土壤測(cè)量的儀器3.1土壤濕度測(cè)量?jī)x器土壤含水量的兩種表示方法：數(shù)量法（重量百分?jǐn)?shù)、體積百分?jǐn)?shù)）能量法（水勢(shì)）數(shù)量法（重量百分?jǐn)?shù)、體積百分?jǐn)?shù)）返回能量法——水勢(shì)（Waterpotential）1907年Buckingham提出；土水勢(shì)的定義：為了可逆低等溫地在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下從指定高度的純水水體中移動(dòng)無(wú)窮小量的水到土壤水分中去，每單位數(shù)量的純水所需做功的數(shù)量；同一土壤中，濕度越大，土壤水能量水平愈高，土壤水勢(shì)也愈高；土壤水總是從土水勢(shì)高出流向土水勢(shì)低處；當(dāng)濕度相同時(shí)，水勢(shì)的大小次序：砂土>壤土>粘土。土水勢(shì)的定量表示方法單位容積土壤水的勢(shì)能用壓力單位。標(biāo)準(zhǔn)單位是：帕斯卡（Pa），也可以使用千帕（KPa）、兆帕（MPa）、巴（bar）、大氣壓（atm）、厘米水柱（cmh2o）。正常情況下，土壤水勢(shì)是負(fù)值。能量法和數(shù)量法的關(guān)系

——土壤水分特征曲線土壤水吸力=-土壤水勢(shì)能量法的優(yōu)點(diǎn)：可以作為判斷各種土壤水分能態(tài)的同一標(biāo)準(zhǔn)和尺度；對(duì)土水勢(shì)的研究還能提供一些精確的土壤水分狀況測(cè)定手段；（水分特征曲線）土水勢(shì)的數(shù)值可以在土壤-植物-大氣之間統(tǒng)一使用，把土水勢(shì)、根水勢(shì)、葉水勢(shì)、空氣的水汽壓等統(tǒng)一比較，判斷它們之間水流的方向、速度和土壤水的有效性。（SPAC）返回SPAC系統(tǒng)Soil-Plant-AtmosphereContinuum。澳大利亞著名水文學(xué)家Philip（1966），提出了土壤—植物—大氣連續(xù)體（SPAC）的概念。主要內(nèi)容（以水為例）是：水分經(jīng)由土壤達(dá)到植物根系，進(jìn)入根系，通過(guò)細(xì)胞傳輸。進(jìn)入植物莖，由植物木質(zhì)部到達(dá)葉片，再由葉氣孔擴(kuò)散到空氣層，最后參與大氣的湍流交換，形成一個(gè)統(tǒng)一、動(dòng)態(tài)的互反饋連續(xù)系統(tǒng)，即土壤—植物—大氣連續(xù)體系統(tǒng)。Anoverviewoftransportinwholeplants(Layer1)Anoverviewoftransportinwholeplants(Layer2)Anoverviewoftransportinwholeplants(Layer3)Anoverviewoftransportinwholeplants(Layer4)SoilPlantAtmosphereWaterSystemLocation

YSoil(1m) -0.3Soilatroot -0.5Xyleminroot -0.6Xyleminleaf(10m) -0.8Airinleaf -6.9Airnearleaf -70.0Airawayfromleaf -95.0Waterpotentialinthesoil-plant-atmospherecontinuum返回3.1土壤濕度測(cè)量?jī)x器土壤含水量間接測(cè)量和直接測(cè)量的兩種方法中，間接測(cè)量方法被認(rèn)為是更有前途的。直接測(cè)量——土鉆法電阻土壤濕度計(jì)負(fù)壓計(jì)(張力計(jì))中子土壤濕度計(jì)TDR法FDR法3.1.1直接測(cè)量——土鉆法

通過(guò)用土鉆采取土樣、烘干、稱重再計(jì)算出水的克數(shù)與干土之比的百分率。即：3.1.2電阻土壤濕度計(jì)電阻土壤濕度計(jì)是根據(jù)土壤含水量與土壤溶液導(dǎo)電性的密切關(guān)系，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)固定電極間土壤溶液的電阻來(lái)測(cè)定土壤濕度的儀器。

原理：土壤溶液的導(dǎo)電基本符合歐姆定律V=IR。需要注意的是：土壤溶液的導(dǎo)電是離子導(dǎo)電。它受溫度、土壤鹽分以及電極與土壤接觸的緊實(shí)狀況等許多因素的影響，因而不能直接使用裸露電極。通常是把兩根金屬電極嵌于各種微孔介質(zhì)塊中（如石膏、多孔陶瓷、尼龍玻璃纖維等），構(gòu)成感濕元件（常稱電阻塊），將其埋入土壤中，待感濕元件與土壤水分取得平衡后，再測(cè)量其電導(dǎo)率。

