土壤水分利用率（精选12篇）
土壤水分利用率 篇1
摘要：为缓解干旱区水资源短缺,提高作物的水分利用效率,以武威地区春小麦为研究对象,通过控制不同生育期计划湿润层深度来实现根区土壤水分的垂向调节,研究根区土壤水分垂向调控对春小麦水分利用的影响。结果表明:通过控制不同生育期计划湿润层深度可以实现对根区土壤水分分布及作物根系分布的调控,也会对土壤水的吸收、利用造成较大影响。以灌溉水利用效率为衡量指标,来评价各处理节水效果,最优调控方案为:灌水下限为65%田间持水量,苗期计划湿润层深度为40cm,拔节期计划湿润层深度为50cm,抽穗期至成熟期的计划湿润层深度为60cm。
关键词：计划湿润层深度,春小麦,水分利用效率,土壤水分
0 引言
通过灌溉方法可以人为控制土壤水分剖面分布,以此调节根系生长分布,根系空间分布与土体水量分布状况极为一致[1,2,3]。根系在土壤中的分布状况,在很大程度上决定着作物对不同土层水分的吸收,也会影响到根区土壤水分的分布[4,5,6]。作物的根系分布及所处的土壤水分环境与作物的水分利用效率有着直接的关系[7]。可见,通过调控根区土壤水分来提高作物的水分利用效率是可行的。
以往的研究中多以灌水量为控制指标来调控土壤水分分布,研究内容也多是围绕灌水量展开的讨论[1,4,5,6]。本文以武威地区春小麦为研究对象,通过控制不同生育期计划湿润层深度来实现根区土壤水分的垂向调节,具体分析了根区土壤水分垂向调控措施对春小麦根系生长及分布、土壤水分分布及作物生物量、产量、水分利用的调控效果,旨在获得能够提高当地春小麦水分利用效率的最优根区土壤水分垂向调控方案,为缓解干旱区水资源短缺提供技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于2014年3月-7月在甘肃武威市中国农业大学石羊河流域节水试验站进行。试验地概况见文献[8]。试验选用春小麦为研究对象,共设置3个处理。根据春小麦不同生育期的生长特性及需水状况,在其不同生育阶段设不同计划湿润层深度。在苗期,春小麦根系短、需水量较少,计划湿润层深度设30cm(T1)、40cm(T2)、50cm(T3)3个水平。在拔节期,春小麦根系增长、需水量增大,计划湿润层深度设40cm(T1)、50cm(T2)、60cm(T3)3个水平。在抽穗至成熟期春小麦根系与需水量均较大,计划湿润层深度设50cm(T1)、60cm(T2)、70cm(T3)3个水平。上述处理均以田间持水量为灌水上限,以65%田间持水量为充分灌溉灌水下限,灌水方式采用地面畦灌。每个处理设置3个重复,共计9试验小区,小区面积为16m2(4m×4m),采用随机区组排列并设有保护行。春小麦于3月24号播种,播种密度为300万株/hm2,行距为15cm,7月25号收获。播种前施入尿素180kg/hm2,整个生育期内不施肥。当各处理的平均含水率达到土壤含水率下限时进行灌水。
1.2 测定项目和方法
(1)土壤水分测定:用烘干法测定土壤含水率,每周六1次,灌水前后加测1次。
(2)生物量及产量:待收获时,取春小麦地上部分,先以高温杀青,再恒温下烘干,然后称重得到生物量。选1m2小麦进行脱粒,风干后测定小麦籽粒产量,将同处理数据求平均值得出实际产量。
(3)根系指标:于乳熟期(7月13日)取春小麦根系样本,以样本植株为中心,取长30cm、宽20cm长方形,沿四周垂直下挖,每10cm取一土样。将土样用水浸泡、清洗、去除死根,得到干净根系样品。用CI-400型根系图像分析系统分析计算根系长度。
1.3 数据处理
根长密度:计算公式为[9]:
式中:ρL为根长密度,cm/cm3;S为取得的含有根系的土体体积,cm3;L为土体中的总根长,cm。
作物耗水量:采用水量平衡法,计算公式为[10]:
式中:ET为作物耗水量,mm;P为生育期内降水量,mm;I为生育期内的灌溉量,mm;ΔW为土壤水分消耗量(初期土壤含水量与末期土壤含水量的差值),mm。
采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理和作图,采用SPSS17.0软件进行单因素方差分析,LSD(least significant difference)法进行差异显著性比较(α=0.05)。
2 结果与分析
2.1 根区土壤水分垂向调控措施对春小麦根系生长及分布的影响
春小麦乳熟期不同深度土层根长密度见表1。各处理的根长密度随着土层深度的增加而减少。0~20cm是根长密度主要分布区域。3个处理在各土层的根长密度存在差异,差异主要凸显于上部土层(0~60cm);在0~20cm,T1的根长密度显著小于另外两处理(P<0.05),T2略小于T3。在20~40cm土层,T3的根长密度显著小于T1及T2,T1与T2的根长密度相差不大。在40~60cm土层,3个处理之间的根长密度差异显著(P<0.05),根长密度表现为T1>T2>T3。在60~80及80~100cm土层,3个处理之间的根长密度差异不显著(P>0.05);在60~80cm土层中三处理的根长密度表现为T1>T2>T3,而在80~100cm土层,3个处理之间的根长密度表现为T3>T2>T1。T1、T2及T3在0~100cm土层中的平均根长密度分别为1.964、2.267、2.338cm/cm3,T3的平均根长密度最大,较T1增加19.04%。
注:括号内为与总根长的比,%;不同的小写字母(纵向比较)表示处理在0.05水平下差异显著,下同。
根区土壤水分垂向调控措施也有效的调控了根长密度在土层中的垂直分布,3个处理在0~20cm土层的根长占比(该土层内根长与总根长的比值)均大于41%,处理间根长占比表现为:T3>T2>T1,T1较其余处理有大的减少;在20~40,40~60及60~80cm土层,3个处理的根长占比均表现为T1>T2>T3,T1的根长占比较其他处理有较大的增加,其中,在40~60cm土层,三处理相互间根长占比差异明显。而在80~100cm土层,三处理根长占比很小,且处理间差异不大。
研究结果表明,根区土壤水分垂向调控中使用小的计划湿润层深度(T1)会减小表层(0~20cm)土壤中的根长密度及整个根区(0~100cm)的根长密度,而在较深土层(20~60cm)中的根长密度较其他处理有较大的增加,在深土层(60~80cm)中的根长密度与其他处理相比,变化不大。在40~60cm土层,根区土壤水分垂向调控的效果最显著,处理间的根长密度差异互为显著。根区土壤水分垂向调控对根系分布的影响表现为:根区土壤水分垂向调控中使用大的计划湿润层深度能够增加表层(0~20cm)土壤中的根长占比;而使用小的计划湿润层深度有助于增加深层(20~80cm)土壤中的根系分布比例,使根系在竖直方向上分布的差异减小;其中,40~60cm土层仍为调控效果最显著的土层,三处理间根长占比差异较大。
2.2 根区土壤水分垂向调控下土壤水分的变化特征
不同处理农田不同土层土壤平均含水量见表2。3个处理在0~20、20~40、40~60及60~80cm土层的平均含水量均表现为T3>T2>T1,T1显著小于另外两处理(P<0.05),T2与T3在整体上相差不大;而在40~60cm土层,三处理间的平均含水量差异互为显著。在80~100cm土层,3个处理的平均含水量表现为T3>T1>T2,处理间无显著差异(P>0.05)。T1土层平均含水量随土层深度的增加而增大,而T2与T3在60~80cm土层的平均含水量较下层土壤偏大。结合小麦的根系分布(表1),T1在60~80cm土层的根长密度大于其他处理,对该层土壤水分的吸收较多,致使该层含水量下降,含水量在竖直方向上的分布与其他处理不同。
试验结果表明,调控方案的不同对土壤水分分布造成的差异主要体现上部土层(0~80cm);其中,40~60cm土层仍为调控效果最显著的土层,三处理间平均含水量互为差异显著。三处理在0~100cm土层的平均含水量表现为T3>T2>T1,处理间差异较大,可见使用大的计划湿润层可以有效增加生育期内根区土壤含水量。
2.3 根区土壤水分垂向调控对春小麦生物量、产量及水分利用效率的影响
耗水量由灌溉水量、降雨量及土壤水储量变化量组成。为了节约农业用水,应当尽可能多的利用降水及土壤水,减少灌溉水量。由表3可以看出,不同处理下春小麦所需灌水量及耗水量有较大的差异。3个处理耗水量及灌溉水量均为T3>T1>T2,T1的灌水次数多于T2及T3。
不同土层土壤水储量变化情况见图1,T1、T2及T3消耗的土壤水储量分别为119.8mm、105.0mm、98.2mm。随着土层深度的增加,3个处理的土壤水消耗量均变大,T1在各土层的土壤水消耗量均大于其他处理。三处理消耗土壤水的差异主要体现在20~60cm。在20~40cm土层,T2显著小于其他处理。在40~60cm土层,T3显著小于另外两处理。
