CN111727290A - 用于监测一田野中的水分状态的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于感测土壤中的水分状态的系统，所述系统包含一多孔材料及一水分状态感测器。所述多孔材料是被选择以主动增进根部生长。所述水分状态感测器被流体地连结到所述多孔材料。所述多孔材料是被配置以具有至少0.025平方米的一面积。

Description

用于监测一田野中的水分状态的方法

相关申请

本申请自申请日为2018年1月3日的美国临时专利申请第62/613,074号请求优先权，上述申请的内容以此通过引用以其整体被并入本文中。

技术领域及背景技术

本发明，在其一些实施例中，是关于土壤中的水分状态的感测，且更特定地但非排除性地，是关于改善感测农地中的水分状态时的空间覆盖率的一装置及方法。

土壤水分状态的测量对于衡量土壤的水分含量，举例而言，在农地中衡量土壤的水分含量，以决定灌溉排程是有用的。为了测量所述土壤的所述水分状态，可以使用一土壤基质势感测器(soil matric potential sensor)，比如张力计(tensiometer)或比如介电质探针(dielectric probe)的土壤含水量感测器。典型地，这些感测器对所述土壤在一离散位置的所述水分状态是敏感的。然而，众所周知，在一自然环境中的土壤在小空间规模及大空间规模上都是变化显著的。所述土壤中的空间变化性可能导致水分状态测量值的空间变化性。

一表征单元体尺度(representative elementary size，RES)是在复合材料领域中被使用的一周知术语，所述术语对应于一样本的体积、面积或长度，及是提供代表整体的测量值所必需的。以低于表征单元体尺度的复合材料的样本作出的测量值可被预期是波动的。当所述样本大小朝其表征单元体尺度增加，所述波动被预期将减弱直到一致的结果可被获得。将所述样本大小增加到超过所述表征单元体尺度可能导致代表地景中的大规模变异的额外变化，例如，与地形(topography)变化相关的额外变化。由于土壤的高度预期变异，不代表表征单元体尺度的测量值可能产生高标准差值，所述高标准差值可能并不可靠地代表所述土壤或所述土壤中的所述水分的状态。

在由Efraim Tripler作为题名为“研究经定期灌溉的土壤中的水及溶质的状态”的一篇博士论文的一部分，于2012年在以色列耶路撒冷希伯来大学进行的一研究中，定义了可以妥适地代表在具有栽培植物的一田野中的水分状态的一田野表征单元体长度(field representative elementary length，FREL)。所述田野表征单元体长度被定义为在其中每处平均测量值得到相似的值的(土壤中的)一长度。

发明内容

由于在一农田中的土壤在局部及田野尺度中的大变异性，可能难以基于在所述农田中的数个离散地点采取的感测器测量值适当评估对生长在所述农田中的植物而言的水分可得性。增加分布在所述农田中的感测器的数量以增加对所述农田的覆盖率，并增加测量值在接近被栽种的所述植物的根部处被采取的可能性可能并非实际的或经济上可行的。

根据一些示例性实施例的一个方面，提供了一种平均多孔介质(averagingporous media，APM)。所述APM是被配置以被放置在土壤中并提供所述APM被放置的所述土壤上及周围的土壤的水分状态的一平均效果。根据一些示例性实施例，所述平均效果是基于限定所述APM具有相对高的渗透系数，所述相对高的渗透系数鼓励经所述APM的内部水分流动。可选地，所述渗透系数在-500厘米至0厘米水柱的一基质扬程范围内各自为0.01厘米/小时至50厘米/小时或0.0001厘米/小时至50厘米/小时。

根据一些示例性实施例的一个方面，提供了一种用于监测一田野中的水分状态的方法。根据一些示例性实施例，一APM是被放置在所述土壤中且围绕所述APM的土壤的水分状态是基于以任何土壤基质势感测器或土壤水含量感测器感测所述APM而被感测。根据一些示例性实施例，一个感测器可以足够决定围绕所述APM，例如，被所述APM覆盖或在所述APM的界线内，的土壤的水分状态。可选地，所述APM的一尺寸及形状是基于一估计的田野表征单元体长度而被选择。

根据一些示例性实施例，所述APM是被额外界定为具有使得所述APM对生长在所述APM的邻近区域的植物成为一优选的根部生长介质的数种性质。可选地，所述数种被界定的性质是所述APM的力学性质。可选地，所述APM也被以肥料浸渍，且由所述肥料提供的所述养分进一步提高在所述APM中及所述APM周围的根部生长。通过鼓励在所述APM中的根部生长，在所述APM中被采取的感测器测量值可以代表在所述APM的邻近区域及在围绕所述APM的土壤中的所述植物的根部水势。在所述APM的邻近区域中的所述植物的所述根部水势可以包含较所述APM的尺寸更大的一区域，因为邻近的植物可能自15厘米至30厘米的一延伸距离生长其根部。

根据一些示例性实施例，一张力计被配置以供用于经由不受气泡阻碍的一流径(flow path)采取测量值。发明者已发现到，测量，例如压力感测，可能由于自所述流径中排除气泡而更加可靠。所述流径在所述张力计的多孔壁及采样所述流径中的所述液体，例如水，的一地点间。

根据一些示例性实施例的一方面，提供了一种用于感测土壤中的水分状态的系统，所述系统包含︰被选择以主动增进根部生长，及具有至少0.025平方米的一面积的一多孔材料；及被连结到所述多孔材料的一水分状态感测器。

