專利名稱：一種田間持水量測量裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種快速測定土壤水分特征常數(shù)田間持水量的裝置，屬于農(nóng)田灌溉和作物水分管理領域。
背景技術(shù)：
農(nóng)田土壤水分狀況是影響作物生長的重要因素。而田間持水量是衡量土壤保水性的重要指標，也是進行農(nóng)田灌溉、作物水分管理的重要參數(shù)，通常被視為作物有效水的上限。很早以前人們認為灌水后土壤中水的流動和含水量的變化隨時間減小，水流速率一般在幾天內(nèi)減少到可忽略的程度，甚至完全停止，并把內(nèi)排水結(jié)束后土壤的含水量稱為田間持水量。隨后很長時期，田間持水量一直被認為是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，是一個實際存在的土壤物理性質(zhì)，是每種土壤都具有的特性常數(shù)。
隨著對非飽和土壤水分運動過程的研究以及實驗測量技術(shù)的進一步發(fā)展，許多研究表明田間持水量的概念是人為的、任意的，甚至會引起誤導，它是受測定方法影響的土壤物理特性。當灌水或降雨后，在地下水位較深、排水情況良好、無地表蒸發(fā)情況下，盡管水流速率不斷降低，但土壤的內(nèi)排水過程實際上仍然持續(xù)進行，并無“突變點”，也無靜態(tài)的含水量；即使有，達到平衡的時間也很漫長。田間持水量的大小不僅受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等土壤因素影響，而且還受測量方法、平衡歷時、測定深度等人為因素的影響。
目前，測量田間持水量的方法主要有三種。一是圍框淹灌法，用于野外測量，其基本原理是在田間，圍框或打土垅灌水使適當深度的土壤達到飽和，然后將土壤表面覆蓋避免地表蒸發(fā)，土壤開始內(nèi)排水進入土壤水再分布過程，當土壤中的重力水“完全”排除后，水分達到基本平衡，取土樣測定土壤含水量，此時的含水量即為田間持水量。報告測定結(jié)果時需注明地下水位深度、土層深度以及平衡歷時。該方法比較適合質(zhì)地較粗的土壤，因為這種土壤的導水率隨著土壤吸力的增加(含水量的降低)而陡減，土壤水流動速率迅速降低，土壤剖面可在灌水后較短的時間(1～2d)內(nèi)達到基本平衡，且重現(xiàn)性較好。然而，對于土壤質(zhì)地較細、粘粒含量較高的土壤，這種方法測量精度較差，有些甚至不可用，主要是因為在粘性土壤中土壤水分運動并無顯著降低的過程，幾天甚至數(shù)十天后土壤水運動仍在進行，平衡歷時的選取較困難。對于粘性土壤，若“平衡歷時”(實際未平衡)選取較短，測量值將偏大，許多研究都已經(jīng)證明這一點。于是，Hillel(1998)認為，應持續(xù)觀測土壤含水量，直到前后兩次相差很小，此時測量值即為田間持水量，而不是隨意假定的灌水幾天(如2天)后測量一次所得的值。這種改進方法似乎可行，但對于粘性重的土壤，勢必大大增加工作量以及測量時間。
為克服這種由土壤質(zhì)地引起的問題，人們試圖從土壤水能態(tài)上去尋求途徑，這便產(chǎn)生了另一種田間持水量測量方法壓力膜(板)法，其測量裝置為壓力膜(板)儀。其基本原理是假定不同土壤在田間持水量時雖然含水量不同，但具有相同的土壤基質(zhì)勢，為一常數(shù)，記作Ψfc，用壓力膜儀測定該吸力值下的含水量即為田間持水量。然而不同學者研究所得的Ψfc值大小卻有很大差異。Colman(1947)試驗結(jié)果為-33kPa，而張玉龍等(1996)認為10～70cm土層內(nèi)土壤吸力范圍為3.3～5.6kPa，兩者相差較大，影響因素主要有土壤深度、地溫、地表覆蓋物等。
另外，威爾科克斯法也常用于室內(nèi)測定田間持水量，其方法是將原狀土樣浸泡飽和后，置于風干土上，土樣中的重力水在風干土吸力的作用下排出，經(jīng)一段時間后測定土樣的含水量值，即得到土壤的田間持水量。該方法同樣涉及到風干土吸水時間選取問題，即何時重力水才算完全排出，排水時間長短(通常取8h)直接影響測定結(jié)果。
