小e講堂の捋一捋土壤墑情監(jiān)測(cè)相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵概念!
2017-07-13 10:25:50
點(diǎn)將科技系統(tǒng)集成部
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農(nóng)業(yè)是人類(lèi)的根基，各國(guó)每年花大量的資金投入土壤墑情監(jiān)測(cè)。國(guó)外有很多企業(yè)從事針對(duì)農(nóng)業(yè)的墑情、氣象、灌溉相關(guān)服務(wù)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈、商業(yè)化、市場(chǎng)化都比較成熟。
近年來(lái)，在中國(guó)從事與土壤墑情、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)產(chǎn)品及服務(wù)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)企業(yè)中，數(shù)家企業(yè)的年?duì)I業(yè)額都已經(jīng)突破億元，并成為了資本市場(chǎng)搶手的企業(yè)。
在水資源分布不平衡（部分地方非常緊缺）、氣候變化加劇、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)智能硬件異軍突起、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力匱乏、大量投資轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)行業(yè)等背景下，這實(shí)際上已經(jīng)成為了很少有人看到的風(fēng)口。
小e從事墑情相關(guān)工作多年，站在風(fēng)口，感覺(jué)風(fēng)越來(lái)越大。最近越來(lái)越多地被咨詢這些問(wèn)題：
土壤的體積含水量、重量含水量、相對(duì)含水量有什么區(qū)別？
土壤水分傳感器測(cè)量得到的是體積含水量還是重量含水量？
如何才能測(cè)出土壤的相對(duì)含水量？
小e原想把這些問(wèn)題的答案寫(xiě)在手機(jī)備忘錄上，有人詢問(wèn)就復(fù)制粘貼微信發(fā)出，后來(lái)一想，這樣的效率還是不高，浪費(fèi)時(shí)間不少，關(guān)鍵的是：需要寫(xiě)出一篇自成體系的文章出來(lái)，把事情的來(lái)龍去脈講清楚。
本文分三個(gè)部分?：
第一部分是幾個(gè)基礎(chǔ)概念的定義，放在一起，避免新接觸該行業(yè)的朋友分別去百度搜索。
第二部分是本文的核心干貨，約3000個(gè)文字，從土壤水分監(jiān)測(cè)歷史發(fā)展的角度介紹了能被商業(yè)化使用的土壤水分傳感器的發(fā)展歷程，順帶解釋了體積含水量、相對(duì)含水量這些基本概念。
第三部分寫(xiě)土壤墑情的未來(lái)，對(duì)于已經(jīng)踏入或準(zhǔn)備踏入該行業(yè)的朋友，一定要思索未來(lái)會(huì)發(fā)生什么，才有機(jī)會(huì)站到或靠近這個(gè)特別的風(fēng)暴口。
一、純概念定義（不喜歡看概念定義的請(qǐng)?zhí)x后續(xù)干貨）
1、土壤含水量：一般是指土壤絕對(duì)含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也稱(chēng)土壤含水率。
2、重量含水量：是指土壤中水分的重量與相應(yīng)固相物質(zhì)重量的比值。
3、體積含水量：是指土壤中水分占有的體積與土壤總體積的比值。
4、飽和含水量：是指土壤顆粒間所有孔隙都充滿水時(shí)的含水量。
5、相對(duì)含水量：一般是指土壤含水量占田間持水量的百分?jǐn)?shù)。
6、田間持水量：指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量，田間持水量是大多數(shù)植物可利用的土壤水上限。
