15 kPa,水分和基质势的响应时间分别为450 ms和150 s。采用商业化仪器分离测量方法与本文复合传感器分别同步测定森林土壤、农田壤土和砂土的水分特征曲线,2种方法测得的土壤水分特征曲线的皮尔逊相关系数均大于0.96。本文研制的复合传感器可以实现不同类型土壤水分特征曲线的准确测...     

基于电磁感应仪的土壤盐渍化剖面特征解译研究

为了快速、精准解译区域尺度土壤盐分特征,有必要建立土壤剖面盐分信息精确解译模型。以新疆农灌区不同土壤质地的盐渍化土壤为研究对象,利用电磁感应式大地电导率仪EM38获取土壤表观电导率,构建了基于EM38的两种土壤质地剖面分层盐分解译模型,并对盐分解译回归模型进行了精度检验。结果表明:两种质地的土壤剖面盐分含量变异均较大,中壤土各层电导率变异系数在58%~98%,呈现中等变异强度,而砂土表层(0~40 cm)变异系数达到100%以上,属于强变异强度,深层土壤变异系数介于76%~88%属于中度变异强度。两种质地土壤电导率与磁感表观电导率EMh、EMv间呈显著的相关关系,水平和垂直测量模式都能够对不同深度土盐层分进行预测,且以EMh+EMv为自变量的二元回归解译模型具有较高的精度,相关系数R达到0.94以上。中壤土EM38的盐分预测在不同深度土层的验证结果决定系数达到0.59以上,砂土质地土壤盐分预测验证R2达到0.36以上,预测精度与土壤剖面盐分变异性呈现显著负相关,其相关系数为-0.86,中壤土质地的解译效果优于砂土质地。分析EM38在预测不同土壤质地盐分精度上的差异性,构建了电磁感应式土壤剖面盐分含量的预测模型。研究结果引入土壤质地变量,可为大面积土壤盐渍化的快速精确测定提供理论依据。     

极端干旱区8个绿洲防护林地土壤水盐分布特征及其与地下水关系

通过两年的地下水位资料与8个防护林地土壤水分与盐分分布数据,分析了喀拉米吉镇砂土、壤土与粘土绿洲防护林地土壤水盐在0-150 cm深度的分布特征,结果表明:(1)土壤水分随土壤深度的变化趋势为:砂土林地表现为随土壤深度的增大土壤贮水量从60 cm深处开始呈"波峰"、"波谷"的交替;砂壤土林地土壤贮水量随土壤深度的增加而增加;粘土林地土壤含水率开始随着深度的增大而增大,至80-120 cm以后不再增大,甚至减小。(2)砂(壤)土林地土壤水分含量低且空间异质性大,粘土林地土壤贮水量高且空间异质性小。粘土林地土壤含盐量高、砂土林地土壤含盐量低,砂土林地的土壤电导率值在1.5 mS/cm以下,粘土林地的土壤电导率值在2.5 mS/cm以下。(3)喀拉米吉镇绿洲的8个防护林地中,土壤含水量高的林地含盐量也高,含水率低的林地含盐量也低。(4)林地土壤水分布随地下水位的变化趋势表现为:林地内150 cm土体贮水量随地下水位的上升大致呈增大的趋势,林地内的土壤贮水量与地下水位具有较强的负相关关系(R2=-0.81)。林地土壤含盐量随地下水位的变化趋势表现为:(砂)壤土林地的各层土壤盐度随地下水位的上升而下降,地下水位越浅,土壤盐度越小,地下水位越深,土壤盐度越大;粘土林地中,毛管力作用强,盐分运移速度快,从而表现出地下水位越浅,土壤盐度越大,特别是下层土壤(80-100 cm,100-120 cm,120-150 cm)较明显,即土壤盐度随地下水位上升而增大。     