可选地，所述多孔材料是被选择以在0厘米至-500厘米水柱的一基质扬程范围内具有高于所述土壤的渗透系数的一渗透系数。

可选地，所述多孔材料是被选择以在0厘米至-500厘米水柱的一基质扬程范围内具有50厘米/小时至0.01厘米/小时的一渗透系数。

可选地，所述多孔材料是纺织地工织物(woven geotextile)。

可选地，所述多孔材料是非纺织地工织物(unwoven geotextile)。

可选地，所述多孔材料的数个孔洞的尺寸是被选择以当被放置在所述土壤中时减少所述土壤的密度。

可选地，所述多孔材料被浸泡在溶解有肥料的一液体溶液中。

可选地，所述多孔材料被浸渍以肥料，所述肥料是以颗粒的形式存在，所述颗粒居于所述多孔材料的所述数个孔洞中。

可选地，所述多孔材料被浸渍以肥料，所述肥料是以包含液体的水胶或颗粒或缓释肥料的形式存在。

可选地，所述多孔材料是被形成为具有数个凹穴，所述数个凹穴是被配置以保有肥料。

可选地，所述水分状态感测器是被摆放在形成于所述多孔材料中的一凹穴中。

可选地，所述多孔材料是材料的一条带，所述条带具有25厘米至130厘米长及2厘米至50厘米宽的尺寸。

可选地，所述水分状态感测器是土壤基质势感测器或土壤含水量感测器。

可选地，所述水分状态感测器是被配置以在没有连接到一外部储水的情况下运作。

可选地，所述水分状态感测器是一张力计。

可选地，所述土壤基质势感测器包含：一多孔杯；一充水管；一感测器；及自所述感测器延伸向所述多孔杯的探针。

可选地，所述探针是被配置以在一高度采样所述水，所述高度低于气泡累积在所述充水管中的一高度。

可选地，所述土壤基质势感测器包含：一多孔杯；一充水管；一感测器；一桥形管道，所述桥形管道被配置以在所述充水管及所述感测器间提供液体连通，其中所述桥形通道被与一圆柱整合，所述圆柱延伸自所述桥的一顶峰高度。

可选地，所述桥形通道是被配置以被水充满。

可选地，所述圆柱是位在高于所述感测器的一高度。

可选地，所述管及所述桥形通道是整合的。

可选地，所述桥形通道是被造形为一弧形，有所述圆柱自所述弧形的所述顶峰高度延伸，或是被造形为一上下颠倒的字母Y的形状。

可选地，所述水分状态感测器是被配置以感测所述多孔材料上的水分状态的一平均读数。

根据一些示例性实施例的一个方面，提供了一种用于感测土壤中的水分状态的方法，所述方法包含：在所述土壤上铺设被选择以主动增进根部生长，及具有至少0.025平方米的一面积的一多孔材料；及将一水分状态感测器流体地连结到所述多孔材料。

可选地，所述多孔材料是被选择以具有高于所述土壤的一平均渗透系数的一渗透系数。

可选地，所述多孔材料是被选择以在0厘米至-500厘米水柱的基质扬程范围内具有50厘米/小时至0.01厘米/小时的一渗透系数。

可选地，所述多孔材料是地工织物。

可选地，所述方法包含：将所述多孔材料浸泡在溶解有肥料的一液体溶液或缓释肥料中。

可选地，所述方法包含：以肥料浸渍所述多孔材料。

可选地，所述多孔材料是被铺设在所述土壤的一表面下5厘米至50厘米的深度。

可选地，所述多孔材料是被成排铺设，栽培植物是被配置以被种植在所述排上。

可选地，所述多孔材料是被铺设在一释放器上，所述释放器被配置以释放用于灌溉所述土壤的水。

可选地，所述多孔材料是材料的一条带，所述条带具有50厘米至130厘米长及2厘米至50厘米宽的尺寸。

可选地，所述水分状态感测器是土壤基质势感测器或土壤含水量感测器。

可选地，所述水分状态感测器是一张力计。

可选地，所述水分状态感测器是被配置以感测所述多孔材料上的水分状态的一平均读数。

根据一些示例性实施例的一个方面，提供了一种用于组装用于感测土壤中的水分状态的一系统的方法，所述方法包含：在土壤上部署被选择以主动增进根部生长，及具有至少0.025平方米的一面积的一多孔材料；及将一水分状态感测器连结到所述多孔材料。

根据一些示例性实施例的一个方面，提供了一种被配置以横跨一空间区域采样土壤的平均水分状态的片材，所述片材包含：一第一部分，被选择以在0厘米至-500厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有0.1厘米/小时至0.01厘米/小时的一渗透系数；及一第二部分，被选择以在0厘米至-50厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有50厘米/小时至0厘米/小时的一渗透系数，其中所述第一部分及所述第二部分被连接到彼此。

可选地，所述第一部分及所述第二部分是形成自两种不同材料。

可选地，所述第一部分是基于将所述片材压实为一卷或一折层而被形成。

可选地，所述片材是纺织的及其中所述第一部分较所述第二部分具有较紧密的一织法。

除非另外定义，在本文中被使用的所有技术及/或科学术语与本发明所属领域的一般技术人员所理解者具有相同意义。虽然与本文中所描述的方法或材料相似或等同的方法或材料可以被用于实施或测试本发明的实施例，示例性的方法及/或材料在下文中被描述。若发生冲突，则专利说明书，连同定义，将占有主导地位。此外，所述的材料、方法及示例仅是示例性的而并非意在作为必然具限制性的。

附图说明

本发明的一些实施例在本文中仅以示例性的方式，参照附随的图式及影像而被描述。随着具体参照图式及影像的细节，需要强调的是，被展示的特定细节仅是以示例的方式及是为了例证性地讨论本发明的实施例。在此方面，连同图示及影像的描述使得本发明的实施例可以如何被实施对本领域的一般技术人员成为明显的。

