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科研文献丨Papers
小e讲堂の捋一捋土壤墒情监测相关的几个关键概念!
作者:E生态         来源:微信公众号
        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。
 
小e讲堂の捋一捋土壤墒情监测相关的几个关键概念!
 
        小e从事墒情相关工作多年,站在风口,感觉风越来越大。最近越来越多地被咨询这些问题:
        土壤的体积含水量、重量含水量、相对含水量有什么区别?
        土壤水分传感器测量得到的是体积含水量还是重量含水量?
        如何才能测出土壤的相对含水量?
 
小e讲堂の捋一捋土壤墒情监测相关的几个关键概念!
 
        小e原想把这些问题的答案写在手机备忘录上,有人询问就复制粘贴微信发出,后来一想,这样的效率还是不高,浪费时间不少,最为关键的是:需要写出一篇自成体系的文章出来,把事情的来龙去脉讲清楚。
 
本文分三个部分‍:
        第一部分是几个基础概念的定义,放在一起,避免新接触该行业的朋友分别去百度搜索。
        第二部分是本文的核心干货,约3000个文字,从土壤水分监测历史发展的角度介绍了能被商业化使用的土壤水分传感器的发展历程,顺带解释了体积含水量、相对含水量这些基本概念。
        第三部分写土壤墒情的未来,对于已经踏入或准备踏入该行业的朋友,一定要思索未来会发生什么,才有机会站到或靠近这个特别的风暴口。
 
一、纯概念定义(不喜欢看概念定义的请跳读后续干货)
        1、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。 
        2、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。
        3、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。
        4、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。
        5、相对含水量:一般是指土壤含水量占田间持水量的百分数。
        6、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。
 
二、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……
        不就是一个土壤湿度吗?要按人类现有的知识框架正确表达清楚,得搞懂相关的概念至少二十八个,吓死宝宝了!不怕,本文就把土壤墒情的事说清楚、道明白!
        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。
 
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        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。
 
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        发明机器是人类的专长,既然称重烘干法的缺点如此严重,人们都基于科学原理发明了哪些机械仪器来测量土壤中水分呢?(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。)
 
小e讲堂の捋一捋土壤墒情监测相关的几个关键概念!
 
        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。
 
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        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。
 
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        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。
 
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        怎么办呢?一个NB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。
        问题出现了: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。
        因此,得到客观准确的相对含水量并不是一件容易的事情。
 
 
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