石膏塊永久埋入土壤中，壽命為3到5年。這種方法適用于干燥土壤環(huán)境（張力計(jì)無(wú)法使用）。測(cè)量范圍：3-100kPa。3.1.3負(fù)壓計(jì)(張力計(jì))儀器能在田間連續(xù)測(cè)定土壤總吸力，它以巴為單位，故測(cè)定結(jié)果便于與大氣水汽壓和植物的水勢(shì)聯(lián)系起來(lái)分析使用；

張力計(jì)的適用工作范圍是在0～1.0×105Pa；可以用于指導(dǎo)灌水。3.1.4中子土壤濕度計(jì)(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)用途：

可測(cè)量土壤等被測(cè)物深達(dá)10米的剖面含水量。原理組成：

探頭：由快中子源（40毫居里镅鈹環(huán)狀源）和一個(gè)慢中子檢測(cè)器組成。

計(jì)數(shù)器：監(jiān)測(cè)被測(cè)物散射的慢中子通道。3.1.4中子土壤濕度計(jì)(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)原理：基本原理是利用中子的散射特性。利用中子熱化原理，快中子源發(fā)出的中子在遇到氫原子后，失去部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成慢中子，儀器根據(jù)測(cè)出的慢中子數(shù)量計(jì)算出被測(cè)物含水量。3.1.4中子土壤濕度計(jì)(NeutronScatteringSoilMoistureMeter)中子濕度計(jì)示意圖中子儀的優(yōu)點(diǎn)：它沒(méi)有感應(yīng)器與土壤水分平衡的滯后期，所以測(cè)量速度快。測(cè)定時(shí)不需取樣，從而可不破壞土壤結(jié)構(gòu)（當(dāng)然在安置測(cè)量導(dǎo)管時(shí)要有一定的破壞作用），并能監(jiān)測(cè)一定范圍的土體（直徑約20cm）,消除了局部變化的影響。測(cè)量范圍可以從飽和到絕對(duì)干燥的土壤濕度，同時(shí)土壤中鹽類含量的影響可以忽略。

中子儀的缺點(diǎn)：由于所測(cè)的是以中子源為中心，半徑約20cm的土體，因此在田間測(cè)量表層土壤濕度時(shí)，會(huì)有部分中子逸出土表，限制了表層附近的測(cè)量精度，同時(shí)“環(huán)境污染”；對(duì)于根系分布密度大或有機(jī)沉積物含量高的土壤，在測(cè)量時(shí)也會(huì)造成誤差；其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，使用時(shí)需有一定的防護(hù)措施更限制了儀器的廣泛應(yīng)用。3.1.5TDR法TimeDomainReflectometry（時(shí)域反射儀）根據(jù)探測(cè)器發(fā)出的電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中的傳輸時(shí)間的不同，計(jì)算出被測(cè)物含水量。水是決定土壤介電常數(shù)的主要因素，因此可以使用TDR的原理來(lái)測(cè)量土壤的含水量。TRIMET3與TRIMEP3系列TDR土壤含水量測(cè)量系統(tǒng)TDR高精度土壤水分測(cè)試儀TRIME的智能針式探頭是一種高技術(shù)含量的堅(jiān)固耐用的產(chǎn)品，其獨(dú)特之處在于在探頭中結(jié)合了TDR的電子測(cè)量線路，從而可以提供很高的精度，并提供了最佳網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能（傳感器的線纜長(zhǎng)度可能長(zhǎng)達(dá)3公里而無(wú)須任何的放大裝置）。TRASE土壤含水量監(jiān)測(cè)計(jì)3.1.6FDR法FrequencyDomainReflectometry

該系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量電解質(zhì)常量的變化量測(cè)量土壤的水分體積含量，這些變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c土壤濕度成比例的毫伏信號(hào)。SMS2高精度土壤水分測(cè)量?jī)x3.2土壤蒸發(fā)的測(cè)量?jī)x器