黄土丘陵区典型人工幼林土壤水分特征

为明确黄土丘陵区典型人工幼林土壤水分时空变化特征,采用ECH₂O土壤水分监测系统,基于标准径流小区坡面土壤水分观测方法,收集土壤水分及气象数据,分析了撂荒地与不同类型人工幼林土壤水分状况及时间稳定性。结果表明：(1)与撂荒地相比,人工幼林土壤含水量整体较低,且具有明显的季节性变化特征,变化趋势基本一致,均随降水量的增加(减少)而升高(降低);(2)不同类型人工林土壤水分垂直分布差异较大,相较于撂荒地,刺槐和油松在50 cm深度土层土壤含水量较低,在80—120 cm深度土层土壤含水量较高,丁香幼林土壤水分整体偏低;(3)油松和撂荒地土壤水分代表深度分别为：120 cm和80 cm,决定系数(R²≥0.9)和纳什系数(NSE≥-0.1)对该结果的评价显示土壤水分代表深度的选择均是可接受的,刺槐和丁香不同深度土层土壤水分差异较大。研究认为,在黄土丘陵区,人工幼林显著影响土壤水分垂直分布规律,土壤含水量整体呈低态势,相较于撂荒地,刺槐和丁香土壤水分变异性较大,油松较为稳定。     

干旱胁迫对黄土高原不同质地土壤长柄扁桃和沙柳幼苗生理生态特征的影响

通过盆栽控水试验,研究了干旱胁迫对黄土高原不同质地土壤(砂土、壤土)长柄扁桃和沙柳幼苗光合特性(净光合速率P_n、气孔导度G_s、胞间CO_2浓度C_i、内禀水分利用效率WUE)、蒸腾速率T_r及叶片水势Ψ_w的影响。结果表明:干旱胁迫下不同质地土壤长柄扁桃和沙柳P_n、G_s、WUE及T_r均呈现先上升后下降的趋势,而C_i和Ψ_w分别表现为上升和下降趋势。土壤质地显著影响长柄扁桃和沙柳对水分亏缺的敏感性,在相同干旱程度下,壤土中长柄扁桃P_n和G_s均显著高于砂土,而沙柳P_n和G_s表现为砂土显著高于壤土(p0.05)(重度干旱除外)。当土壤含水量降至中度和重度干旱时,长柄扁桃和沙柳WUE在不同质地土壤间具有显著差异(p0.05)。壤土中长柄扁桃生长优于砂土,而沙柳则相反。因此,黄土高原植被恢复与生态建设过程中不仅应根据土壤水分状况选择造林树种,还应考虑植物在不同质地土壤上对干旱胁迫的不同响应。     

基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器

土壤水分的测量是精细农业中实施节水灌溉的基础。基于真有效值检测技术,利用土壤的介电特性,设计了一个高频电容式土壤水分传感器,主要由电源滤波电路、100 MHz有源晶振、XC74UL14AA、探针电极和AD8361组成。其中,探针电极由印刷电路板制成并与主印刷电路板一体化成型。传感器以直流电压输出,分别在空气和去离子水中测得其输出范围为工作电压的20%～70%。通过2-异丙氧基乙醇、二氧六环和去离子水3种溶液配制了一系列不同等效土壤体积含水率的待测溶液,在不同工作电压下,对传感器进行了标定以及在5～40℃范围内以24.8℃基准进行了温度变异性试验。试验结果表明：传感器对工作电压有明显的依赖性,在特定含水率下传感器的输出电压随工作电压的升高而增加;特定工作电压下传感器的输出电压与土壤体积含水率呈线性负相关,其决定系数R2＞0.987;温差越大则传感器的测量偏差也越大,最大偏差为4.44%。并配制土样对传感器进行了验证,最大误差为4.95%。     