3个处理间的产量差异很小,产量表现为T1>T3>T2,T1较T2仅相差147kg/hm2;处理间生物量差异较大,表现为T1>T2>T3,T1较T3增加1 038kg/hm2。参照3个处理间耗水量及灌溉水量的关系,可以发现耗水量的增加并不一定会增加产量及生物量,生物量与产量的相关关系不明显。虽然处理间产量差异很小,但所需灌溉水量却有较大差异,T3较T1增加39.7mm,存在节水空间,通过垂向调控根区土壤水分可以实现节水目的。
衡量一种灌水制度的优劣,既看其对产量的影响,又要看是否节约灌溉水量[11]。因此本研究以灌溉水利用效率为衡量指标,来评价各处理节水效果。灌溉水利用效率为T2>T1>T3,T2灌溉水利用效率与T1相差不大,但较T3增加0.37kg/m3,产量为最高值,灌溉水量与T3处理相比减少50.6mm。
试验结果表明,在根区土壤水分垂向调控中使用小的计划湿润层深度可以更充分的利用土壤水分,其中,下部土层(40~100cm)土壤水储量下降幅度更大;20~60cm土层为调控效果最显著的土层,处理间土壤水消耗量有较大差异;过大或过小的计划湿润层深度都有可能减小灌溉水利用效率,使用大的计划湿润层深度会增加灌溉水量,使用小的计划湿润层深度会减少单次灌水量,但会增加灌水次数,并没有减小达到节约灌溉水的目的。有研究表明小定额多次灌水可以增加作物产量[12],本研究也证实使用小的计划湿润层深度可以增加春小麦产量,但增加幅度很小,有可能降低灌溉水利用效率;T2在3个处理中的节水效果最好。
3 结果与讨论
已有研究表明,适宜的土壤水分有利于根系的生长,在某种程度上表现出水大根大,即根长密度随土壤水分的增加而增加[7]。土壤水分较高的种植区(表层0~20cm)根量较大,下部土层根量较少[13]。干旱可以导致土壤表层根量减少,而中下层根量所占比例增大[14],对深层土壤水分的利用增大[4]。无灌溉或灌溉量少时,冬小麦对土壤水的利用增加,且有利于深层土壤水的吸收利用[15]。本研究表明,通过控制不同生育期计划湿润层深度可以实现对根区土壤水分分布及作物根系分布的调控;在根区土壤水分垂向调控中使用大的计划湿润层深度可以提高生育期内根区土壤含水量,增加表层土壤中的根长密度及根系分布比例,也可以增加整个根区的根长密度;而使用小的计划湿润层深度使得生育期内根区土壤含水量较小,但深层(20~80cm)土壤中的根系分布比例增大,根系在竖直方向上分布的差异减小,有利于对土壤水的吸收,对深层土壤水的利用更加充分;与前人的研究结果基本一致。
垂向调控措施的作用区域主要在0~60cm土层,其中,40~60cm土层的土壤含水量及根长密度受调控影响最显著。以灌溉水利用效率为衡量指标,来评价各处理节水效果。本研究发现,过大或过小的计划湿润层深度都有可能减小灌溉水利用效率,最优调控方案为:灌水下限为65%田间持水量,苗期计划湿润层深度为40cm,拔节期计划湿润层深度为50cm,抽穗期至成熟期的计划湿润层深度为60cm。
土壤水分利用率 篇2
红砂育苗的土壤水分管理初步研究
分布于60～300 mm降水量区域的超旱生半灌木红砂,是该区域的.建群种,也是人工辅助植被恢复的主要树种,探索其幼苗成活与土壤含水量之间的关系,对人工辅助恢复植被十分重要.以不同苗龄的红砂容器苗和直播实生幼苗为调查对象,研究了红砂幼苗成活数量与土壤含水量之间的相关性.结果表明:10 cm土层中的体积含水量在20～25 d内持续达20%～30%时,其成活率达到70%左右;25 d以后,含水量在10%时就能维持其生命,苗龄30～40 d后幼苗成活率趋于稳定.
作 者：王万鹏 朱恭 李正平WANG Wan-peng ZHU Gong LI Zheng-ping 作者单位：兰州市南北两山环境绿化工程指挥部,甘肃,兰州,730046 刊 名：中国沙漠 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF DESERT RESEARCH 年，卷(期)： 26(4) 分类号：Q945.17 关键词：红砂 幼苗期 土壤含水量自动土壤水分观测仪常见故障分析 篇3
摘要：本文介绍了自动土壤水分观测仪的原理，分析了自动土壤水分观测仪出现的常见故障，给出了解决办法，为自动土壤水分观测仪的技术保障工作提供
借鉴。
关键词：农业气象；土壤水分；自动观测；故障分析
中图分类号： S152.71 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.02.052
自动土壤水分观测仪可以方便、迅速地对不同层次土壤水分进行自动观测，获取具有代表性的观测资料，降低人工观测工作量，实现数据的连续观测，与人工观测相比，时间和空间都进行了加密观测，为农业气象预报、干旱监测和农业气象服务提供高质量的土壤水分自动观测资料。吉林省气象部门自2010年开始自动土壤水分观测仪的布网建设，共建设自动土壤水分观测仪68套，自动土壤水分观测站网初具规模。在2014年吉林省遭遇旱灾时，自动土壤水分观测站网发挥了重要的监测和服务作用。
1自动土壤水分观测仪工作原理
经中国气象局考核定型的自动土壤水分观测仪主要有三个型号，其中DZN1型自动土壤水分观测仪由上海长望气象科技有限公司生产，DZN2型自动土壤水分观测仪由河南中原光电测控技术有限公司生产，DZN3型自动土壤水分观测仪由中国华云技术开发公司生产。自动土壤水分观测仪利用频域反射原理（FDR），根据电磁波在土壤中传播频率来测量土壤的介电常数，自动土壤水分传感器发射电磁波，电磁波沿传感器感应头传输，数据采集器检测传感器输出的电压，由于土壤介电常数的变化取决于土壤的含水量，根据输出电压和水分的关系可计算出土壤的含水量。水分含量是决定土壤介电常数的主要因素。测量出土壤的介电常数，能直接稳定地反应土壤的水分含量。自动土壤水分观测仪是基于现代测量技术构建，由数据采集器、土壤水分传感器、供电单元、通信单元等构成。系统框图如图1所示。
土壤水分传感器发出高频信号，传感器电容量与被测层次土壤的介电常数成函数关系。当土壤中的水分变化时，其介电常数相应变化，测量时传感器给出的电容两端的电压值也随之变化，这种变化量被数据采集器所采集，经过数据处理，得出土壤水分数值，经通信单元发至数据中心站。
2自动土壤水分观测仪常见问题
2.1供电单元故障
自动土壤水分观测仪供电系统采用太阳能电池和铅酸蓄电池供电，由充电控制器、太阳能电池板以及铅酸蓄电池组成。此种供电方式受天气因素影响较大，当多日持续阴雨天气时，会导致太阳能电池充电能力不足。当冬季气温较低时，蓄电池的容量随温度的降低而减少，从而影响设备正常工作。建议有市电接入条件的观测站点，尽量选择接入市电；没有接入市电条件的，应加大太阳能电池板面积和蓄电池容量。可在现场观察充电控制器指示灯的状态来判断供电单元是否正常工作，指示灯为绿色时正常，为红色时表示报警。
2.2数据采集器故障
数据采集器主要功能是对各层传感器的数据采样，并对采集到的数据进行运算、处理、质量控制以及存储等，此外还通过串口将数据发送到通信单元。数据采集器故障的主要表现为数据缺失及数据异常。数据缺失分为全部数据缺失和部分数据缺失，全部数据缺失可能是采集器供电或者串口通讯部分出现故障，部分通道数据缺失为采集器通道出现故障。可采用替换的方法来确定，若某通道出现数据缺失，将其他通道有数据的传感器更换到该通道上，如果仍无数据，则可以判定是数据采集器通道故障，否则为传感器故障。
2.3土壤水分传感器故障
传感器故障表现为数据异常跳变、缺失或者超出正常范围。当数据出现异常时，在采集器上找到相应的传感器，使用万用表测量电压，看是否在正常范围内，也可采用替换法来排除传感器是否出现故障。确认传感器出现故障后，应检查传感器是否进水，检查传感器是否生锈，检查接线端子是否虚接，传感器信号电缆是否断路等方法来排除故障，如果以上方法都无法排除故障，则需要更换新的传感器。
2.4通信单元故障
通信单元故障主要表现为自动土壤水分观测仪无数据上传，可将笔记本电脑与采集器串口相连接，使用串口调试命令来读取采集器数据，如果能够正常读取数据，则说明问题出在通信单元上。检查GPRS通信控制器的信号线，供电线是否正常连接，检查SIM是否损坏，检查站址所在地移动通信基站的数据连接功能是否正常，检查中心站软件网络参数设置是否正确。
3结语
自动土壤水分观测仪适应现代农业气象业务发展需求，在测量性能、数据质量、要素扩充性、可靠性、可维护性等方面有长足进步。与常规的人工观测相比，自动观测在观测频次、观测要素上更加优越，自动观测更具有客观性，可以充分满足农业气象观测业务的新标准、新需求。自动土壤水分观测仪既可以安装在大面积的农田中，也可以安装在农业科学实验田中，可以解决目前我国农业气象观测较为落后的局面，增加农业气象服务领域，提高农业气象的服务能力，为农业科学研究和农业增产增收提供科学的观测数据。因此，自动土壤水分观测站网稳定可靠运行具有十分重要的意义。
参考文献
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[2] 薛龙琴， 陈海波， 师丽魁.河南省自动土壤水分观测网的建设与运行管理[J].气象与环境科学，2011，34（4）：84-87.