綜上所述，現(xiàn)有方法及測量裝置均是采用先將土樣飽和，然后再排除重力水的方法來測量田間持水量，測量過程均為脫濕過程。因此，所有方法及測量裝置涉及最關鍵的問題均是判斷何時重力水完全排除。但由于土壤的內(nèi)排水或重分布是連續(xù)過程，尤其是對于粘性重的土壤無明顯界限，很難斷定何時完全或基本排除重力水，這是現(xiàn)有方法及測量裝置的主要“爭議”所在。因此，若有一種測量裝置測量時能使被測土壤的含水量達到土壤毛管所能吸持的最大水量即田間持水量而不產(chǎn)生重力水，將避免這種爭議。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種方便攜帶、省時省水的田間持水量的測量裝置。
為了達到本實用新型的目的所采取的技術(shù)方案包括灌水器1、可與水源相通的供水容器6、供水管4、進氣控制管7、鉆土筒10，其中，供水容器6位于灌水器1和進氣控制管7下端口的上方，供水管4的上端與供水容器6連通，供水管4的下端與灌水器1連通；進氣控制管7的上端與供水容器6連接，進氣控制管7的下端置于鉆土筒10中，進氣控制管7下端的進氣口11與所述鉆土筒10的筒壁之間設有空隙。
上述的田間持水量測量裝置中，灌水器1的材料包括陶土或纖維或泡沫。
上述的田間持水量測量裝置中，供水容器6為馬氏瓶。
上述的田間持水量測量裝置中，所述灌水器1的最低點o比進氣控制管7下端的進氣口11高1～2cm。
上述的田間持水量測量裝置中，鉆土筒10呈圓錐形。
上述的田間持水量測量裝置中，供水容器6的底部帶有底座2。
上述的田間持水量測量裝置中，鉆土筒10與供水容器6為一體式結(jié)構(gòu)，鉆土筒10位于供水容器6的底部或固定在底座2下部。
上述的田間持水量測量裝置中，供水管4和進氣控制管7既可以是硬質(zhì)管，也可以用軟質(zhì)管。
上述的田間持水量測量裝置中，在供水容器6的上端開一加水口5。
上述的田間持水量測量裝置中，在進氣控制管7上安裝閥門8，調(diào)節(jié)進氣控制管7的進氣口11的高度，可提供穩(wěn)定供水水頭。
上述的田間持水量測量裝置中，測量基本原理與現(xiàn)有方法不同，即是利用土壤基質(zhì)吸力(土壤基質(zhì)勢)“主動”將水吸入土壤中，使土樣的含水量達到土壤毛管所能吸持的最大水量即田間持水量，而無重力水。
與現(xiàn)有的測量方法及其測量裝置相比，上述新型快速田間持水量測量裝置，具有以下優(yōu)點(1)本實用新型測量的基本原理是利用基質(zhì)吸力，更適合測量質(zhì)地較細的土壤，且測量時間短。
傳統(tǒng)三種方法基本測量原理都是先將待測土壤飽和，然后再進行內(nèi)排水(脫濕)過程，直至土壤水分基本平衡。對于質(zhì)地粗糙的土壤，由于存在土壤水分運動明顯減弱的過程，土壤含水量在較短時間(如1-2d)后變化很小，且重現(xiàn)性好，此時，三種方法測量結(jié)果是有效的。而對于粘性土壤，由于土壤吸力高，內(nèi)排水過程較長，土壤水分達到基本平衡時間較長，從而測量時間長，甚至影響測量精度。與其相反，本實用新型利用土壤基質(zhì)吸力(基質(zhì)勢)，土壤粘性越重，吸力越大，“吸水”越快，從而測量時間越短，而且省去了待測土壤飽和的過程(通常需要24h)。
(2)本實用新型測量的過程是吸濕過程，更接近現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)下實際情況。
現(xiàn)有三種方法基本測量原理都是先將待測土壤飽和，然后再進行內(nèi)排水，土壤含水量均由飽和到田間持水量，為脫濕過程；而本實用新型測量過程中土壤含水量是由小到田間持水量，為吸濕過程。