蒸散量是農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)項(xiàng)目之一，是對(duì)田間土壤蒸發(fā)和作物蒸騰總量的測(cè)定，又稱農(nóng)田總蒸發(fā)（蒸散）測(cè)定（Evapotranspiration）。其測(cè)定資料在農(nóng)業(yè)氣候干濕評(píng)定、農(nóng)田灌溉管理、作物產(chǎn)量估測(cè)和土壤水分預(yù)報(bào)等方面均有廣泛的用途。3.2.1小型土壤蒸發(fā)器3.2.2農(nóng)田蒸滲儀3.2.3山東禹城大型蒸滲儀3.2.1小型土壤蒸發(fā)器土壤蒸發(fā)器是通過(guò)稱量一定容積自然狀態(tài)土體，在一定時(shí)間間隔內(nèi)的重量變化來(lái)確定該時(shí)段土壤蒸發(fā)量的。3.2.1小型土壤蒸發(fā)器體積小，誤差大；稱重系統(tǒng)，使用不方便；無(wú)法考慮地下水的影響。3.2.2農(nóng)田蒸滲儀（Lysimeter）TheLysimeterisafullyautomaticweighingsystemdesignedformonitoringweightchangesinSPACsystemallowingresearcherstoassessinformationsuchasevapotranspirationandsoilnutrientuptakes.

農(nóng)田蒸滲儀是在SPAC系統(tǒng)中，為了監(jiān)測(cè)其重量的變化而設(shè)計(jì)的一種全自動(dòng)的稱重系統(tǒng)，可以使研究者獲得土壤蒸散以及養(yǎng)分運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。3.2.2農(nóng)田蒸滲儀（Lysimeter

由于蒸滲計(jì)的內(nèi)容器大，可以栽種大量的各種作物，因而取樣代表性大，又能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，所以它是一種廣泛用于科研的農(nóng)田蒸散的測(cè)定儀器。世界上許多國(guó)家（英國(guó)、加拿大、法國(guó)、澳大利亞和俄羅斯）都在有關(guān)的科研基地上建造有各種形式的大型蒸滲計(jì)。近幾年來(lái)，我國(guó)也開(kāi)始建造，使用這樣的蒸滲計(jì)。

