一种实时测量植物根系作用下的土壤水力参数的实验装置

1.本发明涉及土壤水力参数测量技术领域，具体涉及一种实时测量植物根系作用下的土壤水力参数的实验装置。


背景技术：

2.土壤水力参数主要包括土壤水分特征曲线以及土壤导水率曲线，分别描述了土壤含水率或土壤导水率与基质吸力之间的关系，以及饱和导水率。植物根系是土壤结构以及土壤水力参数变化的重要影响要素。植物根系可以通过一系列机制影响土壤结构和功能。根系通过创造、利用和占据土壤孔隙空间、影响土壤孔径分布和连通性。总结起来如图1所示，不同情况下的主导过程包括土壤颗粒重排、孔隙堵塞、团聚体产生裂隙或合并。
3.不同植物根系对土壤水力参数存在不同影响。根系的生长尤其是较粗的根可能具有较高的应力和转移土壤颗粒的能力，造成土壤颗粒重排，引起新孔隙的生成以及部分孔隙的压缩(图1a)。例如根系生长过程中大孔和中孔可快速转化为微孔，增加微孔体积和提高孔隙率，表现出van genuchten参数饱和含水率(θs)，孔径分布参数(n)增加，α(与进气吸力有关的经验参数)和饱和导水率(ks)减少的趋势。相反，细根的生长倾向于土壤机械应力作用下发生弯曲，并沿着土壤颗粒之间的曲折路径生长，最终导致土壤孔隙堵塞(图1b)。例如，低密度细根倾向于堵塞土壤孔隙引起孔径分布的异质性降低，导致θs、ks减少。从团聚体的角度来看，如图1c-d所示，当根系扩张渗入到大团聚体时会导致其破裂分解，但是当团聚体最初很小时，根系的分泌物可粘结土壤团聚体，同时根系的物理缠绕等也有助于维持其稳定松散的大孔隙结构，从而增大θs和ks。根通道的形成可能在充当优先流方面起重要作用，并且粗根的萎缩或腐烂可能有助于大孔隙和优先流的形成，从而提供更强的导水能力(图1e-f)。
4.总结起来，土壤水力参数化方法以及量化根系改变土壤水力参数的实验方法基本相同，主要是实验方法或者进一步结合模型进行土壤水力参数逆推，如表1所示。实验方法可以使用离心法、压力膜仪和入渗仪来量化土壤水力参数，这些方法在低饱和度范围内通常很耗时。一些研究通过使用土水势和土壤含水率传感器来同时获取数据测定。另一些研究则通过张力计连续监测土水势，并在称重装置上实时称重土壤样品获取土壤含水率数据。其他方法则包括通过外界条件控制土柱下边界的水势并实时称重，但需要注意的是，该方法仅能将压力水头控制在-100cm以内，因此仅适用于质地较粗的土壤。还有一些研究则通过土壤含水率、土水势传感器数据和出流瞬时曲线构建土壤水分运移模型，并通过测定的初始条件和边界条件来求解非饱和流，从而反演土壤水力参数，也就是参数逆推法。实施参数逆推法在安装土壤湿度探头后不会造成额外的干扰，这可能更适合识别土壤水力参数的长期变化。但目前上述研究只能测定植物生长到特定时期的土壤水力参数，无法做到对植物根系在无干扰情况下的动态监测，并获得相应的土壤水力参数。
5.传统的土壤水力参数测定与估算未考虑植物根系影响土壤结构对其产生的变异，导致大尺度下基于richards方程的土壤水分、溶质运移动力学模拟，以及各种尺度下的水
文模型的准确表征和参数化会出现不可忽视的偏差。虽然植物根系对土壤水力参数的影响近些年被广泛认知和接受，而如何测定植物根系作用下的土壤水力参数，以及确定植物根系的动态特征与土壤水力参数的关系则成为目前研究相关领域的一大挑战。为了解决上述问题，发明了一种实时测量植物根系作用下的土壤水力参数的实验装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种实时测量植物根系作用下的土壤水力参数的实验装置，在无扰动情况下能够连续测定植物根系作用下的土壤水力参数，以及确定植物根系生长特征与土壤水力参数的关系。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种实时测量植物根系作用下的土壤水力参数的实验装置，包括土柱，所述土柱中间安插一个透明观察管，所述透明观察管内置ci-600植物根系生长监测系统，ci-600植物根系生长监测系统用于非破坏性原位获取土壤中根系生长的动态图像数据，随后通过winrhizo软件分析不同生长阶段的根系指标。