二、土壤“墑情”的來(lái)龍去脈
墑，是指適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育的土壤濕度。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常有搶墑、保墑、跑墑之說(shuō)。土壤墑情是否適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育就如同人是否有飯吃，人可以吃固態(tài)、液態(tài)、各種千奇百怪的食物，而植物只能靠龐大的根系從土壤中吸收水分，順帶把溶解在土壤水分中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收到身體中。偉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參與下才能完成。因此，土壤墑情的測(cè)報(bào)工作對(duì)人類(lèi)極為重要。
那么，問(wèn)題來(lái)了，如何測(cè)報(bào)土壤墑情才能反應(yīng)土壤濕度是否處于適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育的狀態(tài)呢？
由此，一大波與土壤墑情狀況相關(guān)的概念被人們整出來(lái)了（建議跳過(guò)、不用閱讀本段人們創(chuàng)造的N多概念），比如：體積含水量、重量含水量、相對(duì)含水量、飽和含水量、田間持水量、作物缺水脅迫、凋萎點(diǎn)、萎蔫系數(shù)、灌溉水利用系數(shù)、土壤重力水、土壤毛管水、土壤吸濕水、土壤膜狀水（薄膜水）、土壤束縛水、土壤自由水、化學(xué)結(jié)合水、地下水、旱災(zāi)、澇災(zāi)、特大干旱、嚴(yán)重干旱、中度干旱、輕度干旱、土壤水分特征曲線、土壤導(dǎo)水率、土壤水?dāng)U散率、土壤粒徑……
不就是一個(gè)土壤濕度嗎？要按人類(lèi)現(xiàn)有的知識(shí)框架正確表達(dá)清楚，得搞懂相關(guān)的概念至少二十八個(gè)，嚇?biāo)缹殞毩耍〔慌?，本文就把土壤墑情的事說(shuō)清楚、道明白！
首先，歷史以來(lái)，人們都是如何判斷識(shí)別土壤濕度情況的呢？
可以用眼睛看，但是眼睛不能夠在不同的人之間形成共同溝通交流的標(biāo)準(zhǔn)?？梢杂檬帜螅檬帜笠话淹寥廊缓蠓砰_(kāi)手，看土壤松散情況，但是，不同的人之間捏一把土的用力程度有差異，也不能形成人們共同的標(biāo)準(zhǔn)。
既然眼睛和手都不靠譜，能不能通過(guò)直接加熱讓水分揮發(fā)的方式（對(duì)比加熱前后土壤的重量差異）看看土壤中究竟有多少水呢？恒溫箱烘干法、酒精燃燒法、紅外線烘干法等都被使用。恒溫箱烘干稱(chēng)重法一直被認(rèn)為是很經(jīng)典和很準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)方法。
顯然，烘干稱(chēng)重法得到的是重量含水量
烘干法的優(yōu)點(diǎn)是就樣品本身而言結(jié)果可靠，但它的缺點(diǎn)也是明顯的。取樣時(shí)會(huì)破壞土壤，深層取樣困難，定點(diǎn)測(cè)量時(shí)不可避免由取樣換位而帶來(lái)誤差。在很多情況下難以進(jìn)行長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)且受土壤空間變異性影響也比較大。取土烘干操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，至少需8小時(shí)以上，還需要烘干燥箱及電源，完全不適合野外作業(yè)，不可能規(guī)模化的應(yīng)用。
發(fā)明機(jī)器是人類(lèi)的專(zhuān)長(zhǎng)，既然稱(chēng)重烘干法的缺點(diǎn)如此嚴(yán)重，人們都基于科學(xué)原理發(fā)明了哪些機(jī)械儀器來(lái)測(cè)量土壤中水分呢？（提前說(shuō)一句，在所有測(cè)量土壤水分的方法中，只有烘干法得到的是重量含水量，因?yàn)樵诤娓煞ㄖ斜仨毷褂霉ぞ撸悍Q(chēng)重量的稱(chēng)。）