[3]黄文海，谢仁忠，黄汝红，等.DZN3型自动土壤水分观测仪及维护维修[J].气象研究与应用，2014，35（1）：91-93.
土壤水分利用率 篇4
水分利用效率和干物质生产是影响小麦生产的重要因素, 随着我国水资源短缺问题的加剧以及传统农业的连年翻耕, 土壤储水能力越来越弱, 这对于小麦的种植而言是十分不利的。为了解决小麦生产面临的严峻问题, 人们将注意力逐渐转移到土壤的耕作方式, 意在通过改良耕种方式改变小麦的生产情况, 进而达到高产的目标, 例如以秸秆覆盖处理和免耕播种技术为核心的保护性耕作方式就可以达到较好的节水抗旱作用, 其次深松覆盖处理可以在小麦开花到成熟期提高干物质生产量, 这些现象均说明土壤耕作方式可以改变小麦干物质生产和水分利用率。因此, 本文对土壤耕作方式对小麦干物质生产和水分利用率影响的分析具有重要的价值。
1 试验材料与方法
1.1 试验设计
本试验中的试验小麦品种为济麦22, 其属于高产小麦, 在生长试验过程中主要采用了5种耕种方式, 依次为旋耕、翻耕、深松+旋耕、深松+条旋耕和旋耕。由于小麦生长受到时间的限制, 因此本文主要结合相关文献对小麦3个生长季的生长情况进行分析, 分别为2011~2012, 2012~2013, 2013~2014, 每个生长季的小麦生长环境如表1所示[1]。
1.2 土壤耕作程序
5种耕作方式均是在前茬玉米秸秆全部粉碎还田以后开始实施的, 不同的耕种方式要采取不同的程序, 对于条旋耕而言, 选用耕种设备为2BLMFS-8-4-3型多功能贴茬播种机, 在一次性完成15cm深度的旋耕以后, 进行底肥和播种程序, 之后在利用播种机对18cm款的根茬进行旋耕粉碎, 同时保持32cm播种行间的土壤免耕, 这种耕作方式之所以称为条旋耕, 主要是因为旋耕面积等于总面积的36%[2]。
采用深松与条旋耕结合的耕种方式就是在实施条旋耕之前首先要利用振动深松机进行38cm深度的深松处理, 然后在进行条旋耕。旋耕就是指在播种之前, 利用旋耕机对所有土地进行15cm深度的2次旋耕处理, 之后还要进行筑埂打畦操作。深松与旋耕的组合与上述程序相似, 不同的是翻耕耕作方式首先施加底肥, 之后用翻耕设备进行25cm深度的翻耕操作, 然后再结合旋耕机进行15cm深度的旋耕。
1.3 农田耗水量及水分利用效率和灌溉效益计算
农田耗水量与土层、土层厚度、灌水量、降水量以及地下水补给量等因素密切相关, 其依据的计算公式为, 当地下水的埋深不小于3m时, K记为0。水分利用效率的计算公式为WUE=Y/ETa, 式中的Y是指小麦籽粒产量, 单位为kg·hm-2, ETa是指生育期间小麦的实际耗水量, 单位为mm。灌溉效益记为IB, 计算公式为IB=Y/I, 其中I为实际灌水量, Y是指在灌溉完成之后增加的产量, 单位为kg·hm-2。
1.4 干物质测定和产量计算
本实验中选择的测定对象为籽粒、茎秆和叶片, 分别对应返青、拨节和开花时期, 不同的试验样品放置在烘干箱内, 在80℃条件下烘干, 然后称量干重。在收获小麦以后, 将小麦晒干称量其重量并记录产量, 得到的籽粒含水量为12.7%[3]。
2 结果与分析
2.1 耕作方式对小麦干物质生产的影响
耕作方式对小麦干物质生产的影响与小麦所处的生育时期密切相关, 即不同的生育时期, 各种耕作方式对小麦物质生产的影响是不同的。对于小麦生产而言, 重要的生育时期包括返青期、拨节期、开花期和成熟期, 不同时期耕种方式对其物质生产的影响如下:
在返青期, 翻耕, 旋耕和深松与旋耕组合的耕种方式相比条旋耕和条旋耕+深松可以产生较大的干物质积累量;在拨节期翻耕与深松+旋耕的应用优势仍然较大, 在这一时期, 条旋耕能够产生的干物质积累量最小;开花期小麦干物质积累量最大的仍然是深松和旋耕的组合耕种方式, 最小的依然是条旋耕, 最后成熟期时, 深松+旋耕以及深松+条旋耕两种耕种方式产生的物质积累量要远大于旋耕和条旋耕。通过上述结论可以发现, 不论小麦处于哪一生育时期, 深松+旋耕的组合方式均可以产生较大的干物质积累, 这也说明了深松对于小麦干物质生产的影响[4]。
为了进一步比较出各种耕种方式对小麦干物质生产的影响, 还要进一步分析各个生育时期对小麦生产的影响。首先, 返青期是小麦铸件走向生长发育的开端, 属于小麦生产的一般时期。其次, 拨节期到成熟期是小麦生产的关键和核心时期, 这一时期直接关系到籽粒产量的高低, 因此在选择耕种方式时, 要注重在拨节期到成熟期这一段时间内, 耕种方式对小麦物质生产的影响, 通过实验可以发现, 不同耕种方式在这一时期对小麦物质生产的影响规律如下:深松+旋耕>深松+条旋耕>翻耕>旋耕>条旋耕[5]。
2.2 耕作方式对小麦水分利用率的影响
对于三个小麦生长季而言, 深松+旋耕以及深松+条旋耕的耕种组合方式可以使小麦的籽粒产量和灌溉效益达到一个较为理想的高产水平, 同时要高于其它耕种方式下的相同指标。其中, 深松+条旋耕和深松+旋耕两种耕种方式在2011~2012生长季的小麦生产中并无明显差异, 籽粒产量几乎相同, 水分利用效率差别不大。2012~2013生长季, 采用深松+条旋耕组合的耕种方式显著提高了小麦的水分利用效率和灌溉效益, 而籽粒产量与深松+旋耕的组合耕种方式差异不明显。2013~2014的情况与上述情况相似, 均是处于深松+旋耕和深松+条旋耕两种组合方式的比较。但是, 总的来说这两种耕种方式在影响小麦高产的过程中并无太过明显的差异, 只是在节水方面, 深松+条旋耕要略大于深松+旋耕[6]。
3 结论
综上所述, 通过实验探究和分析, 得出了不同耕种方式对小麦物质生产和水分利用效率的影响规律:深松+条旋耕可以最大程度的满足小麦高产需求, 水分利用效率和灌溉效益与其它耕种方式相比占据明显的优势, 籽粒产量也可以达到高产的要求;深松+旋耕与深松+条旋耕的作用差异较小, 在降水量丰富的地区适宜采用;翻耕处理可以有效提高水分利用效率, 但是对物质生产的影响较小。出了上述三种耕种方式具有明显的应用优势以外, 旋耕和条旋耕在改善土壤环境, 促进小麦产量等方面能力弱。
摘要：小麦耕种方式一般包括条旋耕、翻耕、深松+旋耕、深松+条旋耕和旋耕5种, 影响小麦高产的因素主要包括耗水特性、籽粒产量、水分利用率和干物质积累和分配等。鉴于此, 本文主要通过实验研究的方式, 分析上述5种土壤耕种方式对小麦高产的影响, 并着重分析对小麦干物质生产和水分利用效率的影响, 在综合比较5种耕作方式以后, 意在选择出最优的小麦耕作方式。
关键词：土壤耕作方式,小麦,干物质生产,水分利用效率,影响
参考文献
[1]赵亚丽, 郭海斌, 薛志伟, 穆心愿, 李潮海.耕作方式与秸秆还田对冬小麦-夏玉米轮作系统中干物质生产和水分利用效率的影响[J].作物学报, 2014, 10:1797~1807.
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[5]郑成岩.土壤水分与耕作方式对冬小麦水分利用特性和碳氮代谢及产量的影响[D].山东农业大学, 2011.
土壤水分利用率 篇5
农田土壤水分测定中的技术问题探讨
介绍了在进行土壤重量含水率、土壤水文常数测定中应注意的问题和测定技巧,对计算公式进行了详细推导,对一些台站在测定中易犯的错误进行了剖析,以帮助各土壤湿度站全面系统深入正确地理解规范,做好土壤水分测定工作.
