专利名称：一种自动控制土壤水势恒定的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动控制土壤水势恒定的装置。属于农业科技领域。
背景技术：
世界人口日益增多，而地球能够提供给我们的资源有限，加之全球变暖，旱灾频发， 给世界许多国家的农业生产带来了问题。农业科研工作者面临一个新的挑战如何利用有 限的农业资源继续发展农业生产，满足社会生产和人们生活的需要。在农业生产和农业资 源的矛盾关系中，农业生产与水资源的矛盾是比较突出的。在现代社会中，农业生产发展 水平高低很大程度上取决于农业生产中水的供应量和供应时间。农学家们需要研究不同作 物的需水量情况，根据需水规律来确定作物的合理布局以及灌水量和灌水时间，统筹区域 农业用水计划等，以便更好地利用各地区的自然资源和发挥各个地区自然资源的优势，获 得良好的社会和生态效益。
作物生长所需要的水分绝大部分是来自土壤，大多数关于土壤水分对作物有效性的指
标用土壤含水量来表示，土壤含水量指的是土壤在105'C烘12小时后失去的水分占对应烘
干土重量的百分数，在一定程度上能够反映所研究土壤水分对作物的有效性。但土壤是一 个含有很多物质的混合体，尤其在盐碱土上，虽然绝对含水量很高，但是作物很难吸收利 用土壤中的水分进行生长，这是因为土壤中的盐分含量太高，水势很低，作物不能吸收的
缘故。这时用土壤含水量来表示水分对作物的有效性就不是很合理了；在相同的土壤含水 量条件下，盐碱化程度不同的土壤，土壤水分对作物生长的有效性是不相同的。土壤水势 采用能量的单位，具有统一性和通用性，适合在任何质地类型的土壤上使用，而且还可以 和植物体内的水势变化相联系比较，因此用土壤水势这一指标来表示和研究土壤水分对作 物的有效性，就显得更加合理，能够克服用土壤含水量表示土壤水分对作物有效性时的不 足。
目前进行土壤水势控制的方法中，主要是利用土壤水势张力计来测量研究土壤的水势， 通过浇灌水来控制土壤水势。这种研究方法是，在土壤中埋入土壤张力计，由于各种原因
土壤水分散失在大气中或向下渗，使得土壤水势降低，通过观察张力计读数的变化，来给 土壤浇灌水，使土壤水势上升达到预设范围或特定的值，通过这种方法研究土壤水势对作 物或其它指标的影响。这种方法一般在大田条件下使用，有合理的一面，但是也有不足的 方面①大田条件下，土壤的水势变化范围较大，不能很好地确定在何土壤水势条件下， 试验指标会发生质的变化；②土壤水势控制难度较大，用这种方法进行土壤水势的研究， 必然工作量很大，在浇灌水调整土壤水势时需要较多的时间去观察，如果土壤导水能力差 的话，土壤水势张力计变化较慢；需要的时间就会更多；③进行土壤水势的控制，需要其 它设施投入，为了防止试验区之间水分流动的影响，需要防止地下水的流动或外面的水进 入试验区。④这种试验方法不能自动恒定地控制土壤水势。 目前有关土壤水势恒定控制装置的研究报道几乎没有。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种能够自动控制土壤水势恒定的装置，该 装置主要利用半透性材料和恒定水势溶液来控制土壤水势恒定。
本发明的技术方案概述如下
一种自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，该装置包含恒定水压供水装置，自 动控制进水装置，半透性材料控水装置和微孔容器；恒定水压供水装置，自动控制进水装 置，半透性材料控水装置均设有进水口和出水口，微孔容器设有进水口；恒定水压供水装 置的出水口连接自动控制进水装置的进水口，自动控制进水装置的出水口连接半透性材料 控水装置的进水口，半透性材料控水装置的出水口连接微孔容器的进水口，其中-
恒定水压供水装置为一装水容器，该装置能以恒定的水压向外供水，如马力奥特瓶。 自动控制进水装置为一盛装恒定水势溶液的容器，溶液不充满整个容器，除溶液以外 部分装有空气，该部分空气处于封闭状态，气压恒定；该装置能够自动控制向恒定水势溶 液的进水量，保证其体积和浓度的恒定；