保水剂粒径与不同质地土壤吸、失水特性的相关关系

通过室内模拟试验,对2种保水剂4个粒径(0.25~0.5mm,0.5~1mm,1~2mm,2~3mm)的吸、失水特性进行测定分析,同时研究2种保水剂4个粒径分别与砂壤土、壤砂土、砂粘壤土混合后吸、失水的变化特性。结果表明:①2种保水剂的4个粒径段中1~2mm粒径的保水剂吸水量和累积蒸发量最大,不同粒径保水剂随着吸水次数的增多吸水量逐渐降低,且粒径越小下降幅度越大;②保水剂与土壤混合后吸水量减小,初次吸水时土壤含水量与保水剂粒径成反比,随着吸水次数的增多3种质地土壤在保水剂作用下土壤含水量大小顺序分别为壤砂土-砂粘壤土-砂壤土(1~2次)、砂粘壤土-壤砂土-砂壤土(3~5次)、砂粘壤土-砂壤土-壤砂土(6~8次);③2种不同粒径保水剂的施用增加了3种质地土壤的累积蒸发量,壤砂土、砂壤土中0.5~1mm粒径的保水剂累积蒸发量最大,砂粘壤土中1~2mm粒径的保水剂累积蒸发量最大,0.25~0.5mm粒径保水剂在3种土壤中累积蒸发量最小。     

水平微润灌湿润体HYDRUS-2D模拟及其影响因素分析

为探索土壤质地、初始含水率、压力水头和埋深对水平微润灌土壤湿润体特性的影响机理,利用试验数据验证了水平微润灌HYDRUS-2 D模拟结果的可靠性,模拟值与实测值非常吻合。在此基础上,模拟研究了3种土壤质地(砂壤土、壤土、粉壤土)以及壤土中不同初始含水率(0.085、0.106、0.130 cm~3/cm~3)、压力水头(0.6、1.2、1.8 m)和埋深(20、30、40 cm)条件下土壤湿润体动态变化规律。结果表明:土壤湿润锋运移距离皆符合垂直向下水平方向垂直向上的规律,湿润体在形状上差异不大,土壤含水率等值线均为近似"同心圆";土壤质地对湿润体特性有显著影响,土壤质地越黏重,湿润锋运移速率越慢,湿润体体积越小,土壤含水率等值线越密集,其"圆心"越靠近微润管,灌水结束时,壤土和砂壤土湿润体体积分别是粉壤土的1.3倍和2.5倍;在确定的土壤质地条件下,初始含水率和压力水头对湿润体特性有较大影响,湿润锋运移距离及湿润体体积均随土壤初始含水率、压力水头的增大而增大,初始含水率为0.106和0.130 cm~3/cm~3的湿润体体积分别是0.085 cm~3/cm~3的1.2倍和1.5倍,压力水头为1.2和1.8 m的湿润体体积分别是0.6 m的1.6倍和2.2倍;微润管埋深对湿润体分布位置有显著影响,埋深较浅时,湿润锋容易到达地表,埋深较深时,土壤湿润体随埋深下移而同步下移。     

原状土与装填土热特性的比较

土壤热特性是研究土壤—植物—大气系统中能量传输的必要参数。目前的研究集中在室内装填土柱上热特性与含水率、质地、温度和体积质量(容重)等因素的关系,田间条件下土壤结构对热特性影响的报道很少。该研究通过比较2种质地土壤田间原状土和室内装填土热特性的差异,初步探讨了不同含水率范围内结构形成对土壤热特性的影响。采集田间原状土,在室内利用热脉冲技术测定其热容量、热导率和热扩散率;然后将样品磨碎、过2mm土筛,填装后得到相同体积质量和含水率的装填土壤样品,并测定其热特性。结果表明,装填土和原状土的热容量基本一致;在中等含水率区域(砂壤土:0.07～0.24m3/m3;壤土:0.15～0.31m3/m3),重新装填后砂壤土和壤土的热导率分别降低了9.7%和9.8%。另外,结构形成增加了土壤热扩散率,在中等含水率区域尤其明显;在接近饱和区域,原状土与装填土的热扩散率趋于一致。因此,土壤结构形成对土壤热容量没有显著影响,但提高了中等含水率区域土壤的热导率和热扩散率。     

Simultaneous transport of surface salts and water through unsaturated soils during infiltration and redistribution

Abstract

Certain concepts regarding the simultaneous transport of surface ‐salts and water under transient unsaturated flow conditions vere verified for three soils using laboratory soil columns. Treatments included different water application rates (i.e., continuous ponding and controlled rates) and different initial soil water contents. Calcium chloride, spread on the soil surface to simulate a salt‐affected soil or broadcasting of a fertilizer (or other additive), was leached with chloride free water (0.01 N CaSO₄). Salt and water profiles were determined by destructive sampling at 2 cm depth intervals at two stages: (i) immediately following infiltration and (ii) after Batching infiltration plus redistribution time.

