CN107525756A - 一种土壤分层特征获取方法及应用 - Google Patents

一种土壤分层特征获取方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土壤分层特征获取方法及应用，属于农业灌溉技术领域。该方法包括：根据农田管理区内拟种植作物类型，确定作物根系主分布层的深度。在管理区内设定采样点，对采样点进行灌溉，使作物根系主分布层深度处的土壤吸水至饱和。获取作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，当深层渗漏量达到接近阈值时，测量采样点在不同深度层处的土壤含水率。根据多个土壤含水率，获取采样点在不同深度层的土壤质地，进而获得管理区的土壤分层特征。由于土壤垂直剖面的分层特征对于土壤水分运移具有明显影响，将其作为考虑因素能够更加有效地确定土壤水分传感器的埋设位置，对于高效指导农田灌溉具有重要的意义。

Description

一种土壤分层特征获取方法及应用
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术领域，特别涉及一种土壤分层特征获取方法及应用。
背景技术
目前，多将土壤水分传感器埋设于土壤中来测量土壤含水率，以用来指导农田灌溉。对于不同类型的作物以及不同类型的土壤，为了获得真实有效的土壤含水率数据，确定土壤水分传感器适宜的埋设位置十分必要。
现有技术(CN104569342A)通过获取土壤可利用水量，将目标田块分为供水能力不同的管理区，然后根据作物对水分的依赖程度以及各个管理区的面积比例，确定土壤水分传感器在水平方向适宜的埋设位置。其中，在获取土壤可利用水量时，通过获取每个采样点不同土层的土壤田间持水量、土壤粒级组成和土壤容重，并利用它们计算得到该采样点处作物根系主分布层的平均土壤可利用水量。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
土壤垂直剖面的分层特征对于土壤水分运移具有明显影响，然而，现有技术在获取土壤可利用水量时并没有考虑土壤垂直剖面的分层特征，一旦土壤出现阻止水分下渗的夹层，按照现有技术确定土壤水分传感器埋设位置时包含了埋设于夹层以下的情况，此时夹层以下的土壤水分传感器对于指导农田灌溉为无效的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种土壤分层特征获取方法及应用。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种土壤分层特征获取方法，所述方法包括：
根据农田管理区内拟种植作物类型，确定作物根系主分布层的深度；
在所述管理区内设定采样点，对所述采样点进行灌溉，使所述作物根系主分布层深度处的土壤吸水至饱和；
获取所述作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，当所述深层渗漏量达到接近阈值时，测量所述采样点在不同深度层处的土壤含水率；
根据多个所述土壤含水率，获取所述采样点在不同所述深度层的土壤质地，进而获得所述管理区的土壤分层特征。
具体地，作为优选，所述对所述采样点进行灌溉，使所述作物根系主分布层处的土壤吸水至饱和，包括：
在所述采样点处埋设土壤水分传感器，所述土壤水分传感器的埋设深度大于所述作物根系主分布层的深度；
以所述土壤水分传感器为圆心安装双环入渗仪，并使所述双环入渗仪进入土壤的深度大于或等于所述作物根系主分布层；
利用所述双环入渗仪进行定水头积水入渗实验，确定所述作物根系主分布层深度处的土壤是否吸水至饱和。
具体地，作为优选，所述双环入渗仪的内环直径大于所述土壤水分传感器的测量直径。
具体地，作为优选，所述测量所述作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，包括：
在所述双环入渗仪的内环中埋设至少一个土壤张力计，并使所述土壤张力计的探头位于所述作物根系主分布层上下10cm处；
利用所述土壤张力计测量土壤基质势，根据所述土壤基质势，通过定位通量法获取所述深层渗漏量。