半透性材料控水装置为一盛装液体的容器，通过设于容器中部附近的半透性材料将容 器分成两个腔体，分别设有进水口和出水口，与进水口连接的腔体内装有恒定水势溶液， 与出水口连接的腔体内装有水。半透性材料指的是那些允许溶液中的溶剂分子自由透过，
而溶质不能透过的材料，如动物的膀胱、肠衣、细胞膜和利用外加压力净水的膜等。本发 明半透性材料优选为反渗透膜或半透膜。
微孔容器为一装水容器，容器壁上有许多孔径微小的孔，可以用来透水，但不能透过 空气和土壤。该装置直接和土壤接触，土壤散失的水分都是通过这个微孔容器补给的。本 发明微孔容器优选为微孔陶瓷容器。其微孔直径在250-800微米范围内，微孔陶瓷容器在 其容器壁被水饱和时不能透过空气，其进气值较低，在0.3-0.6MPa范围内。进气值当对 水分饱和的多孔陶瓷板的一侧增加气压到一定值时，陶瓷板幵始排水，但空气不能透过陶 瓷板，此时陶瓷板的基模吸力(与陶瓷板两面的气压差对应)定义为进气值。
位于微孔容器壁和半透性材料之间的水处于封闭状态。形成一个封闭水体。
进一步，上述恒定水压供水装置靠近出水口附近设有进气口，该进气口位于水面以下， 在整个装置工作时处于打开状态；进水口在整个装置工作时处于关闭状态。注水时，先封 闭下端的出水口和进气口，然后打开上端的进水口注水；至一定量后，先关闭上端的进水 口，然后用橡皮管连通恒定水压供水装置的出水口和自动控制进水装置的进水口，最后打 开进气口，即可实现恒定水压供水。在工作期间需要注水时，先将出水口和进气口封闭， 接着打开进水口注水，注水结束后，先关闭进水口，再打开出水口，最后打开进气口。该 装置的工作原理简述如下水压的计算公式P-pxgW中，p为水的密度1000kg/m3， g为重 力加速度约9.8m/s2， A为该装置进气口到自动控制进水装置的滴水管出口间的竖直高度 (m)。因此在该装置使用过程中，只要保持A的大小不变，即保持该装置和自动控制进水 装置间的相对位置固定，该装置就能以恒定的水压向自动控制进水装置供水。
上述自动控制进水装置的进水口向装置内腔延伸进去一段，形成一个悬置于装置内腔 的滴水管，用来形成水滴。该装置的工作原理简述如下当该装置向半透性材料控水装置 供水时，该装置中的恒定水势溶液减少，液面下降，使得液面上部的封闭空气体积增大， 压强减小，于是滴水管开始滴水，液面逐渐升高，直至空气压强恢复到初始水平为止，此 时液面上升到初始高度，空气体积恢复到初始体积，恒定水势溶液的体积，浓度，水势等 数值均保持不变。
上述恒定水势溶液用化学性质稳定的物质配制，其溶液水势和浓度具有一一对应关系， 可以计算或测定。如聚乙二醇(PEG ),水势通过下述公式进行计算， 外<formula>formula see original document page 6</formula>，^EG:水势(bar), r:温度(°C)， CPEG:聚
乙二醇浓度(g/g)，水势误差在5%以内。根据上述公式可以计算欲控制土壤水势的水平， 上述公式适宜的PEG浓度范围为0-0.8g/g。恒定水势溶液也可以通过某些强电解质盐配置。
上述各装置之间的连接方式均为使用橡皮管连接。
更进一步，作为本发明装置的一种简化，上述自动控制进水装置和半透性材料控水装 置用于盛装恒定水势溶液的腔体共用同一个容器。或者说自动控制进水装置同时充当半透 性材料控水装置用于盛装恒定水势溶液的腔体。
为了能够恒定控制更大范围的土壤水势，上述半透性材料控水装置可以包含多个出水 口，分别和多个微孔容器连接。
与现有技术相比，本发明装置的优点是
1. 本装置能够自动控制土壤水势恒定，最大限度地减少了由于土壤水势变化带来的不 利影响；
2. 只要保证恒定水压供水装置内有足够的水，本装置即能连续工作；
3. 本装置能够精确控制土壤水势，节省人力物力财力，能够非常有效地提高工作效率。
图1是本发明实施例各功能部件连接示意图 图2是本发明实施例恒定水压供水装置示意图 图3是本发明实施例自动控制进水装置示意图 图4(a)是本发明实施例半透性材料控水装置立体结构图 (b)是本发明实施例半透性材料控水装置侧视结构图 图5是本发明实施例自动控制进水装置和半透性材料控水装置简化结构示意图 图6是本发明实施例自动控制进水装置和半透性材料控水装置简化结构立体图 图7是本发明实施例实际使用状态结构示意图
