专利名称：一种土壤田间持水量的测定方法及其测定装置的制作方法
技术领域：
本发明属于农田灌溉和作物水分管理领域的土壤水分特征常数田间持水量的测定方法和装置，特别涉及一种可快速测定土壤田间持水量的测定方法及其测量装置。
背景技术：
农田土壤水分状况是影响作物生长的重要因素。而田间土壤持水量是衡量土壤保水性的重要指标，也是进行农田灌溉、作物水分管理的重要参数，通常被视为作物有效水的上限。很早以前人们认为灌水后土壤中水的流动和含水量的变化随时间减小，水流速率一般在几天内减少到可忽略的程度，甚至完全停止，并把内排水结束后土壤的含水量称为田间持水量。随后很长时期，田间持水量一直被认为是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，是一个实际存在的土壤物理性质，是每种土壤都具有的特性常数。
随着对非饱和土壤水分运动过程的研究以及实验测量技术的进一步发展，许多研究表明土壤田间持水量的概念是人为的、任意的，甚至会引起误导，它是受测定方法影响的土壤物理特性。当灌水或降雨后，在地下水位较深、排水情况良好、无地表蒸发情况下，尽管水流速率不断降低，但土壤的内排水过程实际上仍然持续进行，并无“突变点”，也无静态的含水量；即使有，达到平衡的时间也很漫长。田间持水量的大小不仅受土壤质地、结构等土壤因素影响，而且还受测量方法、平衡历时、测定深度等人为因素的影响。
目前，测量田间土壤持水量的方法主要有三种。一是围框淹灌法，用于野外测量，其基本原理是在田间，围框或打土垅灌水使适当深度的土壤的含水量达到饱和，然后将土壤表面覆盖避免地表蒸发，土壤开始内排水进入土壤水再分布过程，当土壤中的重力水“完全”排除后，水分达到基本平衡，取土样测定土壤含水量，此时的含水量即被认为是田间持水量。报告测定结果时需注明地下水位深度、土层深度以及平衡历时。该方法比较适合质地较粗的土壤，因为这种土壤的导水率随着土壤吸力的增加(含水量的降低)而陡减，土壤水流动速率迅速降低，土壤剖面可在灌水后较短的时间(1～2d)内达到基本平衡，且重现性较好。然而，对于土壤质地较细、粘粒含量较高的土壤，这种方法测量精度较差，有些甚至不可用，主要是因为在粘性土壤中土壤水分运动并无显著降低的过程，几天甚至数十天后土壤水运动仍在进行，平衡历时的选取较困难。对于粘性土壤，若“平衡历时”(实际未平衡)选取较短，测量值将偏大，许多研究都已经证明这一点。于是，Hillel(1998)认为，应持续观测土壤含水量，直到前后两次相差很小，此时测量值即为田间持水量，而不是随意假定的灌水几天(如2天)后测量一次所得的值。这种改进方法似乎可行，但对于粘性重的土壤，势必大大增加工作量以及测量时间。
为克服这种由土壤质地引起的问题，人们试图从土壤水能态上去寻求途径，这便产生了另一种田间土壤持水量的测量方法压力膜(板)法。其基本原理是假定不同质地土壤，在田间持水量时具有相同的土壤基质势，为一常数，记作ψfc，用压力膜仪测定该吸力值下的含水量即为田间持水量。然而不同学者研究所得的ψfc值大小却有很大差异。Colman(1947)试验结果为-33kPa，而张玉龙等(1996)认为10～70cm土层内土壤吸力范围为3.3～5.6kPa，两者相差较大，影响因素主要有土壤深度、地温、地表覆盖物等。
另外，威尔科克斯法也常用于室内测定田间持水量，其方法是将原状土样用水浸泡，其含水量达到饱和后，置于风干土之上，土样中的重力水在风干土吸力的作用下排出，经一段时间后测定土样的含水量值，即得到土壤的田间持水量。该方法同样涉及到风干土吸水时间选取问题，即何时重力水才算完全排出，排水时间长短(通常取8h)直接影响测定结果。
综上所述，现有方法均是采用先将土样含水量达到饱和，然后再排除重力水的方法来测量田间持水量，测量过程均为脱湿过程。因此，所有方法涉及最关键的问题均是判断何时重力水完全排除。但由于土壤的内排水或重分布是连续过程，尤其是对于粘性重的土壤无明显界限，很难断定何时完全或基本排除重力水，这是现有方法的主要“争议”所在。因此，若有一种方法能使被测土壤的含水量达到土壤毛管所能吸持的最大水量即田间持水量而不产生重力水，将避免这种争议。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土壤田间持水量的快速测定方法及其快速测定装置。