具体地，作为优选，当所述深层渗漏量达到接近阈值时，利用所述土壤水分传感器测量所述采样点在不同深度层处的土壤含水率。
具体地，作为优选，所述根据多个所述土壤含水率，获取所述采样点在不同所述深度层的土壤质地，包括：
获取土壤质地与水分特征关系；
利用所述土壤质地与水分特征关系，分别对每个所述土壤含水率进行分析，确定与每个所述土壤含水率对应的土壤质地，获取所述采样点在不同所述深度层的土壤质地。
具体地，作为优选，当不同所述深度层的所述土壤含水率的变化在允许范围内，且不同所述深度层的所述土壤含水率分布在同一质地土壤的土壤含水率变化范围内，则判断所述采样点的土壤垂直剖面为均质土壤，反之为含夹层土壤。
第二方面，提供了上述的任一种方法在确定土壤水分传感器埋设位置中的应用。
具体地，当判断所述采样点的土壤垂直剖面为均质土壤时，则在所述采样点所在管理区内埋设土壤水分传感器时，所述土壤水分传感器埋设深度位于所述作物根系主分布层处。
具体地，当判断所述采样点的土壤垂直剖面为含夹层土壤时，则在所述采样点所在管理区内埋设土壤水分传感器时，所述土壤水分传感器埋设于所述夹层以上。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的方法，基于管理区内待种植作物类型，在管理区内选取采样点，通过对采样点进行灌溉，使作物根系主分布层处的土壤处于吸水饱和状态，随后通过测量作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，来判断作物根系主分布层土壤内的重力水的排出情况。当深层渗漏量达到接近阈值时，可以确定该重力水已经全部排出，此时的土壤含水率即为作物生长所需的田间持水量。通过测量不同深度层处的土壤含水率，来判断采样点在不同深度层的土壤质地，进而获得管理区的土壤垂直剖面的分层特征。由于土壤垂直剖面的分层特征对于土壤水分运移具有明显影响，将其作为考虑因素能够更加有效地确定土壤水分传感器的埋设位置，对于高效指导农田灌溉具有重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的定水头积水入渗实验装置的结构示意图。
附图标记分别表示：
1-土壤水分传感器；
2-双环入渗仪；
3-马里奥特瓶；
4-土壤张力计。
具体实施方式
除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
需要说明的是，本发明实施例所述的“作物根系主分布层”指的是作物根系在土壤中的主要分布层，在本发明实施例中，其指的是分布有作物总根系至少80％体积含量作物根系的土壤层。
第一方面，本发明实施例提供了一种土壤分层特征获取方法，该方法包括以下步骤：
步骤101、根据农田管理区内拟种植作物类型，确定作物根系主分布层的深度。
步骤102、在管理区内设定采样点，对采样点进行灌溉，使作物根系主分布层深度处的土壤吸水至饱和。
步骤103、获取作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，当深层渗漏量达到接近阈值时，测量采样点在不同深度层处的土壤含水率。
步骤104、根据多个土壤含水率，获取采样点在不同深度层的土壤质地，进而获得管理区的土壤分层特征。
本发明实施例提供的方法，基于管理区内待种植作物类型，在管理区内选取采样点，通过对采样点进行灌溉，使作物根系主分布层处的土壤处于吸水饱和状态，随后通过测量作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，来判断作物根系主分布层土壤内的重力水的排出情况。当深层渗漏量达到接近阈值时，可以确定该重力水已经全部排出，此时的土壤含水率即为作物生长所需的田间持水量。通过测量不同深度层处的土壤含水率，来判断采样点在不同深度层的土壤质地，进而获得管理区的土壤垂直剖面的分层特征。由于土壤垂直剖面的分层特征对于土壤水分运移具有明显影响，将其作为考虑因素能够更加有效地确定土壤水分传感器的埋设位置，对于高效指导农田灌溉具有重要的意义。
以下就本发明实施例提供的上述方法中的各个步骤分别给予详细阐述：