作 者：黄中雄 夏小曼 作者单位：黄中雄(广西南宁市气象局,广西南宁,530022)夏小曼(广西气象信息中心)
刊 名：农技服务 英文刊名：SERVES OF AGRICULTURAL TECHNOLOGY 年，卷(期)：2009 26(10) 分类号：S15 关键词：土壤水分测定 技术问题 探讨土壤水分利用率 篇6
关键词：寒旱灌区；土壤水分；雷达反演
中图分类号： S127；S152.7；P628+.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0347-04
收稿日期：2014-03-14
基金项目：国家自然科学基金（编号：51169016）。
作者简介：李彪（1988—），男，河北保定人，硕士研究生，主要从事寒旱灌区土壤水盐耦合遥感监测敏感性研究。E-mail：lb8239@163.com。
通信作者：王耀强，教授，主要从事“3S”技术在农业水土中的应用研究。E-mail：wyqshun@aliyun.com。内蒙古河套灌区是黄河流域寒旱地区特大型节水灌区之一，为及时掌握灌区环境影响因素的分布和变化趋势，防治土壤盐渍化等环境问题，对灌区节水工程实施后的土壤水环境要素的时空分布规律研究十分重要。受气象因素、地下水埋深、土壤质地、灌溉排水制度、农业种植方式和人类活动变化等因素的影响，灌区土壤水分分布既具有随机性，又具有一定的空间结构性，使得土壤水环境成为一个复杂系统。
遥感（RS）技术具有宏观、动态、快速、大面积观测的特点，已被用于土壤水分监测。土壤水分遥感反演的主要手段有可见光-近红外、热红外和微波遥感，学者们研究开发了不少模型与方法，如热惯量法、热红外法、植被供水指数法、作物缺水指数法、绿度指数法等，选择不同传感器、不同波段、不同模型，各自具有使用范围和局限性[1-6]。如何获取大范围地表土壤水分时空分布信息是一个迫切需要解决的问题，传统的测量方法、光学遥感和被动微波遥感获取土壤水分都存在一定的限制。
微波遥感具有全天时、全天候和较好穿透性，适用范围广，成为遥感监测土壤水分最有前途的方法。由于微波波段的土壤介电常数与土壤含水量有密切关系，土壤含水量不同，介电常数和雷达回波信号也不同。主动微波遥感利用雷达后向散射系数反演土壤水分，其中合成孔径雷达SAR已成为国际对地观测领域最重要的前沿之一。许多国内外学者对雷达信号后向散射系数与土壤含水量的关系进行了研究，从土壤的混合介电模型到裸露地表的散射模正演理论模型，其中包括 Kirchhoff 模型（几何光学模型GOM、物理光学模型POM）、小扰动模型SPM和积分方程模型IEM；再到针对裸露、稀疏植被地表土壤水分反演的经验、半经验模型，其中包括Oh模型、Doboson 模型和Shi模型；一直到植被覆盖地表土壤的水分反演模型，目前普遍接受的是美国密西根大学微波实验室发展的基于辐射传输方程的MIMICS模型[7-9]。
国内使用微波探测土壤水分仍处于探索阶段，李杏朝同步测量土壤水分、土壤后向散射系数，监测土壤水分相对误差为12%[10]。杨虎通过建立模型，消除了植被覆盖、地表粗糙度及雷达信号入射角对后向散射系数的影响，利用多时相 50 m 分辨率的Radarsat ScanSAR 雷达后向散射图像反演了地表土壤水分，与实测土壤含水量的对比均方根RMSE为044。任鑫对多极化、多角度SAR土壤水分反演算法进行了研究，利用AIEM模型模拟裸露地表C波段SAR信号的后向散射特征，在此基础上分析了雷达信号后向散射系数与土壤含水量、地表粗糙度的关系，利用非线性回归建立了经验的裸露地表后向散射模型，根据不同极化、不同角度的雷达图像数据组合，提出了7种土壤水分反演算法，反演结果与实测土壤含水量相关性好，89%的实测点反演误差小于4%，均方根误差RMSE为2.7%[11]。李森基于IEM模型，对多极化、多波段SAR土壤水分反演算法进行了研究，在比较Oh模型、Doboson 模型和IEM模型3种经典散射模型的基础上，利用积分方程理论模型IEM模拟地表散射特性，分析了均方根高度、相关长度、土壤含水量等地表参数与入射角、极化方式等系统参数对雷达后向散射特征的影响，揭示了后向散射系数随这些参数变化而变化的规律，探讨了理想的反演水分参数，提出了利用小、大入射角同极化（VV或HH）后向散射系数差反演地表组合粗糙度参数的经验模型，从而建立了后向散射系数反演地表土壤水分的经验模型，在河北南部平原试验区取得较好的应用效果[12]。研究結果表明，主动微波遥感能够弥补光学遥感、被动微波遥感在土壤水分监测应用中的不足，是流域尺度土壤水分监测应用的新方法和新手段。
本研究以黄河大型灌区（河套）土壤水分监测试验的区域性水土资源空间变异为案例，重点分析雷达后向散射特性与含盐土壤水分的关系，建立后向散射系数反演土壤水分的人工智能模型，以促进微波遥感在土壤水分监测中的应用与开拓。
1案例分析
1.1采样系统设计
内蒙古河套灌区水盐运移属于垂直入渗蒸发型，降水量少、蒸发量大，在强烈的蒸发作用下，水分携带盐分向地表运移积聚，春季反盐是灌区土壤次生盐渍化的重要因素。灌区每年从4月中旬灌溉，到11月中下旬结束，根据作物需水规律进行灌溉，用水量最大的是秋浇，起压盐保墒作用。灌区土壤年内水盐运移变化复杂。了解夏灌（4—6月）前、秋浇（10月中旬至11月中下旬）前土壤水盐的分布状况对灌区农业生产和土壤改良有着深刻影响，并对年际间水盐动态时空变异规律研究有一定的代表性。
研究区域设在黄河河套灌区内的沙壕渠试验区。提前购置2013年3月15日RADARSAT2精细四极化雷达影像一景，与野外采样时间对应，相幅25 km×25 km，地面分辨率 8 m。在室内样点初步布设的基础上，满足合理采样数的要求下，野外用手持GPS接收机定位获取69个采样点的WGS84坐标，每个样点处均匀取5个土样以取平均，取土深度为0～20 cm，土样的测定分析项目为含水率和全盐量，以反映土壤的水盐变化。同时在每个采样点测定典型地物（如盐生植被、盐渍地土壤等）光谱曲线，为以后的光谱分析奠定基础，并对采样点的自然景观进行拍照。采样点布置见图1。
1.2試验数据分析
本试验购置的RADARSAT2精细四极化雷达影像为SLC格式，雷达影像独特的成像机理使得后处理较为复杂。对于定量遥感分析，雷达处理主要包括雷达影像定标、几何校正和滤波等。通过定标，将雷达影像像元亮度值转换为后向散射系数，该处理过程较为复杂，本研究使用ENVI4.8软件的雷
达处理模块完成影像后处理工作，获取了研究区四极化后向散射系数影像图[13-14]。四极化后向散射系数见表1。
2雷达土壤水分反演模型建立
植物—土壤—水分系统自身的复杂性造成了遥感水分监测的难度，特别是随机分布的地表使得雷达入射波与地表的散射现象异常复杂，现有的水分遥感反演研究多采用一定的数学方法建立理论、经验、半经验的散射模型来反演地表参数，反演模型的适用范围受不同波段、不同入射角、不同极化方式、不同地表粗糙度和植被覆盖的限制。BP神经网络被广泛证明是一种非线性函数逼近的优秀理论与方法，而土壤水分空间分布与后向散射特性存在着复杂的非线性函数关系，运用成熟的BP技术可以研究其非线性函数逼近问题，为本领域的研究提供一种新的思维方法和建模手段[15-19]。
用于土壤水盐估值的神经网络应具有仅仅根据函数或映射的实例学习未知的映射或函数的能力。网络一旦学会了这个映射或与其十分相似后，该网络即可应用于仅有部分映射为已知的场合，用于估计映射的另一部分。用于逼近函数或映射的神经网络可被认为是一种数据变换结构。
由于网络结构不唯一且收敛速度慢，建模过程需针对具体情况确定网络层数、各层的神经元数、拟合误差、学习速率等复杂问题。BP神经网络通常采用3层结构，拟合精度的提高可通过增加各层的神经元数实现，本研究选用3层BP网络结构，即输入层、隐含层、输出层。输入层和输出层的神经元数由输入和输出变量个数确定，输入层由7个神经元组成，包括采样点大地坐标B、L和大地高H这3个非遥感因子和4个后向散射系数。BP网络神经元数的确定主要是指隐含层神经元数的确定，目前尚无成熟的理论可依，一般使用试算法，按照神经元数和训练次数较少、又能满足训练误差精度要求的原则，经反复试算，找到最少隐含层神经元数为14个神经元。输出层为1个神经元，对应为采样点的含水率。隐含层采用双曲正切Sigmoid激活函数，输出层采用线性激活函数。拟合目标误差采用10%，学习速率决定了训练中权值的变化量，针对标准BP训练方法可能陷入局部误差极小值的缺点，用十几种训练函数进行试算，最后选用自适应修改学习速率算法中的快速训练函数traingda进行网络的训练。
利用MATLAB语言，并使用神经网络工具箱的函数编写计算程序，利用试验区内59个采样点数据，建立起3层BP神经网络模型，选用快速训练函数traingda进行网络的训练，训练误差满足精度要求后，用剩余10个采样数据进行外部检验。绘出训练误差收敛图（图2）、内外部误差检验图（图3、图4）。计算用MATLAB源程序代码如下：
3结论
本研究利用河套灌区夏灌前的四极化RADARSAT SAR雷达数据，通过试验研究土壤含水量与雷达后向散射系数的响应关系，建立不同极化后向散射系数、非遥感因子与土壤含水量的人工神经网络模型，经检验模拟误差接近含水率测定误差5%，可用于快速监测大范围裸露地表土壤水分[20]。