本发明的技术方案如下本发明提供的土壤田间持水量的测定方法，该测定方法吸渗法，其基本原理是利用土壤基质势(土壤基质吸力)主动将水吸入土壤中，使土样的含水量达到土壤毛管所能吸持的无重力水时的最大水量，测量此时的土壤含水量即为土壤田间持水量。
本发明提供的土壤田间持水量的快速测定装置，包括一上端与供水源相连通的供水容器4；安装在所述供水容器4下部管壁上的进气控制管3和供水管6；所述供水管6的垂向下端连通一灌水器7；所述进气控制管3的垂向下半部放置在一钻土锥形筒2内，所述进气控制管3的下端进气口1与所述钻土锥形筒2的管壁之间留有间隙；所述灌水器7的底部高出所述钻土锥形筒2中的所述进气控制管3的下端进气口1～2cm。
所述的供水容器4可为马氏瓶。所述供水容器4与供水源相连通的管路上安装有控制供水的控制阀。
所述钻土锥形筒2与供水容器4成一体结构，位于供水容器4的底部。所述进气控制管3可为软管或硬管；所述供水管6可为软管或硬管。所述灌水器(7)为陶土或纤维材质的灌水器。
与现有的测量方法相比，本发明的土壤田间持水量测量方法及其测量装置，具有以下特点(1)吸渗法是利用基质吸力，更适合测量质地较细的土壤，且测量时间短。
传统三种方法基本测量原理都是先将待测土壤饱和，然后再进行内排水(脱湿)过程，直至土壤水分基本平衡。对于质地粗糙的土壤，由于存在土壤水分运动明显减弱的过程，土壤含水量在较短时间(如1-2d)后变化很小，且重现性好，此时，三种方法测量结果是有效的。而对于粘性土壤，由于土壤吸力高，内排水过程较长，土壤水分达到基本平衡时间较长，从而测量时间长，甚至影响测量精度。与其相反，本发明方法利用土壤基质吸力(基质势)，土壤粘性越重，吸力越大，“吸水”越快，从而测量时间越短，而且省去了待测土壤饱和的过程(通常需要24h)。
(2)吸渗法测量过程是吸湿过程，更接近现代节水灌溉技术下实际情况。
现有三种方法基本测量原理都是先将待测土壤饱和，然后再进行内排水，土壤含水量均由饱和到田间持水量，为脱湿过程；而吸渗法中土壤含水量是由小到田间持水量，为吸湿过程。
与地面灌溉、喷灌等全面灌溉相比，随着现代节水灌溉技术滴灌尤其是地下滴灌等局部灌水方式的发展，灌溉后，仅湿润土壤表面部分范围，而不是整个计划湿润层。灌水结束后，对于湿润区外干燥土壤，随后进行土壤水的重分布，是吸湿过程，而不是脱湿过程。因此，利用本发明所测得田间持水量更接近这些灌水方式下土壤水的实际情况，从而能更好地指导此类节水灌溉方式下灌溉制度的制定。
(3)吸渗法节省测量用水，测量装置易携带，野外测量方便。
现有三种方法均需将待测土壤饱和，尤其是用于野外测量的围框淹灌法，用水量较大；而用吸渗法测量，待测土壤的所能达到的最大含水量就是田间持水量，所以测量过程中用水量很少，用马氏瓶装满即可，便于携带进行野外测量，且操作简单。
(4)测量装置中，灌水器3的底部最低点o点高于马氏瓶4的进气口1，但又不能高出太多，只是略高一点(1～2cm)，从而充分利用土壤基质势。
总之，本发明首次提出了吸渗法测量田间持水量，提供了吸渗法测量装置。吸渗法主要是利用土壤吸力(基质势)将马氏瓶中的水“主动”吸入土壤中，当土壤基质吸力充分发挥作用，土壤含水量达到土壤毛管所能吸持的最大水量且无重力水时，即为田间持水量，测量过程为吸湿过程。该方法具有省时、省水，更适合粘性土壤等优点。
图1为本发明田间持水量测量方法的测量装置图。
进气控制管3的下端进气口1 供水管6钻土锥形筒2 进气控制管3 供水容器4进气控制管3 灌水器7 土壤8马氏瓶加水口具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明的吸渗法测定土壤田间持水量的快速测定装置，包括一上端与供水源相连通的供水容器4；安装在所述供水容器4下部管壁上的进气控制管3和供水管6；所述供水管6的垂向下端连通一灌水器7；所述进气控制管3的垂向下半部放置在一钻土锥形筒2内，所述进气控制管3的下端进气口1与所述钻土锥形筒2的管壁之间留有间隙，使进气口1低于土壤表面仍与大气接触通畅；所述灌水器7的底部高出所述钻土锥形筒2中的所述进气控制管3的下端进气口1～2cm。