在图式中：

图1A及1B是根据一些示例性实施例的两个示例性水分状态监测系统的简化示意图；

图2是根据一些示例性实施例的与一灌溉系统整合的一水分状态监测系统的简化示意图；

图3是根据一些示例性实施例的监测接近栽培植物的根部的土壤的水分状态的一示例性方法的一简化流程图；

图4A及4B是根据一些示例性实施例的两个示例性张力计的简化示意图；

图5A、5B及5C是根据一些示例性实施例的各包含两个不同渗透系数区的三个示例性水分状态监测系统的简化示意图；

图6A及6B是展示分别长入带有砂质土壤及黄土质土壤的地工织物的一向日葵的根的示例性影像；

图7A及7B是针对不同土壤分别以一土壤基质势感测器及以如本文中所描述的一APM在一小时内测量的基质势的示例性图表；及

图8是不具有一气泡阱的一第一张力计及具有一气泡阱的一第二张力计的基质势测量值以及两个张力计的环境温度测量值的示例性图表。

具体实施方式

本发明，在其一些实施例中，是关于土壤中的水分状态的感测，且更特定地但非排除性地，是关于改善感测农地中的水分状态时的空间覆盖率的一装置及方法。

根据一些示例性实施例，一APM被配置以由一均匀介质形成，所述介质具有相对高的一渗透系数。在一些示例性实施例中，所述渗透系数被界定为当所述基质势高于-500厘米水柱时大于0.01厘米/小时。所述APM可以由包括织物、金属或陶瓷材料的多种材料中的任一种制成。当需要根部生长时，对根部的穿透及生长具有比多孔材料被铺设于上的土壤更低的机械阻力的所述多孔材料，例如地工织物，是优选的。当被选择时，所述地工织物可以是纺织地工织物或非纺织地工织物。

根据一些示例性实施例，所述APM是以所述土壤的一表面下方5厘米至50厘米的一深度被放置于所述土壤。所述APM可以典型地被界定为具有一细长的形状。可选地，所述APM被界定为长0.5米至2米，例如长1米。可选地，所述APM是矩形的及具有10至50厘米宽的一宽度。在示例中，所述APM可以被塑形为一方形、圆形、圆柱或其他形状。在一些示例性实施例中，所述APM的尺寸是基于一田野表征单元体长度而被界定。可选地，一单一APM条带可以被选择以具有一第一区域及一第二区域，所述第一区域在湿润时具有一相对高的渗透系数，所述第二区域在湿润时具有一相对低的渗透系数。所述第一及第二区域或地带可以被物理性地或流体地连结到彼此，例如，被并排放置或一个被放置在另一个上方。可选地，所述低渗透系数区域及高渗透系数区域的所述结合可以在一较大基质扬程范围内提供改进的读数。所述低渗透系数区域及高渗透系数区域可以以不同材料、不同织法，或基于压缩一APM的一部分，例如，滚轧或折迭所述APM的一部分而被获得。

由本文中所述的APM的所述多孔材料所提供的通气性连同可能以肥料被提供的养分可以鼓励在土壤水基质势或水分含量被感测的所述APM上的根生长。通过主动促进所述APM上的密集根生长，测得的所述土壤水分状态的关联性可以被改善。所述改善可以不须主动定位包含根的一区域而被达成。

可选地，肥料可以被以液体或固体形式被浸渍于所述APM中。举例而言，所述APM可以被浸泡在包含所述肥料的液体中。在其它示例中，所述肥料可以是颗粒状的及可以被包埋在所述APM的多孔状表面中。可选地，所述APM是被形成为具有用于保有所述肥料的一或更多个隔室。

在一些示例性实施例中，所述APM是被配置以具有一细长的形状，所述细长的形状覆盖一延伸区域及数个不同土壤类型及状况。

在一些示例性实施例中，所述APM被定位以直接接触将水提供至植物的所述灌溉管线中的释放器。

基于所述APM及所述根部间建立的接触，以所述感测器在所述APM上采取的测量值可以对由所述根部的水分摄入及自所述灌溉管线释放器补充水所产生的所述水势变化是敏感的。

如在本文中所使用的，释放器一词可以意指被用于一灌溉系统中以自一灌溉系统的一灌溉管线中转移水，并将所述被转移的水递送到所述植物的各种类型的装置，比如滴头或洒水器，中的任何一种。可选地，来自水释放器的水释放器可以至少部分被所述APM吸收。

所述水分状态的读数可以，除其它事项外，被用于监测及管理灌溉。

在一示例性实施例中，一张力计被用于测量所述APM中的所述水分状态。与使用张力计相关的周知的一缺点是由于所述张力计中存在气泡而获得的错误读数。气泡在可能举例而言，所述张力计并未被完全密封时形成。所述张力计的抽吸将空气吸入所述张力计。在此情况下，在所述张力计中的压力可能与大气压力相等且所述水分状态读数可能不代表在所述APM中或所述土壤中的实际水分状态。为所述张力计及连接到所述张力计的所有连结提供一良好密封可有助于预防气泡形成。另一个气泡来源可能是由于土壤中的水，所述水可能含有被溶解的空气。当所述土壤脱水，所述张力计中的压力下降且被溶解在被接收到所述张力计中的水里的空气可能形成气泡。所述气泡可能影响所述测量并导致错误的读数。发明者已发现到，当所述气泡阻挡所述张力计的一多孔膜与所述测量仪器，例如，所述压力感测器，间的流动路径时，所述气泡的存在对所述测量的不利效果较大。

