RYY4-1型土壤湿度仪的设计与应用

    1　概述

    土壤水是一种稀薄的溶液,它在土壤中受到各种力的作用,处于不断变化和运动状态。与自由水相比,土壤水在受力状态下它的自由能有所降低。这种势能的负变化定义为土水势,土水势负值的绝对值越大,土壤水的自由能越低,它是反映土壤水能量状态的指标。土水势包括四个分势:基质势、渗透势、重力势、压力势,其中重力势、压力势为正值;基质势、渗透势为负值。基质势、渗透势又统称土壤水吸力。在非盐碱土质地区土壤水吸力主要是指基质势。

    土水势与土壤水含量的关系、土水势与土壤水运动的关系是和农业生产有着密切联系而受到普遍关注的两个方面。物理定理表明在孤立系统中,物质在恒温条件下总是由高势能处向低势能处移动。所以在满足上述条件的前题下,有水力联系的相邻两点土壤水具有不同的热势能时,即产生土壤水的运动;而且土壤水总是从势能高处向势能低处运动。从植物被动吸水的机理分析,植物要从土壤中吸取水分,植物根系四周土壤的土水势必需大于植物的根水势。这就是测量土水势对指导农业生产的意义所在。土水势与土壤水含量的关系常用土壤水吸水和土壤含水量的相关曲线表示,该曲线称为土壤水分特性曲线。土壤水分特性曲线是通过测定原状土样在各种土壤水吸力下的土壤含水量而绘制的。土壤水分特性曲线不是单一的曲线,土壤脱水过程和土壤吸水过程的土壤水分特性曲线呈滞后状不重合;而且不同质地土壤的土壤水分特性曲线有比较大的差异。尽管如此,只要掌握当地土壤一定数量的资料,仍有可能用土壤水吸力值来估算土壤水含量。

    应用土水势的方法研究土壤水分是二十世纪土壤水研究的重要进展。而且随之开发了很多利用不同原理进行测量的土水势测量仪器。有的是测量总土水势,如水汽压法;有的是测量土水势的分势,如张力计法、压膜法;有的适合在室内使用,有的可在田间进行原位测量。

    使用张力计测量土壤水吸力,虽然测量精度还受到土壤结构和温度等其他因素的影响,但它可以在田间进行连续的原位测量,使用维护简单。它的测量范围为0至80kPa,可满足大部分作物田间管理的需要。对于非盐碱土质地区,它能在一程度上能满足生产上的需要,所以仍不失为一种简单、实用的土壤水吸力测量方法。而且采用张力计和压力传感器相配合的方法进行测量,可以提高农业灌溉自动化水平,具有一定的推广价值。

    2　工作原理

    张力计是感应土水势的一次传感器,其下端装有一素烧瓷杯,瓷杯壁上孔隙的孔径约1.0～1.5微米。当张力计充水时,瓷杯壁上的孔隙水具有一定的张力,这种张力允许有压水通过孔隙,而对空气起阻止作用。将张力计内装满不含气体的水,密封后埋入土壤中,使瓷杯体与土壤紧密接触。张力计中的水通过瓷杯壁上的孔隙与土壤水分建立水力联系。在这个系统中,当张力计内外的水势大小不同时,水将由高水势处向低水势处运动,直至张力计内外水的势能达到平衡。除四周土壤水分处于饱和状态外,在土壤水吸力的作用下张力计内的部分水会向外运动而使张力计内形成负压。测量张力计内负压的大小即可得到土壤水吸力的值。在此基础上用压力变送器和单片机系统进行二次感应和A/D转换完成土壤水吸力的测量过程。其中A/D转换是在硬件电路的基础上用软件按标定参数计算完成的。