对于步骤101来说，其根据农田管理区内拟种植作物类型，确定作物根系主分布层的深度，如此，可在土壤分层特征确定后，针对特定的作物适应性地选择对其适用的合理灌溉模式。
可以理解的是，不同作物的根系不同，导致其吸水能力也不同，本发明实施例通过步骤101确保了该方法在用于农田灌溉时的准确性。
进一步地，针对同一种作物，其不同的生育期对应的作物根系也不相同，还可以针对特定的生育期确定作物根系主分布层的深度，如此能够进一步提高本发明实施例所述方法的适用性。
对于步骤102来说，通过在管理区内设定采样点，对采样点进行灌溉，使作物根系主分布层深度处的土壤吸水至饱和，以确保在自然条件下，土壤孔隙(包括毛管孔隙和非毛管孔隙)全部充满水分，使其土壤达到最大容水能力，如此可保证后续土壤分层特征判断的准确性。
对于采样点的选择，可以设定一个采样点，也可以设定多个采样点，以提高精确度。举例来说，当设定一个采样点时，可以将其设定在管理区的中心位置；当设定多个采样点时，可以将多个采样点均匀分布在管理区内。
考虑到采样点的面积受限，并且如何在有限的土壤面积内获取能真实反映管理区整体土壤特性的数据，以下就步骤102的具体实施给出一种实现方式，其包括：
步骤1021、在采样点处埋设土壤水分传感器，土壤水分传感器的埋设深度大于作物根系主分布层的深度。
通过在采样点处埋设土壤水分传感器，以便于将其所在位置作为中心轴线进行后续的土壤灌溉饱和实验，如此，待土壤内的重力水的全部排出后，可以利用土壤水分传感器沿其长度方向测量不同深度处的土壤含水率，此时测量得到的土壤含水率更能真实反映采样点不同深度处的土壤持水特性。
其中，通过使土壤水分传感器的埋设深度大于作物根系主分布层的深度，以确保后续测量土壤含水率时不会遗漏作物根系所在的任何层。举例来说，该土壤水分传感器的埋设深度可以比作物根系主分布层的深度深2-5cm。
可以理解的是，此时所述的土壤水分传感器的埋设深度可以理解为其探管所在深度，当测量不同深度层的土壤含水率时，只需拉动该土壤水分传感器探头，使其到达目标测量层即可。
步骤1022、如附图1所示，以土壤水分传感器1为圆心安装双环入渗仪2，并使双环入渗仪2进入土壤的深度大于或等于作物根系主分布层。
双环入渗仪是土力学常用的实验设备，用来测量水渗入土壤的渗透速度，进而计算土壤的垂向渗透系数。如附图1所示，双环入渗仪2包括两个同心圆环体。其中，内环用来控制实验面积，外环保证内环内的液体垂直下渗进而减少侧向渗流。
为了确保双环入渗仪的内环能够将作物根系主分布层全部容纳在其中，使双环入渗仪进入土壤的深度大于或等于作物根系主分布层。
进一步地，在安装双环入渗仪时，使双环入渗仪的内环直径大于土壤水分传感器的测量直径(即测量范围)，确保土壤水分传感器处于理想的模拟环境中，利于提高后续所获得不同层土壤含水率的精确度。
步骤1023、利用双环入渗仪进行定水头积水入渗实验，确定作物根系主分布层深度处的土壤是否吸水至饱和。
定水头积水入渗实验为本领域所常见的，如附图1所示，在本发明实施例中使马里奥特瓶3通过软管与双环入渗仪2的内环上部连通来进行该实验，具体实验过程及原理如下所述：将双环入渗仪压入土壤后，往环腔内注水，用马利奥特瓶控制外环和内环的水柱都保持在同一高度上(例如10厘米)，当渗水试验进行到渗入水量趋于稳定时，可精确计算渗透系数。
在实验过程中，可以通过观察马里奥特瓶的出水量来判断土壤是否已经达到吸水饱和，在本发明实施例中，如若马里奥特瓶每5分钟的出水量在连续30分钟的时间段内基本保持相同时，即可停止向马里奥特瓶供水，此时可确定作物根系主分布层深度处的土壤已经吸水至饱和。
待作物根系主分布层深度处的土壤达到吸水饱和后，本发明实施例通过步骤103来获取作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，当该深层渗漏量达到接近阈值时，测量采样点在不同深度层处的土壤含水率。
深层渗漏量是用来判断灌溉水或降水下渗到不能为作物利用的深层土壤的指标，本发明实施例针对深层渗漏量来设定接近阈值，来判断作物根系主分布层土壤内的重力水是否已经完全排出。其中，该接近阈值的数值优选为0，或者也可以在0-0.1以内。