在一些示例性实施例中，一测量仪器，例如一压力感测器，通过一桥形的，例如一弧形的或上下颠倒的字母Y形状的通道被流体地连接到一张力计的一主体。所述通道包含在所述桥型的一顶峰高度的邻近区域周围的一圆柱或一烟囱管。气泡可以被配置以累积在所述圆柱中，而不妨碍经由所述弧形通道至所述测量仪器的所述流径。

在一些其它示例性实施例中，缘于气泡的错误读数可以基于将一细长探针自所述测量仪器，例如，所述张力计的所述压力感测器，连接到所述张力计壳体的空间中而被避免。测量可以基于在所述探针的一远端获得的样本而被作成。所述探针的所述远端可以被放置在所述张力计壳体的一下部中，而所述气泡倾向于累积在所述张力计壳体的一上部。以此方式，在所述APM及所述测量仪器间的所述流径不包含气泡。

现在参考图1A及图1B，图1A及图1B展示根据一些示例性实施例的两个示例性水分状态监测系统的简化示意图。

根据一些示例性实施例，一水分状态监测系统包括散布于一田野140的一个或更多个APM100及被放置在每个所述APM上或接近每个所述APM的一水分状态感测器104。所述水分状态感测器可以是举例而言，一土壤基质势感测器，比如一张力计或比如介电质探针的土壤含水量感测器。一探针102(图1A)可以被直接放置在APM100上及可以感测所述APM100的所述水分状态。可选地，所述探针102可以被放置在所述APM100附近，例如，在所述APM的0厘米至5厘米内，而在所述APM100及所述探针102间无直接接触。来自所述感测器104的输出可以通过有线或无线传输被传输至一控制器101。在一些示例性实施例中，所述感测器104可以被配置以远程地感测所述APM100的所述水分状态(图1B)，例如，所述感测器104可以是一透地雷达感测器。

来自所述感测器104的所述输出可以被所述控制器101所使用，以控制植物142的灌溉的排程。可选地，所述控制器101可以基于自所述感测器104接收到的所述输入而调整灌溉的地点、频率、长度及时机。所述水分状态感测器104不需要被连接到一外部储水。

在一些示例性实施例中，APM被埋置在包含栽培植物142，例如，行列作物，的一田野140中。可选地及优选地，所述APM100是被放置在所述田野的表面140下方5厘米至50厘米的一深度，及可以被放置而使所述APM100与所述土壤表面140根本上平行。在一些示例性实施例中，所述APM100是在种植前被成排放置且所述种子或植物142是被放置在所述APM100上。当一田野已被种上植物，所述APM100可以被放置得距植株行列有些许距离以避免损伤根部。随着时间过去，所述根部可被预期会由于所述APM100提供的可欲的条件而向所述APM100生长。所述APM100可以形成自被切割至一所欲长度的片材。替代地，所述APM100可以是其它形状，例如，可以是圆柱形或碟形。

根据示例性实施例，所述APM100是形成自一多孔材料，所述多孔材料相对于土壤141有相对高的渗透系数，例如在-500厘米至0厘米水柱的一基质扬程范围内各自为0.01厘米/小时至50厘米/小时或0.0001厘米/小时至50厘米/小时。所述材料的多孔性可以被选择以在所述APM100上达成所欲的一渗透系数。所述APM可以由包括织物、金属或陶瓷材料的多种材料中的任一种制成。在一些示例性实施例中，所述APM是地工织物，例如，纺织的或非纺织的地工织物。可选地，所述APM100的所述多孔性也被选择以增加所述田野140中的所述土壤的通气，以增进氧的渗透并通过减少所述土壤的密度方便根部的穿透。

由于所述APM100的所述相对高的渗透系数，在所述APM100周围的水可以快速地且均匀地散布于所述APM100。这不论所述APM100覆盖的所述土壤中的任何变异而在所述APM100周围创造了一水分状态的平均效应。此外，由于所述APM100的尺寸，所述APM100可以分布在数棵植株及其根部间。这可以在数棵植株间创造所述水分状态的一平均效应。以每个所述感测器104采取的测量值可以代表被所述APM100所覆盖的一区域的一平均读数。既然所述APM100是被配置以创造一平均效应，每个所述APM100仅需要一个所述感测器104。

根据一些示例性实施例，所述APM100可以具有一细长的形状，所述形状具有25厘米至130厘米，例如1米的一长度。在其它示例中，所述APM100可以长于130厘米及可以达到2米至5米，例如3米至4米或3米，的一长度。一细长APM100的一宽度可以对应于一种植行列的一宽度，例如2厘米至50厘米或20厘米至50厘米。可选地，一田野表征单元体长度或一田野表征单元体面积(field representative elementary area，FREA)被决定，及所述APM100的尺寸可以根据这些参数而被决定。

以此方式，一单一的所述感测器104可以被用于管理跨越一大片区域且对数棵植株的灌溉。所述APM100可以可选地被以一随机或伪随机(pseudo random)方式被铺排。替代地，所述APM100可以以预先决定的间隔被铺排，所述预先决定的间隔根本上覆盖被栽种植物的一田野。在一些示例性实施例中，10至20公顷的一田野的水分状态可以仅以3至4个各自包含一所述感测器104的所述APM监测。较大的田野，例如，大于20公顷的田野，可能使用5至7个APM进行水分状态管理。所需的APM的数量可能视所述田野的变化性及可选地视所述植物的变化性而定。在一些实施例中可以假定的是，较大的田野具有较大的变化性，并因此可能需要更多感测器。替代地，可以被测定或假定的是，土质是较为均匀的且因此需要较少的APM。