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土壤水分含量测定实验 篇7
水分是土壤最重要的组成部分之一,土壤水分含量多少及其存在形式对土壤形成发育过程及肥力水平高低与自净能力都有重要的影响。作为土壤组成物质,水分是土壤物质迁移和运动的载体,也是土壤能量转化的重要物质基础。土壤水分的运动,使有机质和无机质在土壤剖面中不断地迁移与转化,使土壤中的营养元素向植物根际迁移,被植物吸收利用;同时水分也会影响土壤物质的分解与转化过程。认识土壤水分状况是土壤研究的重要指标之一,土壤水分含量的测定是土壤地理学的一项基础实验。另外土壤理化分析中,都以“烘干土”作为计算标准,因此,每个实验都有必要测定土壤吸湿水含量。
1 实验目的与要求
土壤水分是土壤的重要组成部分和肥力因素,不同气候生物条件下,其水分状况类型与动态都有很大的差异。研究土壤水分状况类型与动态,对掌握土壤的形成、分类、分布、肥力状况以及进行田间土壤水分调节等方面,都有十分重要的理论和实践意义。通过实验获取土壤吸湿水含量和自然含水量,掌握烘干法测定土壤风干样品和新鲜采集样品的含水量的方法,了解土壤水分含量的意义。
2 实验原理
土壤水分的测定方法可以归结为三大类:即质量分析法、核技术法和电磁技术法。其中质量分析法包括经典烘干法、红外线烘干法、微波炉烘干法以及酒精燃烧法等,其有限是操作简单、价格低廉,缺点是难以现场观测、观察精度不高。目前我国常用的水分测定的方法是烘干法。计算用土壤失水量占烘干土重的百分数表示。本实验采用烘干法测定土壤的吸湿水含量。
新鲜的土壤样品都含有一定的水分。将新鲜土晾置于室内,土壤中的水分会因为不断地向空气中蒸发而损失,当土壤中的水分与空气中的水分达到平衡时(一般需要数天),称此时的土壤为“风干土”。风干土中仍含有一些被土壤颗粒紧紧吸附的不能进入空气中的水分,这称为吸湿水。吸湿水可在高温环境下被烘干。此时的土壤称为“烘干土”。由于风范土和烘干土的重量差值,即可计算土壤吸湿水的含量。
3 实验步骤
3.1 采集土壤分析样土
采集土壤样土前需要先进行土壤野外调查,通过调查选取一定的典型地区选择择有代表性的耕作地点,观察该区域的土壤形成环境及了解其土壤类型,为土壤分析做好数据搜集工作。如选取河漫滩阶地耕作土壤,挖一个深度为1米左右的土壤剖面,在土壤剖面的耕作层、犁地层、心土层和底土层进行土壤剖面调查,观测各层土壤特性,并将观察结果进行记录,如表1,为土壤分析提供参考。
观察记录完土壤剖面各层的特性后,进行采集样土,其中样土采集数量数多少可根据实验项目选的多少来确定,一般各层采集3～5个样土。可用环刀法和土铲采集样土。
用环刀进行取样。在环刀内壁涂抹凡士林,将环刀刀口垂直压入土中。环刀另一端套上环刀托,用铁锤敲打环刀托,使环刀插入土层中,直至土壤充满环刀筒内,刀托背面到达地层表面,即停止敲打环刀把,以免环刀进入土层太深而压实了已进入环刀筒内的土壤结构;用铁铲和切土刀小心挖出环刀,切去环刀两端多余的泥土,擦干净环刀外环的土壤,往环刀两端加套,以免水分蒸发。如还需进行土壤容重比重测定实验还最好采用环刀取土法。用铁铲进行取样,需按第一、二、三、四层的顺序分别采集样土,采集好样品需贴上标签,放进塑料袋,用于土壤水分含量的测定
3.2 制备土壤分析样土
将新鲜采回的样品放在平整的木板上,挑拣石块、植物根系等;
3.3取合适大小容器,如铝盒,在105℃下烘2h,取出冷却,用电子天平称量干燥而洁净的铝盒重量,记为W。
3.4在铝盒中放入5g新鲜采集的土样,称量,此为铝盒+新鲜土重量,记为W1。
3.5将装入铝盒的样品放置通风的实验室内5天,其风干后进行称量,此为铝盒+风干土重量,记为W2。
3.6将装着风干后的土样的铝盒放入烘箱,盒盖斜放在盒皿上,以留出一定空隙,便于水分蒸发,在105～110℃烘6～8h,取出放入干燥皿,冷却20min,带棉纱手套取出铝盒,马上称量,此为铝盒+烘干土重量,记为W3。
4 实验数据记录与计算
实验中的各项数据可填入下表。
1、自然含水量W (自)%的计算公式如下:W(自)%=(W1-W3)÷(W3-W)×100%2、吸湿水含量的计算W(吸)%的计算公式如下:W(吸)%=(W2-W3)÷(W3-W)×100%
5 实验分析与总结
实验操作完成后,将各项测定数据对照公式进行计算,得出土壤的自然含水量与吸湿水含水量。在实验过程中通过不同取样地点和不同土层样品的测定数据,对照采土区域土壤剖面的各层特性,分析土壤含水量与土壤颗粒大小组成和含量的密切关系,掌握影响土壤含水量大小的因素,掌握分析土壤特性和土壤含水量变化的规律,达到实验效果。
参考文献
[1]李天杰,赵烨,张科利等.土壤地理学[M].北京:高等教育出版社,2004.
土壤水分、温度监测仪 篇8
这是一款在重新审视土壤水分的应用要求和社会环境基础上, 借助互联网的颠覆性创新理念, 结合现代工业设计中用户体验的分析技术以及大数据和物联网的平台, 重新设计的产品。它继承了导管式和插针式的各项优势, 又弥补了它们的不足, 开发了面向大规模、更广泛应用场景的号称“中国管”的新一代土壤含水率测量设备。
(调查员点评:简单来说, 它就是一款监测土壤墒情的仪器。而它的不简单在于, 您将它插到土里, 它不仅能够监测土壤水分和温度, 还能够利用手机和卫星实时监控作物的吸水动态、灌溉数据、警戒预判、地面气象等信息, 为您的生产管理工作提供实时的指导, 所以您也可以叫它“智墒”。)
☆产品特点:
1、低能耗、集成一体化
外壳采用防老化材料, 可长期放置于田间、土地中进行不间断测量;集物联网通讯终端、数据存储和处理单元、多深度水分及温度传感器、高性能电池于一个管体中;低能耗, 可用太阳能电池供电, 无外部供电工作时间超过30天。
2、精度和稳定性
不同深度土壤参数同时监测, 监测深度最深达2米, 深度可以定制;测量间距5厘米、10厘米可选配;精度达到正负2%以下, 含同位温度校准。
3、安装及实施
15分钟现场操作, 无土壤扰动, 无需现场校准, 智能启停, 极大降低人力需求。
4、环境保护
工作期间对环境无污染;设备撤场后对环境无残留污染。
5、大数据支持
通讯方式灵活, 可选GPRS无线通讯方式或CAN通讯方式;产品生命期数据完整记录及备份, 支持大数据分析及移动设备访问, 开放数据接口, 便于根据需要获取数据。
6、知识产权
土壤水分速测仪的设计 篇9
土壤水分是一切农作物生长的基本条件,我国农业用水利用率不高。以目前农业用水效率来分析,农业用水效率只有30%～40%,如果灌溉用水效率提高10%～20%,则每年可节约用水量约30～70Gm3。测定土壤水分不仅能够有效缓解因农业用水带来的淡水资源危机,而且在很大程度上对于研究农作物的需水规律,指导农作物生长,实施合理节水灌溉具有重要现实意义。
土壤水分的测量方法有几十种,如传统的烘干法、张力计法、射线法、电阻法等,利用光学原理测量土壤水分,以及利用土壤的介电特性测量土壤含水量的TDR,FD,SWR等方法,它们各具优缺点;但精度高、价格低、少标定的土壤水分测试技术一直是近年来研究的主要方向。笔者根据土壤介电常数并利用传输线测量理论研制了土壤水分快速测量仪,试验表明:该土壤水分测量仪输出稳定、成本低、适用于大多数土壤类型的测量。
1 系统工作原理与总体设计
1.1 测量原理
土壤是由空气、土壤颗粒和水组成的多孔介质。现代物理学认为:所有非金属,甚至在一定情况下的金属,都属于电介质,因此土壤可以看作是一种特殊的电介质[1]。
土壤的介电特性可用下式表示,即
undefined (1)
式中 ε—土壤复介电常数;
ε′—介电常数;
ε″—介电损耗;
ε0—真空介电常数;
f—电磁频率;
σ—土壤直流电导率。
从式(1)中可以看出:土壤介电特性随着频率的变化而变化,选择合适的电磁频率对于利用介电常数测量土壤水分起着关键作用。同时,为了减小介电损耗对测量的影响,通常频率选取100MHz。在这样的电磁频率下,水的介电常数约为80,土壤颗粒的介电常数约为4,空气的介电常数约为1,土壤的介电常数主要是由水来决定。因此,通过测量土壤介电常数可达到测量土壤水分的目的。
信号源产生100MHz的电磁波,沿传输线传送到土壤探头,由于探头阻抗与传输线的特征阻抗不匹配,一部分电磁波沿传输线反射回来,一部分继续沿探头传播。这样在传输线上,入射波与反射波叠加形成驻波,使传输线上各点的电压幅值存在变化;而探头阻抗主要取决于土壤的介电常数,因此传输线上电压的变化就反映了土壤中水分的变化。测量原理图、测量等效电路图如图1和图2所示。
根据传输线理论,并假设传输线为无损传输线,可以得到A点的峰值电压为
Ua=A(1+ρ) (2)
如果传输线长度为电磁波波长的1/4,则B点的峰值电压为
Ub=A(1-ρ) (3)
这样A,B两点的电压差为
ΔUAB==2Aρ (4)
反射系数为
undefined (5)
式中 ZL—土壤探头阻抗,与土壤介电常数有关;
Zc—传输线的特征阻抗;
ρ—传输线在A点的反射系数。
