小e講堂の捋一捋土壤墑情監(jiān)測相關(guān)的幾個關(guān)鍵概念!

2017-07-13 10:25:50 點將科技系統(tǒng)集成部 490

農(nóng)業(yè)是人類的根基，各國每年花大量的資金投入土壤墑情監(jiān)測。國外有很多企業(yè)從事針對農(nóng)業(yè)的墑情、氣象、灌溉相關(guān)服務(wù)，整個產(chǎn)業(yè)鏈、商業(yè)化、市場化都比較成熟。

近年來，在中國從事與土壤墑情、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品及服務(wù)相關(guān)的專業(yè)企業(yè)中，數(shù)家企業(yè)的年營業(yè)額都已經(jīng)突破億元，并成為了資本市場搶手的企業(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)測智能硬件異軍突起、農(nóng)業(yè)勞動力匱乏、大量投資轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)行業(yè)等背景下，這實際上已經(jīng)成為了很少有人看到的風(fēng)口。

小e講堂の捋一捋土壤墑情監(jiān)測相關(guān)的幾個關(guān)鍵概念!

小e從事墑情相關(guān)工作多年，站在風(fēng)口，感覺風(fēng)越來越大。最近越來越多地被咨詢這些問題：

土壤的體積含水量、重量含水量、相對含水量有什么區(qū)別？

土壤水分傳感器測量得到的是體積含水量還是重量含水量？

如何才能測出土壤的相對含水量？

小e原想把這些問題的答案寫在手機備忘錄上，有人詢問就復(fù)制粘貼微信發(fā)出，后來一想，這樣的效率還是不高，浪費時間不少，關(guān)鍵的是：需要寫出一篇自成體系的文章出來，把事情的來龍去脈講清楚。

本文分三個部分?：

第一部分是幾個基礎(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個文字，從土壤水分監(jiān)測歷史發(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、相對含水量這些基本概念。

第三部分寫土壤墑情的未來，對于已經(jīng)踏入或準備踏入該行業(yè)的朋友，一定要思索未來會發(fā)生什么，才有機會站到或靠近這個特別的風(fēng)暴口。

一、純概念定義（不喜歡看概念定義的請?zhí)x后續(xù)干貨）

1、土壤含水量：一般是指土壤絕對含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也稱土壤含水率。

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的含水量。

5、相對含水量：一般是指土壤含水量占田間持水量的百分數(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)過一定時間，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”的來龍去脈

墑，是指適宜植物生長發(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。土壤墑情是否適宜植物生長發(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，土壤墑情的測報工作對人類極為重要。

那么，問題來了，如何測報土壤墑情才能反應(yīng)土壤濕度是否處于適宜植物生長發(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了（建議跳過、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、相對含水量、飽和含水量、田間持水量、作物缺水脅迫、凋萎點、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……

不就是一個土壤濕度嗎？要按人類現(xiàn)有的知識框架正確表達清楚，得搞懂相關(guān)的概念至少二十八個，嚇死寶寶了！不怕，本文就把土壤墑情的事說清楚、道明白！

首先，歷史以來，人們都是如何判斷識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準。可以用手捏，用手捏一把土壤然后放開手，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準。

既然眼睛和手都不靠譜，能不能通過直接加熱讓水分揮發(fā)的方式（對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。恒溫箱烘干稱重法一直被認為是很經(jīng)典和很準確的標準方法。

顯然，烘干稱重法得到的是重量含水量

烘干法的優(yōu)點是就樣品本身而言結(jié)果可靠，但它的缺點也是明顯的。取樣時會破壞土壤，深層取樣困難，定點測量時不可避免由取樣換位而帶來誤差。在很多情況下難以進行長期原位監(jiān)測且受土壤空間變異性影響也比較大。取土烘干操作費時費力，至少需8小時以上，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)明機器是人類的專長，既然稱重烘干法的缺點如此嚴重，人們都基于科學(xué)原理發(fā)明了哪些機械儀器來測量土壤中水分呢？（提前說一句，在所有測量土壤水分的方法中，只有烘干法得到的是重量含水量，因為在烘干法中必須使用工具：稱重量的稱。）

20世紀50年代，曾經(jīng)很牛的土壤水分儀器誕生——中子儀。由于每個水分子中含有兩個氫原子，利用中子源輻射的快中子，碰到氫原子時慢化為熱中子，通過熱中子數(shù)量與土壤含水量之間的相關(guān)關(guān)系，來確定土壤水分的多少。