8.ci-600植物根系生长监测系统是全球第一套“土壤原位360度多层次旋转式图像监测仪”，可以获取土壤、根系剖面图像，监测土壤中活体根系的生长动态。用户可以方便的获取同一地点不同深度的根系图像，以及不同地点不同根系的图像。每次可获得21.56x 19.56cm的高分辨率图像，用户可以看到根系(甚至土壤颗粒)的详细结构。专业根系分析软件分析计算根长、根面积、体积、根尖数等根系形态参数，可进行不同时间空间多幅图片的拼接，具备强大的根系形态分析功能，是研究监测根系生长，根系生理生态、根系抗逆性研究和土壤颗粒变化等的专业工具。
9.优选的，所述土柱由有机玻璃材料制成，且土柱为圆柱体形状，高60cm，直径30cm。
10.优选的，所述土柱内填充有风干土。
11.优选的，所述透明观察管的直径为6.4cm。
12.优选的，所述土柱外端一侧每隔20cm深度布设三个土壤含水量传感器，且土柱外端另一侧每隔20cm深度布设三个土壤张力传感器，通过多通道数据采集器连接土壤含水量传感器和土壤张力传感器。
13.土壤含水量传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关系则可计算出土壤的含水量。
14.土壤张力即土壤水势，是一种土壤水分强度指标，其大小与土壤水分的流动性和渗透深度、植物对土壤水分吸收的有效性和难易程度有密切关系，同时，它能够间接地反映土壤湿度，一般而言，土壤湿度越小，土壤的张力越大，对水的吸力也越强，致使植物很难吸收土壤中的水分，土壤湿度越大，土壤对水的吸力越弱，作物越容易从土壤中吸收水分。
15.多通道数据采集器是usb接口数据采集产品，szsc-16s为16通道，szsc-32s为32通道，它们可与带usb接口的各种台式计算机、笔记本电脑、工控机连接构成高性能的数据采集测量系统。
16.优选的，所述土柱上部安装马氏瓶并安装微滴灌设备。
17.优选的，所述土柱底部固定有多孔陶瓷吸盘，所述多孔陶瓷吸盘通过吸管连接至收集瓶，所述收集瓶放置在天平上，所述多孔陶瓷吸盘还通过管道连接有连接瓶，所述连接
瓶通过管道连接至真空泵的进气端。
18.在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：
19.1、通过预先埋设在土柱中的透明观察管不影响植物根系生长，并方便随时套入监测设备进行360
°
拍照。
20.2、利用ci-600植物根系生长监测系统可以方便地非破坏性原位获取土壤中根系生长的动态图像数据，随后可通过winrhizo等根系图像分析软件分析不同生长阶段的根系指标。
21.综上，本发明在无扰动情况下能够连续测定植物根系作用下的土壤水力参数，以及确定植物根系生长特征与土壤水力参数的关系。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为不同根系影响土壤结构的主导过程示意图：
24.(a)土壤颗粒重排；
25.(b)由于根系生长成预先存在的土壤孔隙而发生时间性孔隙堵塞；
26.(c)大的土壤团聚体产生裂隙；
27.(d)小的土壤团聚体的合并；
28.(e-f)根系的扩张与优先流通道的建立；
29.图2为本发明的结构图：
30.附图标记说明：
31.1土柱、2透明观察管、3土壤含水量传感器、4土壤张力传感器、5多通道数据采集器、6马氏瓶、7多孔陶瓷吸盘、8真空泵、9连接瓶、10收集瓶、11天平。
具体实施方式
32.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
33.目前实验测定植物根系作用下的土壤水力参数限定在植物生长的指定阶段，无法做到对植物根系在无干扰情况下的动态监测，并获得相应的土壤水力参数。而植物根系具有显著的动态性特征，同时造就了土壤结构和土壤水力参数的动态性。有研究发现，若模型考虑到植物覆被变化或根系季节性动态导致的土壤水力参数时空变化，其准确性和可靠性可得到显著改善(mahe et al.,2005；et al.,2019)，表明了考虑植物根系对土壤水力参数动态性影响的重要性。
34.为了解决上述缺陷，本发明提供了如图2所示的一种实时测量植物根系作用下的土壤水力参数的实验装置，包括由有机玻璃材料制成土柱1，且土柱1为圆柱体形状，高60cm，直径30cm，为达到植物根系的动态监测，在土柱1中间安插一个直径为6.4cm的透明观察管2，所述透明观察管2内置ci-600植物根系生长监测系统，利用ci-600植物根系生长监测系统可以方便地非破坏性原位获取土壤中根系生长的动态图像数据，随后通过winrhizo
