土壤水蚀测量系统

土壤水是植物吸收水分的主要来源（水培植物除外），另外植物也可以直接吸收少量落在叶片上的水分。土壤水的主要来源是降水和灌溉水，参与岩石圈-生物圈-大气圈-圈-水圈的水分大循环。土壤水存在于土壤孔隙中，尤其是中小孔隙中，大孔隙常被空气所占据。穿插于土壤孔隙中的植物根系从含水土壤孔隙中吸取水分，用于蒸腾。土壤中的水气界面存在湿度梯度，温度升高，梯度加大，因此水会变成水蒸汽蒸发逸出土表。蒸腾和蒸发的水加起来叫做蒸散，是土壤水进入大气的两条途径。表层的土壤水受到重力会向下渗漏，在地表有足够水量补充的情况下，土壤水可以一直入渗到地下水位，继而可能进入江、河、湖、海等地表水。土壤中水分的多少有两种表示方法：一种是以土壤含水量表示，分重量含水量和容积含水量两种，二者之间的关系由土壤容重来换算。另一种是以土壤水势表示，土壤水势的负值是土壤水吸力。土壤含水量有三个重要指标。一个是土壤饱和含水量，表明该土壤最多能含多少水，此时土壤水势为0。第二是田间持水量，是土壤饱和含水量减去重力水后土壤所能保持的水分。重力水基本上不能被植物吸收利用，此时土壤水势为-0.3巴。第三是萎蔫系数，是植物萎蔫时土壤仍能保持的水分。这部分水也不能被植物吸收利用，此时土壤水势为-15巴。田间持水量与萎蔫系数之间的水称为土壤有效水是植物可以吸收利用的部分。当然，一般在田间持水量的60%时，即土壤水势-1巴左右就采取措施进行灌溉。土壤水势可细分为重力势、基模势和溶质势。土壤水分重力势以土壤水面与土表面相平时为0。水面高于土表面时为正值（此时也称为压力势）。水面低于土表面时为负值（土壤水吸力为正值）。土壤基模势指土壤中矿质颗粒表面和有机质颗粒表面对水所产生的张力。它的值永远是负值，即总是将土壤表面的水分向土体内吸进来。土壤水分溶质势与土壤溶液中所含溶质数量有关，溶质越多，溶质势越小（即越负）。点水源入渗时，水沿湿度梯度从高水势处向低水势处流动，逐渐形成一个干湿交界分明的椭球体形状，称为湿润球，球面各处土壤水势相等。该球面称为入渗锋，在水头固定不变时，入渗锋的前进速度随着时间的延长而减慢。大部分植物养分都是溶于水后随水移动运输到植物根系被吸收的。无论根系以质流、扩散、截获哪种方式吸收植物养分都在土壤溶液中进行。

水分是天然土壤的一个重要组成部分，它不仅影响到土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而且是构成土壤肥力的一个重要因素，更是一切植物赖以生存的基本条件。因此测定土壤含水量，对实施精准农业，节水灌溉，提高农业生产效率有重要的意义。目前测定土壤水分的方法归纳起来有两大类，一类是变动位置取样测定(如烘干称重法等)，另一类是原位取样测定(如中子法、γ射线法、时域反射仪法、频域发射仪法、传感器法等)。不同的方法各有优缺点，烘干称重法原理简单，精度高，但其操作烦琐，又不能在田间实时连续监测。中子法和γ射线法虽可在室外快速准确监测，但是存在放射性物质危害人体健康。时域反射仪法和频域发射仪法价格比较昂贵，而传感器法安全可靠、测定土壤水分快速直读，具有不必采土样，不破坏土壤结构，可连续监测并输出电信号，十分适合于监测田间土壤水分动态分布和变化情况，便于长期的观测和积累田间水势资料等，因此被广泛应用在田间监测土壤水分上。土壤水分速测仪就是运用土壤水分传感器将土壤含水量的大小θ(%)转换为土壤水吸力的大小并作用于压阻传感器，压阻传感器将土壤水吸力转换为差动电压信号输出给双端输入单端输出差动放大器。此处采用差动放大器是由于其具有较好的抑制零漂和抗干扰的作用，同时可将双端输入信号转换为单端输出信号。由于差动放大器的输出与输入是反相的，故将此输出的信号再送给反相放大器，在放大信号的同时将输出再次反相，从而转变为与压阻传感器的输出同相的电压信号。为了根据需要调节反相放大器的放大倍数，在其反馈回路上串接一电位器，同时对信号进行调零和校正。最后将电路输出的信号送给电压表，显示最终的输出电压值，根据测试数据标定情况制做一土壤含水量表头，由此可直接读出土壤含水量的数值。从测量结果可看出，用土壤水分速测仪与烘干称重法测量值的差值率均在5%以内，说明土壤水分速测仪测量准确度是比较高的。特别是利用土壤水分速测仪测量土壤含水量速度快(测量一次仅需几秒钟)，数值显示，非常直观，使用简单，体积小便于携带，可随时测量含水量的情况，很适合在田间、温室大棚、草坪等场合使用。由于压阻传感器是由半导体材料制做的，在测量精度要求比较高的场合，温度的影响是必须要考虑的。实验表明压阻传感器表现为负温度特性，当温度升高时压阻系数变小，当温度降低时压阻系数变大。为了减小温度的影响，一方面要尽可能采用恒流源供电，另一方面是采用正温度系数的材料作温度补偿电路并使其与压阻传感器尽量贴近，可达到较好的补偿效果。