Immediately following infiltration as well as after matching infiltration and redistribution time, chloride was leached more efficiently and to relatively deeper depths with slower than with faster rates of water application only in sandy and sandy loam soils. The results, thus, show that slower rates of water application nay not increase leaching efficiency over faster rates in heavy‐textured and sodic soils with very poor permeability. Regardless of water application rate, initial soil water content, redistribution time and soil type, salt front (i.e., salt peak) did not coincide with the water front but lagged behind it by a few to several centimetres. That is to say that salt peak did not occur at a depth above which total soil water storage in the profile equalled cumulative infiltration. The higher the initial soil water content, the deeper and more complete was the displacement of chloride during infiltration for a given quantity of water applied at different rates. This trend was not modified during post‐irrigation period in sandy soil, but it was entirely reversed in sandy loam soil.     

利用热脉冲技术测量土壤表层含水率

准确测定表层土壤水分对陆地-大气间水热交换研究具有重要意义。由于对土壤结构影响轻微,热脉冲技术在原位监测含水率方面具有较大优越性,但目前田间应用集中在5 cm以下土层。该研究利用多针热脉冲传感器测定土壤容积热容量,然后基于热脉冲含水率法和热脉冲含水率变化法分别得到了3、9、21和39 mm的土壤含水率。结果表明,与烘干法含水率比较,热脉冲含水率变化法含水率在4个深度的均方根误差分别为0.022、0.006、0.004和0.006 m3/m3,均小于相应深度上热脉冲含水率法含水率的均方根误差。另外,热脉冲含水率变化法也降低了4个热脉冲传感器测定含水率的变异性。因此,热脉冲技术能够监测表层的土壤水分动态,表层土壤含水率的均方根误差在0.022 m3/m3以内。     

移动滴灌系统土壤水分入渗试验与数值模拟

为减少大型喷灌机的喷灌水分蒸发漂移损失,将低压喷头改装成按适当间距布置的大流量压力补偿滴灌管,使大型喷灌机自走时拖拽滴灌管,实现边移动边滴灌。该移动滴灌系统融合了大型喷灌机与滴灌的技术优势,具有较高的节水潜力,研究其土壤水分入渗规律对于设计节水高效的灌溉系统具有重要意义。为确定移动滴灌管灌水后的土壤湿润体形状及土壤水分分布情况,该研究搭建了移动滴灌试验装置,设置30、40与50 mm 3种灌水深度进行移动滴灌土箱试验,同时利用HYDRUS-2D建立移动滴灌条件下的土壤水分运动数值模型。模拟与实测结果对比表明,所构建模型能较准确地反映移动滴灌的土壤水分运动规律,土壤剖面中的水分运动均遵循面源入渗模式,灌水后48 h土壤剖面含水率模拟值的标准均方根误差低于20%,各测点处含水率变化过程模拟的标准均方根误差值总体低于25%。利用所建模型分析了砂壤土、壤土与粉壤土3种不同的土壤质地,20、30与40mm³种不同的灌水深度以及0.050、0.075、0.100、0.125与0.150 cm³/cm³ 5种不同的土壤初始含水率对移动...     

Effect of magnetized water on infiltration capacity of different soil textures

The infiltration process is important in the planning and management of irrigation systems. This study was performed in Mazandaran province, Iran, to compare the effect of magnetized and non‐magnetized irrigation water on cumulative infiltration and final infiltration rate of three soil textures. Magnetized water was obtained by passing the water through a strong permanent magnet installed on a feed pipeline. The results showed that the effects of soil texture and magnetized irrigation water on cumulative water infiltration and final infiltration rate was significant (P < 0.01). Cumulative water infiltration and final infiltration rates with magnetized water were greater than that of non‐magnetized water. The cumulative water infiltration rate after 4 h for magnetized and non‐magnetized water was 26.4 and 12.7 cm in clay soil, 37.6 and 20 cm in silty loam soil and 40.8 and 29.3 cm in sandy loam soil, respectively. The final infiltration rates after 4 h for magnetized and non‐magnetized water were 0.05 and 0.023 cm/min in clay soil, 0.063 and 0.036 cm/min in silty loam soil and 0.076 and 0.046 cm/min in sandy loam soil, respectively. Therefore, magnetized irrigation water had most effect on the infiltration capacity of clay soil.     