20世紀(jì)50年代，曾經(jīng)很牛的土壤水分儀器誕生——中子儀。由于每個(gè)水分子中含有兩個(gè)氫原子，利用中子源輻射的快中子，碰到氫原子時(shí)慢化為熱中子，通過(guò)熱中子數(shù)量與土壤含水量之間的相關(guān)關(guān)系，來(lái)確定土壤水分的多少。
世界上很多國(guó)家對(duì)中子儀進(jìn)行研究，使中子法日趨完善。中子法十分適用于監(jiān)測(cè)田間土壤水分動(dòng)態(tài)，套管安放后不破壞土壤，能長(zhǎng)期定位連續(xù)測(cè)定，不受滯后作用影響，測(cè)深不限，中子儀還可與自動(dòng)記錄系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)連接，因而成為田間原位測(cè)定土壤含水量較好的方法并得到廣泛應(yīng)用。
然并卵，需要田間校準(zhǔn)是中子法的主要缺點(diǎn)之一，另外，儀器設(shè)備昂貴，一次性投人大，單臺(tái)儀器10萬(wàn)人民幣以上。中子法的土壤采樣范圍為一球體，這使得在某些情況下測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差，比如在中子儀附近有一個(gè)蘿卜，則蘿卜的水分也被視為土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，另外，土壤處于干燥或濕潤(rùn)周期時(shí)、層狀土壤、表層土壤等情況，都會(huì)造成數(shù)據(jù)偏差。此外，中子儀還存在潛在的輻射危害。
20世紀(jì)70年代，當(dāng)今被廣泛應(yīng)用的土壤水分儀誕生——介電法水分儀。
介電法是利用了物質(zhì)材料（這里的物質(zhì)材料就是土壤）的介電常數(shù)特性。介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)的原理（初中物理哦）
從電磁角度看，在常溫常壓下自由水的介電常數(shù)為80，土壤固體顆粒約為3，空氣為1。因此，與土壤中的固體顆粒和空氣相比，水的介電常數(shù)在土壤中處于支配地位，土壤水分含量越高，介電常數(shù)值就越大。許多試驗(yàn)表明，無(wú)論土壤的構(gòu)成成分與質(zhì)地有何差異，土壤介電常數(shù)與容積含水量總是呈非線性單值函數(shù)關(guān)系。眾所周知的TDR法、FDR法、FD法、電容法土壤水分儀都屬于介電法水分儀。20世紀(jì)90年代后，國(guó)際上把介電法水分儀作為研究土壤水分的基本儀器設(shè)備。
沒(méi)有一種產(chǎn)品能夠一統(tǒng)天下，目前市面上還有另外一類(lèi)水分儀占有一定市場(chǎng)——張力計(jì)。
張力計(jì)測(cè)量的是土壤的基質(zhì)勢(shì)。張力計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)是在土壤比較濕潤(rùn)的情況下測(cè)量土壤基質(zhì)勢(shì)很準(zhǔn)確,適合于灌溉和水分脅迫的監(jiān)測(cè)。與測(cè)量土壤容積或重量含水量的方法相比,張力計(jì)法受土壤空間變異性的影響比較小。它還是一種低成本設(shè)備的直接測(cè)量方法,能夠連續(xù)測(cè)量。
張力計(jì)法的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在反應(yīng)慢，需要長(zhǎng)時(shí)間平衡后才能讀數(shù)；測(cè)量范圍小，非常干燥的土壤中不適合。如果瓷杯與土壤接觸不緊密(如放置在根系活動(dòng)范圍內(nèi)或有機(jī)肥分解產(chǎn)生氣體的地方或土壤失水收縮嚴(yán)重時(shí))，會(huì)引起讀數(shù)的反應(yīng)遲鈍或停滯。在測(cè)量過(guò)程中,特別是在高溫干旱季節(jié)，需要經(jīng)常養(yǎng)護(hù)和給瓷杯補(bǔ)充水分。毛瓷杯易損壞，需要定期維護(hù)和更換，勞力和時(shí)間消耗非常多，運(yùn)行費(fèi)用較高。