世界上很多國家對中子儀進行研究，使中子法日趨完善。中子法十分適用于監(jiān)測田間土壤水分動態(tài)，套管安放后不破壞土壤，能長期定位連續(xù)測定，不受滯后作用影響，測深不限，中子儀還可與自動記錄系統(tǒng)和計算機連接，因而成為田間原位測定土壤含水量較好的方法并得到廣泛應(yīng)用。

然并卵，需要田間校準是中子法的主要缺點之一，另外，儀器設(shè)備昂貴，一次性投人大，單臺儀器10萬人民幣以上。中子法的土壤采樣范圍為一球體，這使得在某些情況下測量結(jié)果會出現(xiàn)偏差，比如在中子儀附近有一個蘿卜，則蘿卜的水分也被視為土壤水分數(shù)據(jù)，另外，土壤處于干燥或濕潤周期時、層狀土壤、表層土壤等情況，都會造成數(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)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場的原理（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。許多試驗表明，無論土壤的構(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90年代后，國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。

沒有一種產(chǎn)品能夠一統(tǒng)天下，目前市面上還有另外一類水分儀占有一定市場——張力計。

張力計測量的是土壤的基質(zhì)勢。張力計法的優(yōu)點是在土壤比較濕潤的情況下測量土壤基質(zhì)勢很準確,適合于灌溉和水分脅迫的監(jiān)測。與測量土壤容積或重量含水量的方法相比,張力計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)備的直接測量方法,能夠連續(xù)測量。

張力計法的主要缺點表現(xiàn)在反應(yīng)慢，需要長時間平衡后才能讀數(shù)；測量范圍小，非常干燥的土壤中不適合。如果瓷杯與土壤接觸不緊密(如放置在根系活動范圍內(nèi)或有機肥分解產(chǎn)生氣體的地方或土壤失水收縮嚴重時)，會引起讀數(shù)的反應(yīng)遲鈍或停滯。在測量過程中,特別是在高溫干旱季節(jié)，需要經(jīng)常養(yǎng)護和給瓷杯補充水分。毛瓷杯易損壞，需要定期維護和更換，勞力和時間消耗非常多，運行費用較高。

需要強調(diào)，在上述眾多方法中，除了使用烘干法得到重量含水量、使用張力計測量得到土壤水勢以外，目前地球上存在的其它各種土壤水分儀器測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。

事實上，體積含水量的表達方式更為科學(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，問題出現(xiàn)了：用儀器測量到了土壤水分含量的部分數(shù)據(jù)，離掌握土壤墑情還差十萬八千里。因為，測量得到的土壤水分含量是單點靜態(tài)的數(shù)據(jù)，反應(yīng)植物適宜土壤濕度的墑情則是一個動態(tài)的土壤濕度范圍。這個動態(tài)的土壤濕度范圍和土壤類型、植物類型、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NB的概念被創(chuàng)造使用了：相對含水量。

相對含水量的概念拋開了上述復(fù)雜相關(guān)因素，僅從一個關(guān)鍵維度考慮問題：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，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，假如某時刻測量到含水量為9%，該時刻的相對含水量=9%/18%=50%，這樣就簡單明了了：當(dāng)前的含水量狀態(tài)相對于土壤的最大吸水能力狀態(tài)處于50%的水平。

相對含水量在政府墑情測報中使用很廣泛。其中就有根據(jù)土壤相對含水量(R)的干旱等級指標：60<R，無旱；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。

相對含水量固然好，問題隨之來了：如何準確確定監(jiān)測點的土壤最大吸水能力呢？

這涉及兩個概念：田間持水量和飽和含水量。

田間持水量（簡稱：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)過一定時間，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。

飽和含水量也稱飽和持水量，是指土壤孔隙全部充滿水分時的最大含水量。

相對含水量就是當(dāng)前測得含水量與田間持水量或者飽和含水量的比值。對于經(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，這是需要實測才能得到的數(shù)值，不同土質(zhì)、不同的土壤結(jié)構(gòu)相差巨大，即使同一個地點的土壤，由于農(nóng)機耕整地、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。

問題出現(xiàn)了：實測田間持水量和飽和含水量的費用、時間成本都是巨高的。況且，土壤的不一致性決定了：只有當(dāng)水分儀測量位置和實測田間持水量、飽和含水量位置一致時，所得到的相對含水量才是科學(xué)的。

因此，得到客觀準確的相對含水量并不是一件容易的事情。

文章來源：E生態(tài)

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