图8是本发明实施例半透性材料控水装置连接多个微孔陶瓷容器工作示意图 其中
1-恒定水压供水装置
2-自动控制进水装置
3-半透性材料控水装置
4-微孔陶瓷容器
5-装土容器
11-进水口
12-水面
13-进气口
14-出水口
21-进水口
22-滴水管
23-液面
24-出水口
31-夹板
32-螺钉孔
33-螺钉
34-反渗透膜
35-进水口
36-出水口
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本装置作进一步详细描述
如附图1所示，本装置由恒定水压供水装置l，自动控制进水装置2，半透性材料控水
装置3和微孔陶瓷容器4组成。
如附图2所示，恒定水压供水装置1是一个圆柱形的装水容器，上端设有进水口ll， 进水口 11连接水源，下端设有出水口 14，出水口 14通过橡皮管连接自动控制进水装置2 的进水口21，靠近出水口 14设有进气口 13，进气口 13位于水面12以下，在正常使用过 程中进水口 11处于关闭状态，进气口 13处于开启状态。该装置能以恒定的水压向外供水。 注水时，先封闭下端的出水口 14和进气口 13，然后打开上端的进水口 ll注水；至所需的 量后，先关闭上端的进水口 11，然后打开出水口 14,最后打开进气口 13，即可实现恒定 水压供水。在工作期间需要注水时，先将出水口 14和进气口 13封闭，接着打开进水口 11 注水，注水结束后，先关闭进水口 11，再打开出水口 14，最后打开进气口 13。该装置的 工作原理简述如下水压的计算公式户-pxgxA中，yo为水的密度1000kg/m3， g为重力加速 度约9.8m/s2, /i为该装置进气口到自动控制进水装置的滴水管出口间的竖直高度(m)。因 此在该装置使用过程中，只要保持A的大小不变，即保持该装置和自动控制进水装置2间 的相对位置固定，该装置就能以恒定的水压向自动控制进水装置2供水。
如附图3所示，自动控制进水装置2是一个圆柱状的盛装恒定水势溶液的容器，上端 设有进水口 21，进水口 21通过橡皮管连接恒定水压供水装置的出水口 14，进水口 21向 装置内腔延伸进去一段，形成滴水管22,用来形成水滴，液面23位于容器中部上下；其
上方区域A装有封闭空气，气压恒定，下端设有出水口24，出水口24通过橡皮管和半透 性材料控水装置3的进水口 35相连。该装置能够自动控制向恒定水势溶液的进水量，保 证其体积和浓度恒定，进而保证恒定水势溶液的水势恒定。该装置的工作原理简述如下 当该装置供水时，该装置中的水量减少，液面下降，使得液面上部的封闭空气体积增大， 气压减小，于是滴水管开始滴水，液面逐渐升高，直至空气压强恢复到初始水平为止，此 时液面上升到初始高度，空气体积恢复到初始体积，恒定水势溶液的体积，浓度，水势等 数值均保持不变。
上述恒定水势溶液由化学性质稳定的物质配制，该溶液的水势和溶液的浓度具有一一 对应关系，可以通过计算或者测量得到。以聚乙二醇(PEG)为例，水势可通过下述公式 进行计算，pPEG-1.29x[CPEG]2xr-140x[CPEG]2-4x[CPEG]， pPEG:水势(bar), r:温度(°C)， CpEG:聚乙二醇浓度(g/g),水势误差在5%以内。根据上述公式可以设计欲控制土壤水势的 水平，上述公式适宜的PEG溶液的浓度范围是0^0.8g/g。
如附图4所示，半透性材料控水装置3是一个近似于球形的盛装液体的容器，容器中 部设有反渗透膜34，反渗透膜34通过支撑板31夹持固定并和整个容器密封，支撑板31 的中间被挖掉形成一个空洞以便溶液通过，支撑板31之间通过螺钉33固定。反渗透膜34 将整个装置分成C和D两个独立腔体。C腔体设有进水口 35，和自动控制进水装置2的 出水口24连接，该腔体内装有恒定水势溶液，D腔体设有出水口36，和微孔陶瓷容器4 的进水口连接，该区域内装有水，从反渗透膜34到微孔陶瓷容器4之间的这一部分水体 处于封闭状态。反渗透膜34把封闭水体和恒定水势溶液分隔开，成为两者之间水交换的 介质，水分子可以自由通过，恒定水势溶液中的溶质分子则不能自由通过。本实施例使用 的反渗透膜的型号为PA1-4040,在大约1Pa的压力条件下，反渗透膜34的透水能力是 1.2255m3/m2/h。