对于深层渗漏量的获取，以下给出一种简单有效的方法：
如附图1所示，在双环入渗仪2的内环中埋设至少一个土壤张力计4，并使土壤张力计4的探头位于作物根系主分布层上下10cm处。
利用土壤张力计测量土壤基质势，根据土壤基质势，通过定位通量法获取深层渗漏量。
本领域技术人员可以理解的是，土壤张力计又称负压式土壤湿度计，常用来测定土壤吸力，即土壤基质势。其一般包括：陶土头、腔体、集气室、计量指标器，陶土头是土壤张力计的感应部件(即为土壤张力计的探头)，具有许多微小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜。当陶土头中的孔隙全部充水后，孔隙中水就具有张力，这种张力能保证水在一定压力下通过陶土头，但阻止空气通过。
当充满水且密封的土壤湿度计插入水分不饱和的土壤时，水膜就与土壤水连接起来，产生水力上的联系。土壤系统的水势不相等时，水便由水势高处通过陶土头向水势低处流动，直至两个的系统的水势平衡为止。当忽略了重力势、温度势、溶质势后，系统的水势即为压力势和基质势之和，土壤的压力势(以大气压力参考)为零，土壤张力计里无基质，基质势为零，土壤水的基质势便可由土壤张力计所示的压力(差)来量度。非饱和土壤水的基质势抵于土壤张力计里的压力势，土壤就透过陶土头向仪器吸水，直到平衡为止。因为土壤张力计是密封的，仪器中就产生真空度或吸力(低于大气参照压力的压力)，此时土壤张力计内的负压即为土壤的吸力。土壤水吸力与土壤水基质势在数值上是相等的，只是符号相反。
在埋设双环入渗仪之前，可以在土壤水分传感器附近埋设至少一个(例如两个)土壤张力计(两者之间的间距可以为土壤水分传感器测量直径的1/3-1/2)，土壤张力计位于双环入渗仪的内环中，并使土壤张力计的探头位于作物根系主分布层上下10cm处，例如，使其中一个土壤张力计的探头位于作物根系主分布层以上1-10cm处，使另外一个土壤张力计的探头位于作物根系主分布层以下1-10cm处，以确保获得通过作物根系主分布层的水流通量。
在获取得到土壤基质势后，根据土壤基质势，通过定位通量法即可计算得到深层渗漏量。
定位通量法是本领域所常用的实验研究方法，举例来说，荆恩春等出版的《土壤水分通量法实验研究—ZFP方法、定位通量法、纠偏通量法应用基础》中对定位通量法的应用进行了详细阐述，本领域技术人员通过参考其，即可容易地利用土壤基质势计算得到深层渗漏量。
进一步地，当深层渗漏量达到接近阈值时，利用上述的埋设于双环入渗仪中的土壤水分传感器测量采样点在不同深度层处的土壤含水率。
随后进行步骤104，根据多个土壤含水率，获取采样点在不同深度层的土壤质地，进而获得管理区的土壤分层特征，具体地，其又包括：
步骤1041、获取土壤质地与水分特征关系。
步骤1042、利用土壤质地与水分特征关系，分别对每个土壤含水率进行分析，确定与每个土壤含水率对应的土壤质地，获取采样点在不同深度层的土壤质地。
由于特定深度层的土壤质地与水分特征，即土壤含水率直接相关，并且目前就土壤质地与水分特征之间的关系已经有很多研究，举例来说，Richard G.Allen在《Cropevapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAOIrrigation and drainage paper 56》中公开了不同质地的土壤的水分特征参数(具体参见第144页)，其可以应用于本发明实施例中作为土壤质地与水分特征关系的参照标准。
基于所获取的土壤质地与水分特征关系，分别对每个深度层的土壤含水率进行分析，确定与每个深度层的土壤含水率对应的土壤质地，即可获取采样点在不同深度层的土壤质地。
在利用土壤质地与水分特征关系，确定与每个深度层土壤含水率对应的土壤质地时，当不同深度层的土壤含水率的变化在允许范围内，且不同深度层的土壤含水率分布在同一质地土壤的土壤含水率变化范围内，则判断采样点的土壤垂直剖面为均质土壤，反之为含夹层土壤。
其中，含夹层土壤指的是土壤中有明显的夹层，举例来说，砂土-壤土-砂土就含有明显的夹层。
第二方面，本发明实施例提供了上述的任一种方法在确定土壤水分传感器埋设位置中的应用。