蒸滲儀的示意圖LysimeterⅠloadcellsensorsLysimeter

Ⅰaseriesofloadcellsensors

Lysimeter

ⅡLysimeter

ⅢLysimeter

ⅣLysimeter

ⅤLysimeter

ⅤLysimeter

Ⅵ蒸滲儀的一般應(yīng)用:測(cè)定蒸散總量，或土壤蒸發(fā)量和蒸騰量，研究農(nóng)作物的耗水規(guī)律；和其他儀器一起測(cè)定土壤水中各種化學(xué)成分的含量；研究化肥和農(nóng)藥對(duì)土壤水和地下水的影響。蒸滲儀的測(cè)量原理農(nóng)田土壤水量平衡方程△S為時(shí)段開(kāi)始與終了時(shí)土層汗水量的差值；P為降水量；I為灌溉水量；N為毛管水上升到該土層的水分；D為滲漏到土層以下的水分；T為作物蒸騰量；E為土壤水分蒸發(fā)量；R為地面徑流。各項(xiàng)單位通常用mm表示。PrecipitationIrrigationRunoffEvapotranspirationRiseSeepageEvapotranspirationPrecipitationQuantity3.2.3山東禹城大型蒸滲儀中國(guó)科學(xué)院綜合試驗(yàn)站(簡(jiǎn)稱禹城站)位于山東省禹城市。建于1979年，是中國(guó)科學(xué)院對(duì)外開(kāi)放試驗(yàn)站、中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站、聯(lián)合國(guó)環(huán)境總署陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站(GTOS)、國(guó)家重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站(試點(diǎn)站)。1989年建設(shè)了蒸滲儀。山東禹城大型蒸滲儀禹城地區(qū)位于山東省境內(nèi)的黃河下游沖積平原上，受黃河引水的影響，區(qū)內(nèi)地下水埋深較淺，常年在0.2m到4.2m之間變動(dòng)，由于地下水埋深淺，地下水和土壤水的交換關(guān)系十分活躍。在這類地區(qū)開(kāi)展SPAC系統(tǒng)的研究，必須考慮地下水的影響，構(gòu)成地下水—土壤—植物—大氣連續(xù)體（GSPAC）系統(tǒng)山東禹城大型蒸滲儀組成（1）主體系統(tǒng)蒸滲儀的主體系統(tǒng)是指裝有飽和非飽和土住的鋼簡(jiǎn)、外壁以及土壤中的測(cè)試儀器．土柱表面積為3.14m2，可以種植1500株小麥或21株玉米，土柱深達(dá)5m，以滿足土壤剖面上地下水位不斷變動(dòng)的要求，地下水位最深為4.2m。土柱中的測(cè)試儀器包括負(fù)壓計(jì)、中子水分儀、鹽分傳感器、土壤溶液提取器和溫度計(jì)等．山東禹城大型蒸滲儀組成各儀器埋設(shè)深度(單位：cm)如下：負(fù)壓計(jì)：20，40，50，60，70，80，90，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300，330，360，390，420，450鹽分傳感器：5，15，25，40，70，110，160，220溶液提取器：30，50，100，150，200溫度計(jì)：0，10，20，30，40，60，100，150，200山東禹城大型蒸滲儀組成（2）稱重系統(tǒng)蒸滲儀鋼筒與土柱重約30Mg，當(dāng)土壤含水量增大時(shí)，重量也隨之增大，最重可達(dá)34Mg．盡管如此重的土柱，蒸滲儀要求有較高的分辨率．在禹城地區(qū)，年潛在蒸騰蒸發(fā)量為900—950mm，平均日蒸騰蒸發(fā)量只有2.6mm。據(jù)此，蒸滲儀的分辨率是按0.02mm設(shè)計(jì)的山東禹城大型蒸滲儀組成（3）供排水系統(tǒng)為了模擬地下水的實(shí)際狀態(tài)，需向蒸滲儀內(nèi)加入或排出一定水量使內(nèi)外地下水位保持一致。供排水系統(tǒng)包括供水箱、排水箱、Mariotte瓶和供排水管道。Mariotte瓶可以沿豎直導(dǎo)軌上下移動(dòng)通過(guò)向蒸滲儀內(nèi)加入或排出一定水量控制蒸滲僅內(nèi)地下水位。加入或排出的水量由供水箱和排水箱測(cè)量得出。大型蒸滲儀功能:測(cè)量具有地下水毛管上升補(bǔ)給條件下的農(nóng)田實(shí)際耗水量和潛水蒸發(fā)量，進(jìn)而分析研究地下水對(duì)農(nóng)田耗水量的作用和貢獻(xiàn)。研究不同土壤類型、不同地下水埋深對(duì)農(nóng)田耗水和土壤水入滲的影響。研究作物耗水量、棵間蒸發(fā)量和合理的農(nóng)田灌溉制度。建立GSPAC系統(tǒng)分析模型，優(yōu)選和確定各類參數(shù)。研究與水分運(yùn)動(dòng)有關(guān)的土壤養(yǎng)分、化學(xué)元素和污染物質(zhì)在土壤中運(yùn)移和轉(zhuǎn)化的規(guī)律。和同類儀器的比較:面積大。表面積為3.14m2，可種植冬小麥約1000株，玉米或棉花約20株。深度深。土體深度為5m,并有采用馬里奧特瓶控制土柱內(nèi)水位變化的供水系統(tǒng)，能模擬地下水位淺埋條件下地下水積極參與GSPAC系統(tǒng)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的實(shí)際過(guò)程，并能同時(shí)測(cè)量作物耗水量和潛水蒸發(fā)量。原理新。稱量系統(tǒng)采用非平衡測(cè)定原理及零點(diǎn)偏置電路，精度高，可以靈敏地反映出0.02mm的變化。可控性?？扇斯せ蛴?jì)算機(jī)觀測(cè)與控制。研究結(jié)果例：1998年10月8日到1999年6月7日采用蒸滲儀對(duì)冬小麥生長(zhǎng)期進(jìn)行了測(cè)量。研究結(jié)果例：水量平衡：冬小麥生長(zhǎng)期間，農(nóng)田水平衡中最主要的支出項(xiàng)農(nóng)田騰發(fā)量累計(jì)為456.66mm。用于供給農(nóng)田蒸散量以滿足冬小麥耗水的水分來(lái)源有三種：天然降水、地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給和人工灌溉。冬小麥生長(zhǎng)期為一年中的干旱季節(jié)，累計(jì)降水量?jī)H為115.3mm，占農(nóng)田蒸散量的25.3％。冬小麥生長(zhǎng)期地下水埋深在1.60—2.40m之間變動(dòng)，地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量累計(jì)可達(dá)75.61mm，約占農(nóng)田蒸散量的16.6％；累計(jì)灌溉水量為275.31mm，成為冬小麥生長(zhǎng)期間土壤水分的主要補(bǔ)給來(lái)。研究結(jié)果例：土壤水分和水勢(shì)TDRWateristheprimaryfactorindeterminingthedielectricconstantofsoil.TheTDRsoilmoisturesensormeasuresthedielectricconstant,whichisdirectlyrelatedtowatercontentinreasonablegrowingconditions.Theprobeconsistsofasmallelectronicmoduleencapsulatedforenviron