根据一些示例性实施例，所述APM100被额外地浸渍以养分，例如，用于所述植物142的肥料。所述养分可以是以液体或颗粒形式被包埋在所述APM100中。在一些示例中，数个专用的凹穴132可以在APM100中被形成，所述APM100是被配置以包有所述肥料。可选地，所述凹穴132是被配置以保有肥料颗粒或具有肥料的水胶以供所述肥料的缓慢释放。替代地，肥料可以当所述APM100被放置在所述土壤141中时被单纯地散布于所述APM100。所述肥料可以举例而言是盐类，比如KCl、磷酸二铵磷酸二铵(DAP)或NH₄NO₃。根据一些示例性实施例，由于所述APM100所提供的所述可得的肥料、对生长的低阻力及氧气可得性，所述APM100在所述APM100的内部及外部促进根部144的生长。可选地，所述APM100是被塑形以具有足够的表面积以供大量的根生长。通过促进根部生长，可以达成在所述APM100中的根部144的一高密度。所述根部144的存在对所述APM100中的所述水含量及水势可能具有一显著影响，及也可能有助于减少测量值的变异。若离散的测量值是在被所述APM100所覆盖的不同地点采取，则测量值的所述变异将会发生。

现在参考图2，图2展示根据一些示例性实施例的与一灌溉系统整合的一水分状态监测系统。在一些示例性实施例中，所述APM100可以沿着所述栽培植物142被铺排在所述土壤141中，及也可以延伸向被包埋在一田野中以灌溉所述土壤141的灌溉管道或管线110。可选地，所述APM100可以被与所述灌溉管线110中的数个释放器112对准。所述控制器101可以自一个或更多个所述感测器104接收输入，并且所述控制器101可以基于所述输入控制经由所述灌溉管线110及所述释放器112进行的灌溉。

现在参考图3，图3展示根据一些示例性实施例的监测接近栽培植物的根部的土壤的水分状态的一示例性方法的一简化流程图。根据一些示例性实施例，一APM被放置在用于栽培植物的一田野上(方块310)。在一些示例性实施例中，所述APM是以5厘米至50厘米的一深度被包埋在所述土壤中。可选地，所述APM可以被放置在一田野中的沟壑或行列中。所述沟壑或行列是被排列以供种植。在一些示例中，所述APM是材料的一条带，所述条带具有70厘米至130厘米的一长度及2厘米至50厘米的一宽度。所述APM的长度可以对应于经计算的一长度或者对应于经决定的田野表征单元体长度。所述材料条带可以举例而言是一编织的或者其它多孔的地工织物条带。所述材料条带或者可以由其它织物、金属或陶瓷材料制成。可选地，所述材料条带的一形状及/或朝向是被配置以覆盖一经界定的区域，所述经界定的区域可能包含数种不同类型的土壤及也可能包含或邻近于所述灌溉释放器。典型地，数个APM是被散布在一田野中。

在一些示例性实施例中，APM，例如所述材料条带，可以被浸渍以肥料(方块320)。所述浸渍可以在放置所述APM前或放置所述APM后。在一些示例性实施例中，所述浸渍可以是通过将所述APM浸泡在包含肥料的一液体中，或通过将颗粒状肥料包埋在所述APM的一多孔状表面中。所述浸渍也可以是通过以颗粒状肥料或以包含肥料的水胶填充所述APM中的一个或多个专用的口袋。替代地，所述肥料可以不必被浸渍于所述APM中，而是在所述APM被放置在所述土壤中后被散布在所述APM上。可选地，所述肥料可以在将所述APM放置在所述土壤中前被散布于所述APM下方。

根据示例性实施例，一水分状态感测器被放置在所述APM上，而使所述水分状态感测器的探针或芯(wick)与所述APM直接接触。所述水分状态感测器可以举例而言是一土壤基质势感测器，比如一张力计或比如介电质探针的土壤含水量感测器。既然所述水分状态被预期沿所述APM是均匀的，所述感测器可以被放置在沿所述APM的任何位置。可选地，所述感测器被放置在与所述APM的一边缘相距一规定距离，例如，距所述边缘至少0厘米至5厘米处。可选地，所述感测器是被放置在形成于所述APM中的隔室或凹穴，例如一专用隔室中。替代地，所述感测器可以不与所述APM直接接触及土壤可以填满所述感测器及所述APM间的空隙。在一些示例性实施例中，所述APM的一部分可以被装入所述感测器的一隔室中。

所述土壤水分状态可以基于感测器读数而被监测(方块340)。所述感测器读数可以通过无线或有线连结被传输至一中央控制器。可选地，所述中央控制器是云端式的。基于所述监测，一灌溉建议可以被提供给一农夫，所述农夫可以基于所述灌溉建议控制所述灌溉(方块350)。

灌溉管理可以以一灌溉控制器被控制，所述灌溉控制器自所述田野中的所述感测器接收回馈，并根据所述感测器提供的资讯决定开启或关闭一灌溉水龙头或启动一灌溉释放器。一般而言，所述灌溉水龙头可以在一个或两个或任何数量的或所有的所述感测器的读数或所述感测器的读数的平均落到低于一阀值时被开启。所述灌溉可以被进行一固定的时间或水量。