软件分析不同生长阶段的根系指标。
35.为连续监测剖面土壤含水率和土壤张力(可作为模型输入的观测值)，在土柱1外端一侧每隔20cm深度布设三个土壤含水量传感器3(例如ec-5，decagon)，在土柱1外端另一侧每隔20cm深度布设三个土壤张力传感器4(例如teros 21，meter)，实验通过通道数据采集器5连接土壤含水量传感器3和土壤张力传感器4，并实现自动记录。
36.土柱1上部采用马氏瓶6供水并安装微滴灌设备。
37.为控制排水，土柱1装有多孔陶瓷吸盘7，所述多孔陶瓷吸盘7通过吸管连接至收集瓶10(体积2000cm3)，所述多孔陶瓷吸盘7还通过管道连接有连接瓶9，所述连接瓶9通过管道连接至真空泵8的进气端，通过真空泵8设定不同吸力边界条件(0-8kpa)，使得收集瓶10中产生负压，从而使得多孔陶瓷吸盘中的水通过吸管流入收集瓶10中，将收集瓶10放置在天平11上，每隔10分钟记录出流量，同时，将吸管用框架固定，以避免天平11上不必要的压力导致出流量数据偏差。土柱系统的所有组件(传感器、底部边界的吸力)在使用之前需校准和测试。
38.实际实验时，在土柱1内填充过2mm筛的风干土，填充前测定土壤有机质含量。为排除根系-微生物相互作用对土壤水力参数的影响，在土柱1填充土壤之前首先进行杀菌处理，土壤灭菌保证了根系作用局限于根系的机械影响(孔隙堵塞、新孔隙生成)和根系分泌物对土壤颗粒的黏结作用。土柱填充时将土壤均匀压实至给定容重值，以保证所有土柱1在初始情况下具有相同的土壤条件。
39.安装传感器和主要实验开始之前，为限定土壤的进一步沉降，将土柱1灌水至充分饱和并排水三次。土柱1顶部将覆盖一层2cm厚度的细砾土来避免滴灌对土壤表面的影响以及减小蒸发。在植被种植之前安装传感器可避免其对土壤结构的干扰。在初始排水实验之后，通过控制移栽的植物棵数决定不同植物根系密度并作为不同植物下的处理水平。
40.当植被在土柱1内稳定生长后，依据生长进度进行排水实验。排水实验开始之前可将地上植物部分和土壤表层分别用黑色塑料袋和保鲜膜覆盖，这样做可简化模型计算，在土柱1饱和后可将土柱1顶部设为零通量边界条件。在排水实验期间，上边界以5mm/h的灌溉速率进行，直到达到稳定出流率作为初始条件，此时整个土柱1处于饱和状态，然后停止灌溉，此时处于出流率、土壤含水率和张力重分配阶段并进行监测。同时，将底边界压力水头设为常数-500cm。将上述实验得到的出流率、土壤含水率和负压重分配的瞬时剖面数据通过土壤水分运移模型构建与率定，反演土壤水力参数。模型输入数据/边界条件及实现方式可概括为表2。
41.表2模型输入条件及数据来源概况
[0042][0043]
结合一维土柱实验数据，采用垂向一维数学模型模拟饱和-非饱和带水分运移过程。一维水流控制方程采用richards方程：
[0044][0045]
式中，θ为土壤含水率[l
3 l-3
]，t为时间[t]，h为土壤负压[l]，z为垂直方向深度[l]，s(z,t)为根系吸水量方程[l t-1
]，ku(θ)为非饱和导水率的方程。由于在实验过程中避免了植被蒸腾和根系吸水，因此s(z,t)可设为0。
[0046]
利用土柱实测的土壤含水率和出流量数据作为率定目标，采用marquardt-levenberg反演法率定van genuchten模型参数等，对初始土壤参数进行率定和优化。模型率定采用手工试错法，拟合效果采用统计指标均方根误差、相对误差和相关系数等来定量评价。
[0047]
表1植物根系引起土壤水力参数变化的研究方法介绍
[0048]
[0049]
[0050][0051]
注:表中ψ为土壤吸力，θ为土壤含水率，tdr为土壤水分速测仪；实验设计i为在实验室控制条件下生长的重新填埋的土柱；ii为在户外自然条件下生长的重新填埋的土柱；iii为在田间生长的重新填埋的土壤，并获得未受干扰的土柱用于实验室分析；iv为田间采样；v为现场原位测试。
[0052]
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。