微孔陶瓷容器4是一个圆柱形的装水容器，其容器壁被水饱和，容器壁上有许多孔径 在250-800微米范围的微孔，进气值较低，在0.3-0.6MPa范围内，在压力差很小的情况下 就可以排出微孔陶瓷容器壁的水。该装置和土壤直接接触，土壤散失的水分都是通过该装 置补给的。
使用本发明装置时，首先将微孔陶瓷容器4和半透性材料控水装置3连接，并在微孔 陶瓷容器4和半透性材料控水装置3的装水腔体中装水。为了能使装置更好地工作，装水 时应尽可能地排除掉封闭水体中的空气，最好在水下完成安装。这一段封闭水体需要承受
一定的负压，所以应做好密封工作。在装水结束后，用橡皮管连接自动控制进水装置2的 出水口 24和半透性材料控水装置3的进水口 35。从自动控制进水装置2的进水口 21处加 注恒定水势溶液，直到液面23上升至自动控制进水装置2的中部左右。然后在恒定水压 供水装置1中装水，完成后封闭进水口 11和进气口 13，用橡皮管把出水口 14和自动控制 进水装置2的进水口 21连接，之后打开进气口 13，这样就完成了主要功能部件的连接。 最好标明液面23的位置，作为该液面的初始高度记录。此时将微孔陶瓷容器4安装在装 土容器5中，按一定的容重装填土壤，平衡一段时间就可以实现对土壤水势的恒定控制， 如附图7所示。
本发明装置的工作驱动力来自土壤水势的变化。在使用过程中，土壤水分的散失或下 渗使得土壤的水势有所下降，这时土壤水势和恒定水势溶液的水势之间产生一个水势差， 使得微孔陶瓷容器4中的水趋向于经过微孔流向土壤，因此封闭水体中的水量减少，由此 产生的负压使得位于反渗透膜34另一边的恒定水势溶液中的水透过反渗透膜34进入装水 腔体，也即封闭水体，补充封闭水体散失的水分，直到土壤水势和溶液水势相等，水的移 动才暂时停止-封闭水体在整个过程中起到了在恒定水势溶液和土壤之间传递水分的作 用，同时也起到了将土壤水势变化向恒定水势溶液传递的作用。
当恒定水势溶液中的水透过反渗透膜34进入封闭水体时，恒定水势溶液的体积减小， 浓度升高，这个微小的体积变化在自动控制进水装置2中体现出来，该装置中的液面23 下降，使得液面23上端空气体积增大，空气压强减小，于是自动控制进水装置2上端的 滴水管22开始滴水，液面23升高，空气体积减小，压强增大，直至恢复到初始水平。此 时恒定水势溶液的浓度和体积均保持不变，溶液的水势也因此保持不变。
正常情况下，土壤的水势等于或小于恒定水势溶液的水势，保证了上述装置能够正常 运作，即水从恒定水势溶液通过反渗透膜34流向封闭水体进而通过微孔陶瓷容器4流向 土壤。当土壤水势因为某些原因，如土壤所在区域降雨或者过多灌溉等，突然升高而高于 恒定水势溶液时，就会发生逆流现象，即土壤中的水分进入微孔陶瓷容器4，封闭水体中 的水分进入自动控制进水装置2。若发生逆流现象，应断开连接恒定水压供水装置1和自 动控制进水装置2的橡皮管，等恒定水势溶液液面23恢复到初始高度记录时，再连接该 橡皮管，值得注意的是整个过程必须保证恒定水压供水装置1和自动控制进水装置2之间 的相对位置保持不变，并保证恒定水势溶液中溶质的量不变。
作为对本发明装置的一种简化，自动控制进水装置2和半透性材料控水装置3用于盛 装恒定水势溶液的腔体之间的连接方式可以省去，两者共用同一个容器，或者说自动控制 进水装置2同时充当半透性材料控水装置3用于盛装恒定水势溶液的腔体，如附图5和6 所示。
同时为了能够恒定控制更大范围的土壤水势，半透性材料控水装置3可以包含多个出 水口36，分别和多个微孔陶瓷容器4连接，形成一个共享恒定水压供水装置l，自动控制 进水装置2和半透性材料控水装置3的微孔陶瓷容器4阵列，如附图8所示，既节省设备 成本，又方便统一特定区域范围内的土壤水势。
权利要求