当传感器的探头插入土壤时,ZL主要由土壤介电常数决定,随土壤含水量的多少而改变,进而引起输出电压ΔUAB的改变。因此,可以通过测量传输线两端的电压差来间接得到土壤含水量的多少。
1.2 系统总体设计
设计的土壤水分测量系统可实现数据采集、数据处理、故障报警等功能,主要由传感器、A/D转换和STC89C58为核心的单片机系统3部分组成[2],系统总体组成框图如图3所示。其中,显示器和键盘组成人机联系的部件,其作用是沟通操作者和仪器之间的联系。
2 系统设计
2.1 传感器设计
传感器是由100MHz 的高频信号源、一段特征阻抗为50Ω标准同轴电缆和土壤探头组成。探头由直径为3mm的3根不锈钢针构成,检波电路置于信号源和探头内,传感器组成如图4所示。
探头采用三针结构,可认为它是一段几何形状非规则的传输线,土壤充当其中电介质,因此可通过传输线理论来分析它的阻抗变化规律[3]。土壤探头阻抗是以容抗或感抗形式存在,并在一定条件下发生相互转化,设计中应使土壤探头阻抗呈单调变化。
为了缩小整机体积,简化操作程序,达到随测随插,即插即读,快速方便的目的,传感器的形状设计成单手操作使用型,外壳材料采用ABS工程塑料压模制成,设计的土壤探头如图5所示。
2.2 系统硬件设计
2.2.1 单片机选择
宏晶科技生产的STC89C58单片机,具有64/32/16/8kB片内Flash程序存储器;具有在应用可编程(IAP)、在系统可编程(ISP);可实现远程软件升级;无需编程器、性价比高等特点。单片机与时钟及复位电路如图6所示。
2.2.2 人机接口
系统选用了LCD1602作为显示器件,显示容量16×2个字符;芯片工作电压4.5～5.5V;工作电流为2.0mA(5.0V);模块的最佳工作电压5.0V;字符尺寸为2.95mm×4.35(W×H)mm。
LCD的连接方式为:1脚接地;2脚接+5V电源;3脚为对比度调试引脚;4脚接单片机引脚P2.5;5脚接单片机引脚P2.6;6脚接单片机引脚P2.7;8～14脚接单片机引脚P0.0～P0.7;15,16脚为背光引脚。
2.3 系统软件设计
系统软件设计包括键盘扫描程序、显示程序、参数修改程序、采样与滤波程序、故障报警等,可实现对土壤水分的测量显示,同时还可对不同土壤类型进行标定。主程序流程图如图7所示。
3 试验结果与分析
3.1 土壤种类对传感器输出的影响
实验采用中壤土(容重1.36g/cm3)、粘土(容重1.25g/cm3)和沙土(容重1.43g/cm3),测量结果如图8所示。从图8中可以看出土壤种类对传感器输出有一定影响,但影响较小。对测量数据统一标定曲线,则体积含水量最大误差为4.8%,若要取得较高精度,可对每种土壤进行单独标定。
3.2 土壤容重对传感器输出的影响
实验采用中壤土,将其容重由1.36g/cm3增大到1.42g/cm3 ,图9为不同容重下传感器的输出结果。从图9中可以看出容重的增大会使传感器的输出电压增大,但影响不大。若要取得较高精度,也可采用分别标定。
3.3 土壤盐分对传感器输出的影响
实验采用中壤土,对同一容重(1.36g/cm3)下的不同含水量的土样中加入不等的氯化钾,同时与未加入氯化钾的土样进行对比,测量结果如图10所示。从图10中可以看出含水量相同土样,加盐与未加盐的测量结果有很大差别。因此,土壤电导率对土壤水分的测量有较大影响,尤其是当被测土壤本身含盐量较高时,应特别进行标定。
4 结束语
依据土壤介电常数并利用传输线理论制成土壤水分测量仪,可以有效地对大多数类型土壤进行较高精度的测量。土壤种类、容重对土壤水分测量有一定影响,但影响不大;若要取得较高的测量精度,可采用分别标定;土壤含盐量对传感器输出影响较大,如测量含盐量较高的土壤,需对传感器特别标定。
摘要：介绍了一种根据土壤介电常数和传输线理论来测量土壤含水量的新型土壤水分测试仪,主要由土壤水分传感器和STC89C58为核心的单片机系统组成。实验研究表明:土壤种类、容重对传感器输出影响较小,可满足对大多数土壤的测量要求;土壤含盐量对传感器输出影响较大,如需测量含盐量较高的土壤,应对传感器进行特别标定。
关键词：土壤水分,介电常数,传输线
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浅析果园的土壤与水分管理 篇10
1.1 幼龄果园的行间利用
幼龄果园树小根狭窄, 有较大的行间可以利用, 可以间作各种经济作物, 在果树大量结果之前, 可以增加收入。注意在果园间作时, 要在树冠外的行间进行, 不可距树体过近, 还应逐年缩小间作范围。在选择间作物时, 要求植株矮小, 经济价值高, 能够提高土壤肥力, 不与果树争夺养分和水分, 与果树无共同病虫害。适宜的果园间作作物有大豆、绿豆、红小豆、花生、芝麻等;适宜的蔬菜有茄子、辣椒、番茄、大葱、马铃薯、地瓜等;适宜的水果类有草莓、西瓜、甜瓜及各种果苗;适宜的药用植物有桔梗、贝母、红花、细辛、牛蒡等。在瘠薄的土壤上可以种植草木樨和苜蓿草等绿肥作物。注意不要种植玉米、高粱和向日葵等高棵作物, 不要种植大白菜和大萝卜, 也不要种植春小麦, 以免引起病虫害。在行间间作时, 不宜连作, 要合理轮作。
1.2成年果园土壤管理
1.2.1 清耕法。
果园要经常进行翻耕, 使土壤保持疏松无杂草状态, 这是目前国内外大多数果园普遍采用的一种土壤管理制度。清耕法的优点是短期内可以显著地增加土壤有机态氮素, 土壤疏松, 透气性好, 能起到保水、保肥和除草作用, 有利于果树根系生长。但长期清耕会使土壤有机质含量降低快, 土壤结构受到破坏, 犁底层坚硬, 影响根系伸展, 水土流失严重, 尤其是山地果园。
1.2.2 生草法。
除树盘以外, 在果树行间播种禾本科、豆科、草木樨等种草的土壤管理方法。这种方法比清耕法增产30%。其生草法的优点是增加土壤腐殖质, 促进团粒结构的形成, 改善土壤理化性状, 可以有效地防止土、肥、水流失, 提高果树对磷肥和钾肥的吸引, 减轻雨季的涝害。其生草法的缺点是多年连作使表层土板结, 影响通气与渗水, 与果树争夺水分和养分, 根系上翻, 生草旺季易遭受病虫害和鼠害, 此方法适宜在土壤水分较好的果园采用, 较干旱地区不宜采用。
1.2.3 清耕覆盖作物法。
即在1年中, 前期清耕, 到雨季播种覆盖作物的土壤管理方法。此方法兼具有清耕和覆盖法的优点, 在春夏季, 经常清理田间的杂草, 可以促进有机质氧化分解, 在短期内能显著地增加有效氮素, 减少杂草丛生对水分、养分的消耗, 还可以清除病虫的潜伏场所, 而在果树生长的后期, 对水分、养分的需要量减少, 则播种覆盖作物, 吸收土壤中过剩的水分、养分, 可以促进果实成熟和着色, 提高含糖量, 增进水果的品质, 这方面可以增加土壤的有机质, 改善土壤理化性状, 防止水土流失, 但此法的缺点是春夏季的清耕, 在多雨地区会导致水土流失。
2 果园的水分管理
2.1 灌水对果树的影响
2.1.1 水是果树的重要组成部分。
果树的根、枝、叶中的含水量约为50%, 而鲜果的含水量则高达80%以上。果树在生长季缺水则会影响新稍生长、果实的增大和产量的增加。如严重缺水, 叶片则从果实中夺取水分, 使果实体积缩小、裂果, 甚至脱落。
2.1.2 水分是果树生命活动的重要原料。树体光合作用、营养运输等离不开水分。
2.1.3 水分对于果树有多种调节作用。
如可调节树温、调节土壤温度和湿度, 促进土壤的有机质分解, 减轻果树冻害等等。
2.2 抓住果树灌水的最佳时机
开花前期。在果园的早春干旱地区缺少雨水, 开花前期灌溉有利于开花和抽梢。灌溉时期应该选择在萌芽到开花前;新稍旺盛生长和幼果膨大时期。这个时期称之为果树需要水量的临界时期。此时果树对水分的需要量最多, 如果说这个时期的水分不足, 就会使果树的叶片和枝叶以及干部能够夺取幼果的水分, 发生果树的幼果脱落的现象, 致使果树的产量下降;果实迅速膨大时期。这个时期的果树是果实生长的关键时期, 如果缺少水分, 会使果实发育不全, 果实品质下降, 因此此时期灌水可以促进果实肥大, 增加果树的产量;入冬封冻前的时期。在北方寒冷地区, 果树越冬以后极其容易发生抽条现象, 在入冬前灌溉1次透水可以防止抽条, 这对于果树越冬极为有利。
2.3 灌溉方式与排水
对于果园而言, 合理灌溉一定要讲究灌溉的方式与方法, 在水量大的地方还要及时进行排水, 以防止涝灾的发生, 这方面主要包括:喷灌方法。利用喷灌设备把水喷到空中形成雾状进行灌溉, 这样一来可以节约用水在20%以上, 保持原有土壤的疏松状态, 调节果园的小气候, 节省劳动力, 提高果园的工作效率。只是有一点问题, 喷灌设备的投资过于大;滴灌方法。可以利用先进的机械化与自动化灌溉技术, 通过水滴或细小水流缓慢地施于果树根部的灌溉方法。这样一来就可以节约用水, 节省劳动力, 这样有利于果树的生长和结果, 但其缺点是管材需要的特别多, 投资也不小;及时排水。在雨量大的地区果园中要及时挖排水沟进行及时排水, 以免造成果树减产。
(责任编辑杜芊芊)
摘要：果树生产中果园的土壤与水分管理是十分重要的, 好的管理能够使果园提高产量, 促进果农的增收。本文认为果园的土壤管理主要包括幼龄果园的行间利用和成年果园土壤管理。果园的水分管理中主要包括灌水对果树的影响、灌水的最佳时机以及灌溉方式与排水。