與地面灌溉、噴灌等全面灌溉相比，隨著現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)滴灌尤其是地下滴灌等局部灌水方式的發(fā)展，灌溉后，僅濕潤土壤表面部分范圍，而不是整個計劃濕潤層。灌水結(jié)束后，對于濕潤區(qū)外干燥土壤，隨后進行土壤水的重分布，是吸濕過程，而不是脫濕過程。因此，利用本實用新型所測得田間持水量更接近這些灌水方式下土壤水的實際情況，從而能更好地指導此類節(jié)水灌溉方式下灌溉制度的制定。
(3)本實用新型工作時，節(jié)省測量用水，且攜帶方便，易于野外測量。
現(xiàn)有三種方法均需將待測土壤飽和，尤其是用于野外測量的圍框淹灌法，用水量較大；而用本實用新型測量，待測土壤的所能達到的最大含水量就是田間持水量，所以測量過程中用水量很少，用馬氏瓶裝滿即可，便于攜帶進行野外測量，且操作簡單。
(4)利用本實用新型測量時，灌水器1的底部最低點o點高于馬氏瓶6的進氣口11，但又不能高出太多，只是略高一點(1～2cm)，從而可充分利用土壤基質(zhì)勢。


圖1為本實用新型田間持水量測量裝置示意圖。
實施例
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明。
如圖1所示，1為灌水器，其材料至少包括陶土、纖維、泡沫這三種材料中的一種，2為供水容器6的底座，3為底座2上右邊的孔，4為供水管、5為供水容器6的加水口，6為供水容器，在本實施例中，供水容器為馬氏瓶，7為進氣控制管，8為安裝在進氣控制管7上的閥門，9為底座2上左邊的孔，10為連接底座2的鉆土筒，11為進氣控制管7的進氣口，12為待測土壤。當然，在實際生產(chǎn)中，供水容器6可以不設底座2。
本田間持水量測量裝置中，供水管4上端與馬氏瓶6連接，另一端向下延伸穿過孔3與灌水器1連通；進氣控制管7一端與馬氏瓶連接，另一端向下穿過孔9，置于鉆土圓錐筒10中，進氣控制管7下端的進氣口11與所述鉆筒10的筒壁之間設有空隙；在進氣控制管7上安裝閥門8，調(diào)節(jié)進氣控制管7的進氣口11的高度，可提供穩(wěn)定供水水頭。
在本實施例中，鉆土筒10為圓錐形，它與供水容器6為一體式結(jié)構(gòu)，鉆土筒10位于固定在底座2下部。如圖所示，鉆土筒10與供水容器的底座2連接在一起，插入土壤起固定作用，尤其是在斜坡的上測量時，這種結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定性。鉆土筒10還可以為其他形狀，如棱錐體，或由其他的東西替代，只要具有易于插入土壤的特點，且能容納進氣控制管7的下部并保持其下端的進氣口11與大氣相通就行；馬氏瓶的形狀也可以是多樣的，其主要特征是提供恒定水頭，水頭位置在進氣控制管下端。在實際生產(chǎn)中，供水管4和進氣控制管7既可以采用硬質(zhì)管，也可以用軟質(zhì)管。
測量開始前，關閉閥門8，由馬氏瓶6的加水口5向馬氏瓶6至灌水器1的整個測量裝置中加滿水，然后在加水口5上蓋上橡皮塞，打開閥門8，使大氣壓保持在進氣口11的位置。將灌水器1埋入待測土壤12中，同時壓入鉆土圓錐筒10，使灌水器1的底部最低點o點略高于馬氏瓶6的進氣口11，如1～2cm。在測量開始前，往供水容器6馬氏瓶中加水時，閥門8是關閉的，這樣加水時水就會從進氣控制管7流出。
假定Ψmo為灌水器外接觸面處土壤水的基質(zhì)勢，其值任何情況下都應不大于0，則-Ψmo為基質(zhì)吸力。以o點為參考點，取向上為正。由于灌水器1壁厚以及進氣口11與灌水器1的高程差均較小，可忽略，則灌水器內(nèi)外勢能差為-Ψmo，即大小為基質(zhì)吸力。土壤基質(zhì)吸力是水通過灌水器進入土壤的唯一驅(qū)動力，這是本實用新型測量裝置的根本原理。測量初期，在基質(zhì)吸力作用下，土壤12與灌水器1接觸處含水量迅速增大，故Ψmo增大，勢能差減小。