土石混合介质导气率变化特征试验

土壤中碎石的存在改变了土壤结构和孔隙分布,进而影响土壤通气性能。该文通过对碎石单粒径土石混合介质导气率变化特征研究,旨在探讨单粒径土石混合介质导气内在机理,为进一步研究复杂的野外土石混合介质的导气特性提供基础。为了研究土石混合介质中碎石对导气率的影响,该文通过试验研究,分析土壤颗粒小于2mm的样本(砂土、砂壤土、黏壤土)、碎石质量分数(10%、20%、30%、40%、50%)和碎石粒径(2～3、>3～5mm)对土石混合介质导气率的影响。结果表明:在土壤颗粒小于2mm的样本条件下,土壤导气率呈砂土>砂壤土>黏壤土;在相同碎石质量分数的土石混合介质中导气率呈砂壤土>砂土>黏壤土;碎石的存在改善黏壤土的导气性能,使黏壤土碎石混合介质的导气率大于黏壤土的导气率;降低了砂壤土和砂土的导气性能,且砂土的降低幅度远大于砂壤土;在砂壤土中碎石粒径2～3mm的导气率大于>3～5mm的导气率;在砂土中碎石质量分数30%之内,碎石粒径>3～5mm的导气率稍大于2～3mm的导气率,在40%则相反,但两种粒径下混合介质导气率差异不是很明显。     

土壤质地对玉米不同生理指标水分有效性的影响

为确定土壤质地对玉米不同生理指标水分有效性的影响,该文利用3种土壤（重壤土、中壤土和砂壤土）的盆栽控水试验和1种土壤（重壤土）的田间小区控水试验,研究了玉米不同生理指标随相对土壤含水率（土壤含水率占田间持水率的比）的动态变化。结果表明：3种土壤中各生理指标相对值在相对土壤含水率降低到土壤水分阈值之前保持不变,低于此阈值时随相对含水率的进一步降低而线性降低,且均可用分段函数来拟合（R2=0.824～0.999）。土壤水分有效性大小排序为：砂壤土＞中壤土＞重壤土,而且瞬时生理指标的土壤水分阈值低于日变化和整个试验阶段的累积指标。因此土壤质地和不同生理指标的时间尺度都会影响玉米生理指标对土壤水分有效性的响应。     

Effects of tillage depth on infiltration characteristics of two bangladesh soils having ploughpans

Ploughpans, caused by puddling of soil for rice cultivation for years, are bound to affect soil water balance and the utilization of the stored soil water by dry-land crops. Loosening of the pan by increasing the plough depth is likely to increase utilization of sub-soil water and recharge of the soil profile. The effects of different tillage regimes on infiltration of two Bangladesh soils with ploughpans were studied. Cumulative infiltration rates were increased in both Sonatala and Modhupur soils owing to increase in depth of tillage. Cumulative infiltration and infiltration rates were much higher in the grey floodplain sandy loam soil compared with the red terrace clay loam soil. The cumulative infiltration of Sonatala soil in no-tillage, 7.5, 15.0 and 22.5 cm tillage depth plots were 18.8 cm in 400 min, 31.0 cm in 400 min, 36.3 cm in 300 min and 43.3 cm in 150 min, respectively. The total amount of water entering into Modhupur soil in 400 min was 14.3, 21.0, 35.5, 46.9 and 50.7 cm in no-tillage, 7.5, 12.5, 17.5 and 22.5 cm tillage depth plots, respectively. Results further revealed that although the initial infiltration was higher and different in different tillage treatments, it decreased with time and tended to be more or less similar for all the tillage depths at the end of the study period. This was true for both the soils.