土壤水分利用率 篇11
关键词 胡椒 ；活性氧代谢 ；土壤含水量 ；逆境胁迫
分类号 S573.9 Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.02.001
Response of Active Oxygen Metabolism of Black Pepper Seedling
to Different Soil Moisture Regimes
LI Zhigang WANG Can ZU Chao YANG Jianfeng YU Huan WU Huasong
（Spice and Beverage Research Institute， CATAS / Key Laboratory of Genetic Resources
Utilization of Spice and Beverage Crops， Ministry of Agricuhure / Hainan Provincial
Key Laboratory of Genetic Improvement and Quality Regulation for Tropical spice
and Beverage Crops， Wanning， Hainan 571533）
Abstract To investigate the suitable soil moisture content for Black Pepper growth， a greenhouse experiment of Black Pepper seedlings grown in different soil mass moisture regimes of 5%， 10%， 15%， 20% and 25% was carried out and the effect of different soil moisture regimes on antioxidant enzyme activities， membrane lipid peroxidation and normal growth indexes of Black Pepper seedling was studied. The results showed that， under water stress， the activities of superoxide dismutase（SOD）， catalase（CTA）， and peoxidase（POD） in leaves of the 5% treatment was significantly higher than other treatments. Otherwise， 3 days later， because of the loss of water in the 5% treatments leaves， the antioxidant enzyme activity was significantly decreased. The membrane lipid peroxidation of 15%， 20% and 25% treatment is lowest， with the seedlings grew well. Soil moisture beyond the range would induce drought stress， which caused the decrease of the antioxidant enzyme activities and the rise of the membrane lipid peroxidation， inhibited the growth of pepper seedlings.
Keywords black pepper（Piper nigrum L.） ； active oxygen metabolism ； soil moisture ； adversity stress
土壤水分是作物生长的重要影响因素[1]，关注墒情的变化，及时对作物进行有效的灌溉，不但可以促进作物的发展，保证农业产量[2-3]，还能提高水资源的利用率[4-5]。受全球气候变化的影响，近年来海南胡椒优势种植区频繁受到旱涝等极端气候的影响[6-7]，而且胡椒生产上也亟需建立科学合理的灌溉制度[8]。因此，明确胡椒适宜的土壤水分含量范围对于胡椒生长过程中的水分管理、建立科学合理的灌溉制度具有重要意义。
目前，植物在逆境条件下的膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）含量和保护酶系统超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性的变化已广泛用于植物逆境适应机理的研究[9-12]。本研究以盆栽实生苗为研究材料，设置5%、10%、15%、20%和25%共5个土壤质量含水量梯度，测定处理后第1、3、5、8、14天的SOD、POD、CAT活性和MDA含量变化，研究不同土壤水分含量对胡椒实生苗活性氧代谢和膜脂过氧化作用的影响效应与程度，以期为明确适宜胡椒生长的土壤含水量范围提供理论依据。
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1 材料与方法
1.1 材料
以胡椒主栽品种——热引1号为试验材料。供试实生苗于2015年2月开始盆栽培养，盆栽时均按相同土重装盆，并保证充分的水肥管理，以使试验处理开始时胡椒实生苗具有较为发达的根系。挑选长势基本一致的植株，对其开展不同水分培养试验。
1.2 方法
1.2.1 试验设计
试验于2015年8月在海南万宁中国热带农业科学院香料饮料研究所温室进行（18°1′ N，110°13′ E）。盆栽土壤由河砂和胡椒园土壤过2 mm筛后，按1∶5比例混合而成。装盆时土壤容重控制在1.2 g/cm3，测定土壤饱和含水量值约为30%（质量含水量）。胡椒园土壤田间持水量一般为28%。为了明确适宜水分范围，根据盆栽时的装土重量，计算保持土壤质量含水量为5%、10%、15%、20%和25%（相当于田间持水量的20%，35%、55%、70%和90%）时所需水量。试验开始后，每天按不同处理所需水量进行补水，白天每隔3 h补水1次，夜间补水1次，直至试验结束。每个处理设置6个重复。
在处理开始后第1、3、5、8、14天测定不同处理任意3株胡椒叶片SOD、POD、CAT活性和MDA含量。在第14天时，每个处理随机选择3株胡椒实生苗，测定其干重、含水量及叶片SPAD值。
1.2.2 酶活性测定
SOD：采用氮蓝四唑（NBT）法测定[13]，以560 nm波长下NBT光化还原抑制百分率为50%定义为一个酶活力单位（U/g FW）；POD：采用愈创木酚法测定[13]，每克鲜样在每毫升反应体系中每分钟A470变化0.005为一个酶活力单位（U/g FW）；CAT：采用紫外分光光度法测定[14]，每克鲜样每分钟催化1 mol H2O2降解定义为一个酶活力单位（U/g FW）。
1.2.3 MDA含量测定
采用硫代巴比妥酸法测定[13]，利用532与600 nm下的吸光度的差值计算MDA的含量。
1.2.4 植株生长指标测定
利用SPAD-502Plus（日本KONICA公司）测定胡椒倒数第4、5片叶的叶绿素SPAD值；测定后取出植株并洗净根系，用吸水纸擦干后测定鲜重，再烘干至恒重，依此获得胡椒干重和植株含水量等指标。
1.3 数据处理与分析
采用GraphPad Prism 5和SPSS 18.0（SPSS Inc， Chicago）进行数据整理与分析。
2 结果与分析
2.1 土壤水分对胡椒实生苗生长指标的影响
不同土壤水分处理14 d后，处理间的胡椒植株干重、含水量和叶片SPAD值见表1。5%处理的植株干重、含水量和叶片SPAD值均显著低于其他处理，说明受胁迫程度严重，而10%、15%、20%和25%处理之间的相关指标未达到显著性差异。上述结果表明，通过传统生长指标难以表征短时期内不同土壤水分含量对胡椒生长的影响，只有5%处理因叶片严重失水，而表现出生长状况显著低于其他处理。
2.2 土壤水分对胡椒实生苗叶片抗氧化酶活性的影响
2.2.1 对胡椒实生苗叶片SOD活性的影响
SOD作为植物的一种抗氧化保护酶，能够减少由于环境胁迫而产生的氧自由基对植物的伤害[15-16]。从图 1可看出，在土壤水分胁迫初期，不同土壤水分处理间SOD活性差异较显著，5%、10%、20%、25%处理显著高于15%处理；而随着胁迫时间的增加，各处理的SOD活性均有所减少，处理间的差异也变小；胁迫3 d后，5%处理叶片SOD活性迅速减小，而其他处理降低不显著。综上所述，5%、10%处理的SOD活性显著高于15%、20%和25%处理。
2.2.2 对胡椒实生苗叶片POD、CAT活性的影响