现在参考图4A及4B，图4A及4B展示根据一些示例性实施例的两个示例性张力计的简化示意图。在图4A中，一张力计401包括一多孔杯410、充满水405的一管子420、包含一感测器450的一感测器头455及一探针或针头460，所述探针或针头460在所述探针或针头460的远端461包括一入水口，水可以经由所述入水口进入。探针460包括一中央钻孔，感测器455的一储水及水405间的流体连通可以通过所述中央钻孔而被建立。探针460可以具有细长的一形状及可以被配置以自感测器450延伸向所述张力计401包含所述多孔杯410的底部465。可选地，所述底部465是所述张力计401的一下半部。根据一些示例性实施例，所述探针460是被配置以当形成于所述张力计401中的气泡480被预期累积在所述张力计401的一上半部时提供与一底部465的流体连通。以此方式，进入所述探针460的一入水口，经由所述远端461及多孔杯410的流径不受所述气泡480的妨碍。发明者发现到，气泡生成对以所述感测器450作成的所述测量的不利影响可以由所述多孔杯410及探针460的入水口间无气泡480的一体积而被减少，例如，大幅减少。可选地，所述感测器450是一压力感测器。

图4B展示一张力计402的另一实施例。张力计402包括多孔杯410、充满水405的一管子420、包含一圆柱(或烟囱管(chimney))440的一弧形通道430及包含一感测器450的一感测器头455。所述感测器450可以被安装在所述弧形通道430的一端及所述管子420可以被安装在或整合到所述弧形通道430的一相对端。所述弧形通道430可以被配置以在垂直方向(Z方向)形成一顶峰，所述圆柱440也在所述垂直方向上延伸并在接近所述顶峰处或位于所述顶峰处被整合。所述弧形通道可以被充满以水405。在一些示例性实施例中，由于所述圆柱440是最高点，气泡480，例如空气泡，可以被预期在所述圆柱440中升起。通过将所述气泡480困在所述圆柱440中，在所述管子420及所述感测器450间的所述弧形流径可以没有或基本没有气泡480。可选地，基于清除所述陶瓷杯410及所述感测器450间的所述流径中的所述气泡480，以所述感测器450进行的测量更加可靠。可选地，所述弧形流径可以被替代的形状，例如上下颠倒的字母Y的形状所取代。

现在参考图5A、5B及5C，图5A、5B及5C展示根据一些示例性实施例的各包含两个不同渗透系数区的三个示例性水分状态监测系统的简化示意图。在一些示例性实施例中，水分状态监测系统包含一个第一APM101及一个第二APM102，所述第一APM101被选择以在湿润时具有一相对高的渗透系数且所述第二APM102被选择以在湿润时具有低许多的一渗透系数。所述第二APM102的较低的渗透系数可以通过一较紧密的织法(对于纺织APM)或通过较所述第一APM密实的材料而达成。所述第一APM可以以一疏松的织法或更含空气的材料形成。所述第一APM101及所述第二APM102可以被并排连结在一起(如图5A所示)或被由上至下连结在一起(如图5B中所示)。在图5B中，所述第一APM101是在所述第二APM102上。在其它示例中，所述第二APM102可以在所述第一APM101上。所述第一APM101的渗透系数可能在水分含量减少时显著快速下降而所述第二APM102可能具有更为稳定的一渗透系数，所述渗透系数以一缓慢许多的速率随水分含量的减少而减低

现在参考图5C，在一些示例性实施例中，相同的一APM100可以被用于形成两个不同的渗透系数区域。可选地，一低渗透系数区域可以基于压缩所述APM100的一部分而被形成。所述压缩是基于滚轧、折迭所述APM100或将所述APM100揉捏在一起并绑缚，或者以其他方式将所述APM100限定为彼此靠近。被绑缚的经滚轧部分103可以形成一低渗透系数部分，所述低渗透系数部分可能具有类似于参考APM102而被描述的部分的性质，而所述APM100的一展开部分104可能具有类似于参考APM101而被描述的部分的性质。所述经滚轧部分103被展示为与所述APM100的所述展开部分104并排。替代地，所述经滚轧部分103及所述展开部分104可以是一个在另一个上方。

在一些示例性实施例中，探针102可以被放置在APM101及APM102间(或在区域103及区域104间)，而使所述感测器104可以提供来自两个APM(或区域)的一读数。可选地，所述探针102连同所述感测器104可以被放置在一凹穴中，所述凹穴被形成于所述两个APM(或区域)间。在其它示例性实施例中，所述探针102连同所述感测器104可以被放置在具有所述较低渗透系数的所述APM102(或区域103)上，而使整个范围中有水流至所述感测器104。

在一些示例性实施例中，在所述区域104中的所述APM101或APM100可以具有在0厘米至-50厘米的一基质扬程范围内自50厘米/小时改变至接近0厘米/小时的一渗透系数。在所述区域103中的所述APM102或APM100可以具有在0厘米至-500厘米的一基质扬程范围内自0.2厘米/小时改变至接近0.01厘米/小时的一渗透系数。虽然所述低渗透系数部分及所述高渗透系数部分是被连结到彼此且可以在它们采样的所述土壤中具有一平均基质扬程，所述两部分中的每个可以在所述基质扬程范围的不同部分运作得较好。举例而言，当所述土壤是湿润的(0厘米至50厘米水柱)且渗透系数相对高，所述APM101(或所述区域104)可能较好地平均所述土壤。当所述土壤相对干燥(远小于-50厘米水柱)，所述APM102(或所述区域103)可能较好地平均所述土壤。

应当理解的是，为了清楚起见而在相分离的实施例的内容中被描述的本发明的数个特定特征，也可以在一单一实施例中被结合地提供。相反地，为了简短起见而在一单一实施例的内容中被描述的本发明的各种特征，也可以分离地或以任何适当的次组合或如所适宜地在本发明的任何其它被描述的实施例中被提供。在各实施例的内容中被描述的特定特征不应被视为那些实施例的必要特征，除非所述实施例没有那些元素便无法运作。