利用本发明实施例提供的方法确定采样点的土壤垂直剖面分层特征以后，即可确定管理区的土壤分层特征，此时，在利用现有技术确定土壤水分传感器的位置时，可以将土壤分层特征作为考虑因素，对于确定土壤水分传感器的有效埋设位置，高效指导农田灌溉具有重要的意义。
具体地，当判断采样点的土壤垂直剖面为均质土壤时，则在采样点所在管理区内埋设土壤水分传感器时，土壤水分传感器埋设于作物根系主分布层处。
当判断采样点的土壤垂直剖面为含夹层土壤时，则在采样点所在管理区内埋设土壤水分传感器时，土壤水分传感器埋设于夹层以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土壤分层特征获取方法，其特征在于，所述方法包括：
根据农田管理区内拟种植作物类型，确定作物根系主分布层的深度；
在所述管理区内设定采样点，对所述采样点进行灌溉，使所述作物根系主分布层深度处的土壤吸水至饱和；
获取所述作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，当所述深层渗漏量达到接近阈值时，测量所述采样点在不同深度层处的土壤含水率；
根据多个所述土壤含水率，获取所述采样点在不同所述深度层的土壤质地，进而获得所述管理区的土壤分层特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述采样点进行灌溉，使所述作物根系主分布层处的土壤吸水至饱和，包括：
在所述采样点处埋设土壤水分传感器，所述土壤水分传感器的埋设深度大于所述作物根系主分布层的深度；
以所述土壤水分传感器为圆心安装双环入渗仪，并使所述双环入渗仪进入土壤的深度大于或等于所述作物根系主分布层；
利用所述双环入渗仪进行定水头积水入渗实验，确定所述作物根系主分布层深度处的土壤是否吸水至饱和。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述双环入渗仪的内环直径大于所述土壤水分传感器的测量直径。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量所述作物根系主分布层以下土壤的深层渗漏量，包括：
在所述双环入渗仪的内环中埋设至少一个土壤张力计，并使所述土壤张力计的探头位于所述作物根系主分布层上下10cm处；
利用所述土壤张力计测量土壤基质势，根据所述土壤基质势，通过定位通量法获取所述深层渗漏量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述深层渗漏量达到接近阈值时，利用所述土壤水分传感器测量所述采样点在不同深度层处的土壤含水率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据多个所述土壤含水率，获取所述采样点在不同所述深度层的土壤质地，包括：
获取土壤质地与水分特征关系；
利用所述土壤质地与水分特征关系，分别对每个所述土壤含水率进行分析，确定与每个所述土壤含水率对应的土壤质地，获取所述采样点在不同所述深度层的土壤质地。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当不同所述深度层的所述土壤含水率的变化在允许范围内，且不同所述深度层的所述土壤含水率分布在同一质地土壤的土壤含水率变化范围内，则判断所述采样点的土壤垂直剖面为均质土壤，反之为含夹层土壤。
8.权利要求1-7任一项所述的方法在确定土壤水分传感器埋设位置中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，当判断所述采样点的土壤垂直剖面为均质土壤时，则在所述采样点所在管理区内埋设土壤水分传感器时，所述土壤水分传感器埋设深度位于所述作物根系主分布层处。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，当判断所述采样点的土壤垂直剖面为含夹层土壤时，则在所述采样点所在管理区内埋设土壤水分传感器时，所述土壤水分传感器埋设于所述夹层以上。
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