POD与CAT的共同作用可消除SOD产生的过量过氧化氢，可防止其与超氧阴离子自由基相互作用产生毒害更强的自由基[17]。从图2、3可看出，不同土壤水分处理条件下，胡椒叶片的POD、CAT活性变化规律与SOD活性变化基本一致，5%处理在胁迫初期显著高于其他处理，但3 d后迅速变小；5%和10%处理活性变化显著高于其他处理。尤其是处理14 d后，15%、20%和25%处理显著降低。
2.3 土壤水分对胡椒实生苗叶片膜脂过氧化的影响
MDA是自由基进行细胞膜脂过氧化伤害的最终产物之一，是检测植物膜伤害的一个重要的指标，其含量可表示膜脂过氧化的程度[18]。由图4可知，不同胁迫时间下，5%土壤水分处理的MDA含量均最高，15%最低；20%和25%处理初期较高，随着胁迫时间的增加，经过植物体内积极防御作用，使得MDA含量水平在胁迫后期显著降低，直至与15%处理无显著差异，且显著低于5%和10%处理。5%处理的膜脂过氧化程度最高，说明5%和10%土壤质量含水量对胡椒实生苗的干旱胁迫较为严重。
3 讨论与结论
逆境胁迫下，植物体内积累活性氧，植物本身对活性氧的伤害有精细而复杂的防御体系，即内源性保护性酶促清除系统，以保证细胞的正常机能[19]。而且外界逆境胁迫时，植物需动员整个防御系统以抵抗水分胁迫诱导的氧化伤害，单一的抗氧化酶或抗氧化剂不足以抵制这种伤害，因而在很多植物中发现SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性均与逆境胁迫有关。多数研究结果发现，逆境胁迫伤害程度与这3种酶活力的提高呈负相关[20-24]。在本研究中，15%处理在整个试验过程中的SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性均保持较低水平，说明15%土壤含水量是胡椒生长的最适宜土壤水分条件。
研究结果表明，在一定胁迫程度下，随着胁迫时间的增加，植物在启动保护酶促清除系统的同时，也会启动非酶促系统、DNA损伤修复系统等其它抗胁迫适应机制，从而保证细胞的正常机能，使植株在生理生化等方面进行调整以适应逆境[25]。本研究中，随着胁迫时间的增加，所有处理抗氧化酶活性均呈下降趋势。其中，20%和25%处理抗氧化酶活性下降幅度较大，到第14天时与15%相差不大，表明胡椒植株在20%～25%土壤含水量条件下，能够通过一定时间适应调整以恢复正常生长；而5%和10%处理则下降幅度较小，说明5%和10%处理对胡椒胁迫程度较高，特别是5%处理对胡椒影响最为严重，2～3 d后植株叶片出现严重失水，从而表现为抗氧化酶活性显著低于10%处理。上述结果表明，适宜胡椒生长的土壤水分含量范围为15%～25%。
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植株在衰老或逆境下遭受伤害，往往发生膜脂过氧化，MDA是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量的高低可反映植物膜伤害的程度。本研究中，5%和10%处理的MDA含量相对较高，进一步说明5%和10%处理对胡椒胁迫程度较高；而15%、20%和25%处理的MDA则显著低于5%和10%处理，说明其受胁迫程度相对较低，是胡椒生长的适宜土壤水分范围。而且，MDA作为膜脂过氧化产物，其含量与SOD、POD和CAT保护酶活性密切相关，这是因为SOD、POD和CAT活性下降，可能直接或者间接地启动膜脂过氧化使MDA含量增加；而随着MDA的积累反过来又抑制了抗氧化酶的活性，使其下降，从而丧失了保护酶系统的功能，促使膜系受损加重[25]，本研究结果与该结论基本一致。因此，胡椒叶片的抗氧化酶活性和膜脂过氧化水平可衡量其遭受外界逆境的胁迫程度，在今后研究中可作为抗逆品种筛选的重要生理指标。
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土壤水分观测仪器维护与故障处理 篇12
关键词：土壤水分测试仪器,维护,安装,设置,故障
1 SDRC-10Ⅰ太阳能电源控制器
1.1 太阳能控制器接线方法与步骤
1.1.1 与连接蓄电池
先连接控制器上蓄电池的接线端子, 再将另外的端头连至蓄电池上, 注意+、-极, 不要反接。如果连接正确, 指示灯 (2) 应亮, 可按按键来检查。否则, 需检查连接对否。如发生反接, 不会烧保险丝及损坏控制器任何部件。保险丝只作为控制器本身内部电路损坏短路的最终保护。
1.1.2 连接太阳能电池导线
先连接控制器上太阳能电池的接线端子, 再将另外的端头连接至太阳能电池上, 注意+、-极, 不要反接, 如果有阳光, 充电指示灯 (1) 应亮。否则, 需检查连接对否。
1.1.3 负载连接
将负载的连线接入控制器上的负载输出端, 注意+、-极, 不要反接, 以免烧坏用电器。
1.2 工作模式设置
设置方法:按下负载开关按钮持续5s, 模式 (MODE) 显示数字LED闪烁, 松开按钮, 每按1次转换1个数字, 直到LED显示的数字对上用户从表中所选的模式对应的数字即停止按键, 等到LED数字不闪烁即完成设置。每按1次按钮, LED数字点亮, 可观察到设置的值。
而土壤水分测试仪器一般采用通用控制器方式“6.”:此方式仅取消光控、时控功能、输出延时以及相关的功能, 保留其他所有功能, 作为一般的通用控制器使用。
1.3 常见故障现象及处理方法
太阳能控制器的常用故障主要有以下几点, 具体现象和解决办法如表1。
2 数据采集器
采集器内部主要由太阳能电源控制器、蓄电池、采集器板和GPRS通讯板等组成。
2.1 采集器状态灯指示
采集器正常运行时指示灯状态如下:
电源指示 (黄色) :常亮。
电源指示 (红色) :闪烁 (亮灭各1s) 。
GPRS登录指示 (绿色) :登录到服务器亮, 退出时灭。
2.2 采集器运行注意事项
由于采集器在运输过程中会引起连接端子和跳线帽的松动, 因此采集器在加电之前, 一定要检查跳线帽是否脱落, 接线端子连接是否松动, 确保各个连接器正确可靠连接;检查蓄电池的电压是否正常 (12~15V) ;安装连接完成后, 使用笔记本电脑通过RS232接口与采集器连接, 即时读取当前水分值, 确保在合理范围之内。
2.3 采集器运行设置
进入本软件的安装目录, 双击可执行文件Soil_Debug.exe或调试软件图标即可完成启动。
2.3.1 串口设置
在串口设置区域, 正确选择所连接的串口, 设置串口方法一般为用右键打开“我的电脑”下拉菜单, 选择“管理”, 进入计算机管理选择“设备管理器”, 在下拉菜单打开“端口”, 可以看到与设备连接的端口, 当端口不在1-4时, 需要在端口设置高级中把对应的端口设为1-4中空闲的端口, 然后点击确定, 再把软件中的串口设置为对应的串口点击通讯连接就可以连接到采集器。
2.3.2 参数设置
程序启动默认的界面即为参数设置页, 通讯连接。
主机地址:一般设置为1。
采集器地址:一般设置为1;也可以根据中心站具体的命名设置为相应的编号。
电压采样间隔:一般设置为3s。
数据存储间隔:采集器自动采集存储的时间间隔, 我市一般设置为255。
数据存储间隔单位:选择分钟或小时, 呼和浩特市一般设置为分钟。
传感器扫描间隔:呼和浩特市一般设置为3s。
传感器数量:探测器连接的传感器数量;根据探测深度和传感器的数量确定。
设置参数:正确输入采集器的各种参数后, 单击该按钮, 可以将参数写入采集器中。
读取参数:读取出采集器的各种参数, 检查输入是否正确。对时:将采集器与PC机对时。
读时钟:读取采集器内的时钟。
单击采集器对时框内的读时钟按钮, 将弹出读时钟完毕对话框。然后单击对时按钮, 将弹出与采集器对时完毕对话框。
GPRS服务器IP和端口设置:服务器地址一般设置为中心站的地址, 呼和浩特市服务器IP地址在区局, 地址设置为222.74.231.206, 服务器端口设置为2020。
GPRS服务器APN设置:呼和浩特市采用移动信号传输, 设置为CMNET。
3 传感器
传感器的维护维修, 一般需要台站和盟市技术人员能够熟练判别传感器的状态, 传感器工作状态检测步骤主要有以下几点:
3.1 接线端子检查
检查跳线帽是否脱落, 用手重新按压各个传感器和主机板与带缆线的排线插针, 确保各个连接器可靠连接。
3.2 检查传感器电路板与两个铜环之间的连接线是否脱落
如脱落, 要用大功率烙铁重新焊接;传感器连接松动、损坏, RS485线路损坏, 传感器处理板、连接用的扁平电缆等出现问题等可能导致通讯无法正常连接, 监控软件、调试软件都将无法进行通讯连接。
3.3 传感器问题
某一传感器出现问题, 将直接导致该层对应的数据出现错误或异常。使用调试软件进行数据监视 (具体操作请参考调试软件的使用说明) , 观察水分值和频率值。若某一层或某几层数值对应为0, 说明该层传感器可能已经损坏或无法正常工作。在彻底断电的情况下, 检查传感器与扁平电缆连接是否完好, 传感器外观有无明显异常或松动等。
4 结语
随着土壤水分自动化观测的逐步发展, 土壤水分测试仪器将逐渐普及, 这就要求台站技术人员要逐步掌握土壤水分测试仪器的调试和维护, 希望广大维护人员能够认真研究仪器的结构和功能, 保证仪器的正常使用。
参考文献