如上文中所描述的及如在下文中的权利要求中所提出的本发明的各种实施例及面向在接下来的示例中寻得实验性的支持。

示例

参考接下来的数个示例，所述数个示例连同上文的描述以非限制性的方式例示了本发明的一些实施例。

现在参考图6A及6B，图6A及6B展示分别长入带有砂质土壤及黄土质土壤的地工织物的一向日葵的根的示例性影像。如可见于所述影像的，地工织物堆填创造了可以在不同类型的土壤中被用于根部生长的一区域。如可见地，邻近于所述地工织物球体的根觅得朝向所述地工织物并穿透其中的路径。如此，所述地工织物创造了具有高根部密度的一土壤体积。藉由鼓励在所述APM中的根部生长，基于本文中所描述的方法所感测到的基质扬程/水分含量可以如所欲地，比起被所述土壤的水力性质影响，更多地被所述根部影响。

现在参考图7A及7B，图7A及7B展示针对不同土壤分别以一土壤基质势感测器及以如本文中所描述的一APM在一小时内测量的基质势的示例性图表。所述数个图表505、510、515、525及530中的每一个展示由五个点在一小时内测量的基质扬程的一变化。所述基质扬程是以标准陶瓷张力计测量。图表505代表没有如本文中所描述的一APM条带而在黏土型土壤中测得的基质扬程变化。相较之下，图表510代表在包含一APM条带的相同的黏土型土壤中测得的基质扬程变化。被使用的所述APM条带是一非纺织地工织物条带，所述非纺织地工织物条带长1米且具有500公克/平方米的一密度或在-500厘米至0厘米水柱的一基质扬程范围中各提供0.01厘米/小时至50厘米/小时的渗透系数的其它密度。

图表515代表没有如本文中所描述的一APM条带而在黄土型土壤中测得的基质扬程变化。相较之下，图表520代表在包含如本文中所描述的一地工织物条带的相同的黄土型土壤中测得的基质扬程变化。

图表525代表没有如本文中所描述的一APM条带而在砂质型土壤中测得的基质扬程变化。相较之下，图表530代表在包含如本文中所描述的一地工织物条带的相同的砂质型土壤中测得的基质扬程变化。

如可见于在具有所述APM的情况下测得的图7B中的，所述APM的高渗透系数导致水分的快速输送及均匀散布，创造所述基质或水分含量比所述条袋外的所述土壤更加均匀的一区域。

现在参考图8，图8展示不具有一气泡阱的一第一张力计及具有一气泡阱的一第二张力计的基质势测量值以及两个张力计的环境温度测量值的示例性图表。所显示的测量值是在五天的一期间中被采取的。曲线610是不具有一气泡阱的所述第一张力计的基质势的一示例性图表。所述第一张力计是本领域中已知的一张力计。数个点620对应于对两个张力计所采取的环境温度测量值。如可见的，所述温度测量值包括一系列的尖峰625或温度的一升高。被记录的温度中的急遽的增加是由于被困在所述第一张力计中的气泡。所述基质势读数也在存在一气泡时展现波动或尖峰615。曲线630是不具有一气泡阱的所述第二张力计的基质势的一示例性图表。所述第二张力计类似于被示意地展示在图4B中的所述张力计。

虽然本发明连同本发明的特定实施例而被描述，明显的是，许多替换、修改及变化对于本领域的技术人员而言将是明显的。因此，本发明是意在包含落在附随的权利要求的精神及范围内的所有这样的替换、修改及变化。

Claims (48)

1.一种用于感测土壤中的水分状态的系统，其特征在于：所述系统包含︰

被选择以主动增进根部生长，及具有至少0.025平方米的一面积的一多孔材料；及

被连结到所述多孔材料的一水分状态感测器。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多孔材料是被选择以在0厘米至-500厘米水柱的一基质扬程范围内具有高于所述土壤的渗透系数的一渗透系数。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述多孔材料是被选择以在-500厘米至0厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有0.01厘米/小时至50厘米/小时的一渗透系数。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多孔材料的一第一部分是被选择以在0厘米至-500厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有0.1厘米/小时至0.01厘米/小时的一渗透系数及所述多孔材料的一第二部分是被选择以在0厘米至-50厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有50厘米/小时至0厘米/小时的一渗透系数。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述第一部分及所述第二部分是形成自两种不同材料，所述两种不同材料被连接到彼此。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述第一部分是基于以滚轧或折叠而压实所述多孔材料而被形成。

7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于：所述多孔材料是纺织地工织物。

8.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于：所述多孔材料是非纺织地工织物。

9.如权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于：所述多孔材料是材料的一条带，所述条带具有25厘米至130厘米长及2厘米至50厘米宽的尺寸。

10.如权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于：所述多孔材料的数个孔洞的尺寸是被选择以当被放置在土壤中时减少所述土壤的密度。