由马氏瓶加水口5向马氏瓶4至灌水器7整个测量装置中加满水，然后盖上橡皮塞，使大气压保持在进气口1的位置。将灌水器7埋入待测土壤8，然后压入钻土圆锥筒2，并将进气控制管3放入钻土圆锥筒2中，并使筒壁与进气控制管3的下端进气口1保持一定的距离，保持大气通畅。调节钻土锥形筒2压入土中的深度以及进气口1的位置，使灌水器3的底部最低点o点略高于马氏瓶4的进气控制管3的下端进气口1。假定ψmo。为灌水器外接触面处土壤水的基质势，其值任何情况下都应不大于0，则-ψmo为基质吸力。以o点为参考点，取向上为正。由于灌水器7壁厚以及进气控制管3的下端进气口1与灌水器7的高程差均较小，可忽略，则灌水器内外势能差为-ψmo，即大小为基质吸力。土壤基质吸力是水通过灌水器进入土壤的唯一驱动力，这是吸渗法的根本所在。吸渗初期，在基质吸力作用下，土壤8与灌水器7接触处含水量迅速增大，故ψmo增大，势能差减小。随着吸渗的进行，灌水器7附近土壤的基质势和含水量也将增大，待湿润一定范围后，灌水器周围土壤的基质势梯度将减小直至为零，灌水器周围土壤的含水量达到土壤所能吸持的最大水量，而无重力水，测量此时灌水器7周围土壤含水量即得到吸湿情况下土壤的田间持水量。
需要说明的，上述测量装置仅仅是实现吸渗法测量田间持水量的一种装置。测量装置主要还可以做进行如下形式调整(1)装置中钻土圆锥筒2还可以与马氏瓶4制作成一体，置于马氏瓶底部，而且也可以做成其它形状，只要便于插入土壤中可使进气口1能与大气接触通畅就行；(2)灌水器7的材质也可以多样，可用陶土的，也可用纤维的；(3)马氏瓶4也可以做成各种形状，只要能提供稳定可调的供水水头即可；(4)进气控制管3可以是软管也可以是硬管，材质也可以不同，另外也可以从马氏瓶的加水口5放入马氏瓶内，只要能使得马氏瓶提供稳定供水水头即可；(5)供水管6可以是软管也可以是硬管，材质也可以不同，只要便于和灌水器连接，供水方便即可。
测量装置的任何一种形式的调整，只要是利用土壤基质吸力(基质势)来测量田间持水量，均属于本发明范畴。
权利要求
1.一种土壤田间持水量的测定方法，该测定方法为吸渗法，即利用土壤基质势主动将水吸入土壤中，使土样的含水量达到土壤毛管所能吸持的最大水量，而无重力水，测量此时的土壤含水量即为土壤田间持水量。
2.一种土壤田间持水量的测定装置，其特征在于，包括一上端与供水源相连通的供水容器(4)；安装在所述供水容器(4)下部管壁上的进气控制管(3)和供水管(6)；所述供水管(6)的垂向下端连通一灌水器(7)；所述进气控制管(3)的垂向下半部放置在一钻土锥形筒(2)内，所述进气控制管(3)的下端进气口(1)与所述钻土锥形筒(2)的管壁之间留有间隙；所述灌水器(7)的底部高出所述钻土锥形筒(2)中的所述进气控制管(3)的下端进气口(1)1～2cm。
3.按权利要求2所述的土壤田间持水量的测定装置，其特征在于，所述的供水容器(4)为马氏瓶。
4.按权利要求2所述的土壤田间持水量的测定装置，其特征在于，所述供水容器(4)与供水源相连通的管路上安装有控制供水的控制阀。
5.按权利要求2所述的土壤田间持水量的测定装置，其特征在于，所述钻土锥形筒(2)与供水容器(4)成一体结构，位于供水容器(4)的底部。
6.按权利要求2所述的土壤田间持水量的测定装置，其特征在于，所述进气控制管(3)为软管或硬管。
7.按权利要求2所述的土壤田间持水量的测定装置，其特征在于，所述供水管(6)为软管或硬管。
8.按权利要求2所述的土壤田间持水量的测定装置，其特征在于，所述灌水器(7)为陶土或纤维材质的灌水器。
全文摘要
本发明涉及土壤田间持水量的测定方法和测定装置，其测定方法为吸渗法利用土壤基质势主动将水吸入土壤中，使土样的含水量达到土壤毛管所能吸持的无重力水时的最大水量，测量此时的土壤含水量即为土壤田间持水量。其测定装置，包括上端与供水源相连通的供水容器；安装在供水容器下部管壁上的进气控制管和供水管；供水管的垂向下端连通一灌水器；进气控制管的垂向下半部放置在一钻土锥形筒内，进气控制管的下端进气口与钻土锥形筒的管壁之间留有间隙；灌水器的底部高出所述钻土锥形筒中的所述进气控制管的下端进气口1～2cm。本发明首次提出吸渗法测量田间持水量，并提供其测量装置，具有省时、省水，更适合粘性土壤等优点。
文档编号G01N1/28GK1979162SQ200510126229
公开日2007年6月13日 申请日期2005年11月30日 优先权日2005年11月30日
发明者雷廷武, 江培福, 武阳, 李鑫, 毛丽丽 申请人:中国农业大学