1.一种自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，该装置包含恒定水压供水装置，自动控制进水装置，半透性材料控水装置和微孔容器；恒定水压供水装置，自动控制进水装置，半透性材料控水装置均设有进水口和出水口，微孔容器设有进水口；恒定水压供水装置的出水口连接自动控制进水装置的进水口，自动控制进水装置的出水口连接半透性材料控水装置的进水口，半透性材料控水装置的出水口连接微孔容器的进水口，其中恒定水压供水装置为一装水容器，该装置能以恒定的水压向外供水；自动控制进水装置为一盛装恒定水势溶液的容器，溶液不充满整个容器，除溶液以外部分装有空气，该部分空气处于封闭状态，气压恒定；半透性材料控水装置为一盛装液体的容器，通过设于容器中部附近的半透性材料将容器分成两个腔体，分别设有进水口和出水口，与进水口连接的腔体内装有恒定水势溶液，与出水口连接的腔体内装有水；微孔容器为一装水容器，容器壁上有许多孔径微小的孔，可以用来透水，但不能透过空气和土壤；位于微孔容器壁和半透性材料之间的水处于封闭状态。
2. 如权利要求l所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，所述恒定水压供水装 置靠近出水口附近设有进气口，该进气口位于水面以下，在整个装置工作时处于打开状态； 进水口在整个装置工作时处于关闭状态。
3. 如权利要求l所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，所述自动控制进水装 置的进水口向装置内腔延伸进去一段，形成一个悬置于该装置内腔的滴水管，可以形成水 滴。
4. 如权利要求l所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，所述恒定水势溶液由 化学性质稳定的物质配制。
5. 如权利要求l所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，所述半透性材料控水 装置中的半透性材料为反渗透膜或半透膜。
6. 如权利要求l所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，所述的微孔容器为微 孔陶瓷容器。
7. 如权利要求6所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，所述的微孔容器的微 孔直径在250-800微米之间，进气值在0.3-0.6MPa范围内。
8. 如权利要求l所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，所述的装置之间的连 接方式均为使用橡皮管连接。
9. 如权利要求l所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，自动控制进水装置和 半透性材料控水装置用于盛装恒定水势溶液的腔体共用同一个容器。
10. 如权利要求1所述的自动控制土壤水势恒定的装置，其特征在于，半透性材料控水装 置包含多个出水口，分别和多个微孔容器连接。
全文摘要
本发明公开了一种自动控制土壤水势恒定的装置。该装置主要利用半透性材料和具有恒定水势的溶液来控制一定范围内的土壤水势恒定在一个特定值。该装置包括恒定水压供水装置，自动控制进水装置，半透性材料控水装置和微孔容器；恒定水压供水装置能以恒定的水压向外供水，自动控制进水装置能够自动控制向恒定水势溶液的输水量，保证其水势恒定；半透性材料控水装置是一个以半透性材料为主要功能部件的装置，它实现恒定水势溶液和封闭水体之间的水交换，微孔容器的表面有许多微小孔径的孔，可以透水，但进气值较低，实现封闭水体和土壤之间的水交换。本发明能够有效地控制土壤水势恒定，广泛地适用于农业及科研领域。
文档编号A01G25/16GK101185413SQ20071017852
公开日2008年5月28日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者岳现录, 巩永凯, 雷秋良, 龙怀玉 申请人:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所