11.如权利要求1至10中任一项所述的系统，其特征在于：所述多孔材料被浸泡在溶解有肥料的一液体溶液中。

12.如权利要求1至10中任一项所述的系统，其特征在于：所述多孔材料被浸渍以肥料，所述肥料是以颗粒的形式存在，所述颗粒居于所述多孔材料的所述数个孔洞中。

13.如权利要求1至10中任一项所述的系统，其特征在于：所述多孔材料被浸渍以肥料，所述肥料是以包含液体的水胶或颗粒或缓释肥料的形式存在。

14.如权利要求1至13中任一项所述的系统，其特征在于：所述多孔材料是被形成为具有数个凹穴，所述数个凹穴是被配置以保有肥料。

15.如权利要求1至14中任一项所述的系统，其特征在于：所述水分状态感测器是被摆放在形成于所述多孔材料中的一凹穴中。

16.如权利要求1至15中任一项所述的系统，其特征在于：所述水分状态感测器是土壤基质势感测器或土壤含水量感测器。

17.如权利要求1至16中任一项所述的系统，其特征在于：所述水分状态感测器是被配置以在没有连接到一外部储水的情况下运作。

18.如权利要求16或17所述的系统，其特征在于：所述水分状态感测器是一张力计。

19.如权利要求16至18中任一项所述的系统，其特征在于：所述土壤基质势感测器包含：

一多孔杯；

一充水管；

一感测器；及

自所述感测器延伸向所述多孔杯的探针。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于：所述探针是被配置以在一高度采样所述水，所述高度低于气泡累积在所述充水管中的一高度。

21.如权利要求16至18中任一项所述的系统，其特征在于：所述土壤基质势感测器包含：

一多孔杯；

一充水管；

一感测器；

一桥形管道，所述桥形管道被配置以在所述充水管及所述感测器间提供液体连通，其中所述桥形通道被与一圆柱整合，所述圆柱延伸自所述桥的一顶峰高度。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于：所述桥形通道是被配置以被水充满。

23.如权利要求21或22所述的系统，其特征在于：所述圆柱是位在高于所述感测器的一高度。

24.如权利要求21至23中任一项所述的系统，其特征在于：所述管及所述桥形通道是整合的。

25.如权利要求21至24中任一项所述的系统，其特征在于：所述桥形通道是被造形为一弧形，有所述圆柱自所述弧形的所述顶峰高度延伸，或是被造形为一上下颠倒的字母Y的形状。

26.如权利要求1至17中任一项所述的系统，其特征在于：所述水分状态感测器是一遥测器，所述遥测器是被配置以与所述多孔材料无直接接触而感测所述多孔材料的水分状态。

27.如权利要求1至25中任一项所述的系统，其特征在于：所述水分状态感测器是被配置以感测所述多孔材料上的水分状态的一平均读数。

28.一种用于感测土壤中的水分状态的方法，其特征在于：所述方法包含：在所述土壤上铺设被选择以主动增进根部生长，及具有至少0.025平方米的一面积的一多孔材料；及

将一水分状态感测器流体地连结到所述多孔材料。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于：所述多孔材料是被选择以具有高于所述土壤的一平均渗透系数的一渗透系数。

30.如权利要求28或29所述的方法，其特征在于：所述多孔材料是被选择以具有0.01厘米/小时至50厘米/小时的一渗透系数。

31.如权利要求28所述的方法，其特征在于：所述多孔材料的一第一部分是被选择以在0厘米至-500厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有0.1厘米/小时至0.01厘米/小时的一渗透系数及所述多孔材料的一第二部分是被选择以在0厘米至-50厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有50厘米/小时至0厘米/小时的一渗透系数。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于：所述第一部分及所述第二部分是形成自两种不同材料，所述两种不同材料被连接到彼此。

33.如权利要求31所述的方法，其特征在于：所述第一部分是基于以滚轧或折叠而压实所述多孔材料而被形成。

34.如权利要求28至33中任一项所述的方法，其特征在于：所述多孔材料是地工织物。

35.如权利要求28至34中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包含：将所述多孔材料浸泡在溶解有肥料的一液体溶液或缓释肥料中。

36.如权利要求28至35中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包含：以肥料浸渍所述多孔材料。

37.如权利要求28至36中任一项所述的方法，其特征在于：所述多孔材料是被铺设在所述土壤的一表面下5厘米至50厘米的深度。

38.如权利要求28至37中任一项所述的方法，其特征在于：所述多孔材料是被成排铺设，栽培植物是被配置以被种植在所述排上。

39.如权利要求28至38中任一项所述的方法，其特征在于：所述多孔材料是被铺设在一释放器上，所述释放器被配置以释放用于灌溉所述土壤的水。

40.如权利要求28至39中任一项所述的方法，其特征在于：所述多孔材料是材料的一条带，所述条带具有50厘米至130厘米长及2厘米至50厘米宽的尺寸。

41.如权利要求28至40中任一项所述的方法，其特征在于：所述水分状态感测器是土壤基质势感测器或土壤含水量感测器。

42.如权利要求41所述的方法，其特征在于：所述水分状态感测器是一张力计。

43.如权利要求28至42中任一项所述的方法，其特征在于：所述水分状态感测器是被配置以感测所述多孔材料上的水分状态的一平均读数。

44.一种用于组装用于感测土壤中的水分状态的一系统的方法，其特征在于：所述方法包含：

在土壤上部署被选择以主动增进根部生长，及具有至少0.025平方米的一面积的一多孔材料；及

将一水分状态感测器连结到所述多孔材料。

45.一种被配置以横跨一空间区域采样土壤的平均水分状态的片材，其特征在于：所述片材包含：

一第一部分，被选择以在0厘米至-500厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有0.1厘米/小时至0.01厘米/小时的一渗透系数；及

一第二部分，被选择以在0厘米至-50厘米水柱的一基质扬程范围内各自具有50厘米/小时至0厘米/小时的一渗透系数，其中所述第一部分及所述第二部分被连接到彼此。

46.如权利要求45所述的系统，其特征在于：所述第一部分及所述第二部分是形成自两种不同材料。

47.如权利要求45或46所述的系统，其特征在于：所述第一部分是基于将所述片材压实为一卷或一折层而被形成。

48.如权利要求45至47中任一项所述的系统，其特征在于：所述片材是纺织的及其中所述第一部分较所述第二部分具有较紧密的一织法。

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