需要強(qiáng)調(diào)，在上述眾多方法中，除了使用烘干法得到重量含水量、使用張力計(jì)測(cè)量得到土壤水勢(shì)以外，目前地球上存在的其它各種土壤水分儀器測(cè)量得到的都是體積含水量。
體積含水量是指在一定體積的土壤中，水分所占的體積比例。比如測(cè)得20%的體積含水量就是指一塊體積為100毫升的土壤中含有20毫升的水分。
事實(shí)上，體積含水量的表達(dá)方式更為科學(xué)。自然界土壤中的水分是以體積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間分布范圍內(nèi)的水分。
然而，問(wèn)題出現(xiàn)了：用儀器測(cè)量到了土壤水分含量的部分?jǐn)?shù)據(jù)，離掌握土壤墑情還差十萬(wàn)八千里。因?yàn)?，測(cè)量得到的土壤水分含量是單點(diǎn)靜態(tài)的數(shù)據(jù)，反應(yīng)植物適宜土壤濕度的墑情則是一個(gè)動(dòng)態(tài)的土壤濕度范圍。這個(gè)動(dòng)態(tài)的土壤濕度范圍和土壤類(lèi)型、植物類(lèi)型、植物的生育階段狀態(tài)、天氣環(huán)境狀況等一系列因素相關(guān)。
怎么辦呢？一個(gè)NB的概念被創(chuàng)造使用了：相對(duì)含水量。
相對(duì)含水量的概念拋開(kāi)了上述復(fù)雜相關(guān)因素，僅從一個(gè)關(guān)鍵維度考慮問(wèn)題：土壤吸水能力的差異性。比如，某砂性土壤的吸水能力是體積含水量18%（當(dāng)含水量高于18%時(shí)，水在重力的作用下下滲，anyway，最終該砂性土僅能把持、hold住占土壤體積18%的水分）。于是，假如某時(shí)刻測(cè)量到含水量為9%，該時(shí)刻的相對(duì)含水量=9%/18%=50%，這樣就簡(jiǎn)單明了了：當(dāng)前的含水量狀態(tài)相對(duì)于土壤的最大吸水能力狀態(tài)處于50%的水平。
相對(duì)含水量在政府墑情測(cè)報(bào)中使用很廣泛。其中就有根據(jù)土壤相對(duì)含水量(R)的干旱等級(jí)指標(biāo)：60<R，無(wú)旱；50 <R≤60，輕度干旱；40 <R≤50，中度干旱；30 <R≤40，重度干旱；R≤30，特別重度干旱。
相對(duì)含水量固然好，問(wèn)題隨之來(lái)了：如何準(zhǔn)確確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤最大吸水能力呢？
這涉及兩個(gè)概念：田間持水量和飽和含水量。
田間持水量（簡(jiǎn)稱(chēng)：田持）指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量，是大多數(shù)植物可利用的土壤水上限。
飽和含水量也稱(chēng)飽和持水量，是指土壤孔隙全部充滿水分時(shí)的最大含水量。
相對(duì)含水量就是當(dāng)前測(cè)得含水量與田間持水量或者飽和含水量的比值。對(duì)于經(jīng)常發(fā)生澇災(zāi)的地方，使用當(dāng)前含水量比上飽和含水量，直接反映澇災(zāi)狀態(tài)；對(duì)于經(jīng)常干旱需要灌溉的地方，使用當(dāng)前含水量比上田間持水量，直接反映田間干旱程度狀態(tài)。
然而，從田間持水量和飽和含水量的概念就能看出，這是需要實(shí)測(cè)才能得到的數(shù)值，不同土質(zhì)、不同的土壤結(jié)構(gòu)相差巨大，即使同一個(gè)地點(diǎn)的土壤，由于農(nóng)機(jī)耕整地、農(nóng)藝措施的差異，都將導(dǎo)致田間持水量和飽和含水量的不同。
問(wèn)題出現(xiàn)了：實(shí)測(cè)田間持水量和飽和含水量的費(fèi)用、時(shí)間成本都是巨高的。況且，土壤的不一致性決定了：只有當(dāng)水分儀測(cè)量位置和實(shí)測(cè)田間持水量、飽和含水量位置一致時(shí)，所得到的相對(duì)含水量才是科學(xué)的。
因此，得到客觀準(zhǔn)確的相對(duì)含水量并不是一件容易的事情。
文章來(lái)源：E生態(tài)