隨著吸滲的進行，灌水器1附近土壤的基質(zhì)勢和含水量也將增大，待濕潤一定范圍后，灌水器周圍土壤的基質(zhì)勢梯度將減小直至為零，灌水器周圍土壤的含水量達到土壤所能吸持的最大水量，而無重力水，測量此時灌水器1周圍土壤含水量即得到吸濕情況下土壤的田間持水量。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求1.一種田間持水量測量裝置，其特征在于，它包括灌水器(1)、可與水源相通的供水容器(6)、供水管(4)、進氣控制管(7)、鉆土筒(10)，其中，供水容器(6)位于灌水器(1)和進氣控制管(7)下端口的上方，供水管(4)的上端與供水容器(6)連通，供水管(4)的下端與灌水器(1)連通；進氣控制管(7)的上端與供水容器(6)連接，進氣控制管(7)的下端置于鉆土筒(10)中，進氣控制管(7)下端的進氣口(11)與所述鉆土筒(10)的筒壁之間設有空隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，灌水器(1)的材料包括陶土或纖維或泡沫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，供水容器(6)為馬氏瓶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，所述灌水器(1)的最低點o比進氣控制管(7)下端的進氣口(11)高1～2cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，所述灌水器(1)的最低點o比進氣控制管(7)下端的進氣口(11)高1～2cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，鉆土筒(10)呈圓錐形。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，供水容器(6)的底部帶有底座(2)；鉆土筒(10)與供水容器(6)為一體式結(jié)構(gòu)，鉆土筒(10)位于供水容器(6)的底部或固定在底座(2)下部。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，供水管(4)和進氣控制管(7)既可以是硬質(zhì)管，也可以用軟質(zhì)管。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，在供水容器(6)的上端開一加水口(5)；
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的田間持水量測量裝置，其特征在于，在進氣控制管(7)上安裝閥門(8)。
專利摘要本實用新型公開了一種田間持水量測量裝置，屬于農(nóng)田灌溉和作物水分管理領域。技術(shù)方案包括灌水器(1)、可與水源相通的供水容器(6)、供水管(4)、進氣控制管(7)、鉆土筒(10)，其中，供水容器(6)位于灌水器(1)和進氣控制管(7)下端口的上方，供水管(4)的上端與供水容器(6)連通，其下端與灌水器(1)連通；進氣控制管(7)的上端與供水容器(6)連接，其下端置于鉆土筒(10)中，進氣控制管(7)下端的進氣口(11)與所述鉆土筒(10)的筒壁之間設有空隙。本裝置具有以下優(yōu)點更適合測量質(zhì)地較細的土壤，且測量時間短；更接近現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)下實際情況；節(jié)省測量用水，且攜帶方便，易于野外測量。
文檔編號G01N33/24GK2854559SQ20052014690
公開日2007年1月3日 申請日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月26日
發(fā)明者雷廷武, 江培福, 武陽, 李鑫, 毛麗麗 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學