一种植物根系吸收土壤水分过程的测定方法

摘要

本发明公开了一种植物根系吸收土壤水分过程的测定方法，采用可拆卸的土柱，土柱内种植有植物，在土柱中间安放土壤水分测量管，并将土柱放置于田间土坑中；植物根系密度垂直分布可以通过定期卸开土柱分层取土洗根、扫描根而获得，实际植物蒸腾量定时称重获得，土柱每天至少要称量1次，根据相关理论原理和实际精确测定的实验资料，综合蒸腾速率、根系密度分布、土壤水势、土壤水分含量、土壤非饱和导水率等各敏感因子，根据质量守恒，确定蒸腾量在根系层土壤剖面上按一定的权重因子分配下的根系吸水函数，采用根系吸水速率反求方法，数值迭代求得根系吸水速率剖面分布，来确定经验函数的参数，从而达到根系吸水过程的测定。

说明书

技术领域

本发明属于土壤学研究领域，涉及一种测量方法及其装置，特别涉及一种植物根系吸收土壤水分过程的测定方法。

背景技术

了解根系吸收土壤水分的状况和动态，对于进行土壤水分的模拟和预测，从而科学合理的利用水资源，制定合理的灌溉制度，提高植物的水分利用效率和保证作物的稳产和高产，具有很强的实际意义。

研究植物根系一维吸水过程可以通过含水率剖面反求根系吸水速率方法，也可以通过建立根系吸水函数的方法。左强等(2001)^【1】提出了一种新的通过数值求解迭代方式，反求根系吸水速率方法，并在实际中得以检验；可靠的根系吸水函数能够较准确地模拟出土壤含水率分布。

垂直一维土壤水分运移的定解问题可表示(坐标轴向下为正)^【2】：

$C\left(h\right)\frac{\partial h}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial z}\left[K\left(h\right)\frac{\partial h}{\partial z}\right]-\frac{\partial K\left(h\right)}{\partial z}-S(z,t)$

h(z，o)＝h₀(z)，0≤z≤l_r   (1)

${[-K\left(h\right)\frac{\partial h}{\partial z}+K\left(h\right)]}_{z=0}=-E\left(t\right)=Q\left(t\right),t>0$

h(l_r，t)＝h₁(t)，t＞0

式中，h为土壤水基质势；C(h)为容水度；K(h)为非饱和导水率；z，t分别为空间、时间坐标；h₀(z)，h₁(t)分别为已知函数(或离散点)；E(t)、Q(t)分别为蒸发强度、降雨(或灌水)入渗强度；L_r为模拟区域垂直总深度；S(z，t)为根系吸水速率。

对于S(z，t)根系吸水函数的建立，应考虑影响根系吸水的一系列因素，如土壤水势，土壤导水率，溶质势(盐分条件下)，大气蒸发力，根深，根系密度分布以及植物特性等。定量研究根系吸水过程，建立根系吸水函数，有两种方法：微观法和宏观法。微观法研究单根吸水过程，需要一些较难测定的土壤和植物方面参数，特别是根表面的参数^【3-7】。宏观法研究根系吸水，忽略水分向单根的流动，将整个土-根系统看作一个连续体，在土壤水分运动中引入一个以一定模式分布的根系吸水速率项(源汇项)加以体现。水动力学研究根系吸水，基于植物根系吸水的因果关系，根据根系分布密度和土壤水分消耗状况，综合蒸腾速率、根系密度分布、土壤水势、土壤水分含量、土壤非饱和导水率等各敏感因子，根据质量守恒，确定蒸腾量在根系层土壤剖面上按一定的权重因子分配下的根系吸水函数，来确定经验函数的参数_{【4，5，8-11】}。

采用宏观法建立的根系吸水经验函数，一般主要考虑土壤水势和根密度对根系吸水影响，大多根系吸水经验函数都是基于Feddes et al.(1978)^【11】模型发展改进过来的，虽然这种经验函数避免了微观法吸水函数里难以测定的参数，但它对于不同植物和不同大气条件则需要校准，因此需要较为精确的实验资料(如土壤水分剖面变化，根系密度分布变化和植物蒸腾量变化)对其进行评价和改进。

本发明对于研究根系吸水过程的理论原理为^{【11，12】}：

S(z，t)＝β(θ_z)L_nrd(z)/L_r T_p                (2)

式中T_p为潜在蒸腾速率；β(θ_z)为深度为z的根系吸水速率水分胁迫权重因子；L_nrd(z)为深度为z的根系密度函数。

国外学者以Homaee M et al.(2002)^【6，7】为代表通过土柱试验，称重测量植物蒸腾速率和用TDR测量水分剖面变化，用于对温室条件下根系吸水函数中不同水分胁迫权重函数进行了检验，但未能考虑到对根系密度参数的准确获取，其根系吸水过程的研究有不完善之处。

田间试验研究根系吸水过程，以国内的姚建文，康绍忠，邵爱军模型^【13-15】为代表，通过根系吸水动态模拟的方法建立根系吸水经验模型，考虑到根系吸水项的一维非饱和土壤水分运动方程，将根系吸水项通过田间实测含水率分布通过数值模拟，从而建立根系吸水经验模型。这种模型形式简单，应用方便，不需要考虑根系密度、根水势等较难获取参数，但因是在特定的田间试验条件下得到的，不具有普遍适用性。左强(2004)^【16】田间试验研究根系吸水过程，考虑了根系密度，但在田间则无法准确测定植物蒸腾量，从而使根系吸水速率具有较大的不确定性。左强(2004)^【16】采用了土柱试验，采用张力计测定土壤水势，能较好反映根系吸水过程，但因张力计的测定范围受限而影响到植物干旱条件下实际土壤水势的准确测定，从而影响了土壤较干条件下的根系吸水过程的研究，并且在称重时需要拆卸张力计的连接导管，程序较为复杂。罗毅(2000)^【17】利用大型蒸渗仪确定植物蒸腾量，中子水份仪观测土壤水分和测定的根系密度分布资料，结合前人的根系吸水模型进行了评价和改进，结果较为理想，但还未能达到对于这些变量同时同地的准确测量。

综上所述，已有研究植物根系吸水过程的装置和方法，在植物的各个生育阶段很难同时定量准确测定土壤水分剖面变化，根系密度分布变化以及植物蒸腾量的变化，从而准确反求和模拟根系吸水过程。本发明方法可以重复利用所建立的测定装置，进行植物根系吸水的测量。

参考文献：

【1】左强，王数，陈研.反求根系吸水速率方法的探讨.农业工程学报，2001，17(4)：17-21。

【2】雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学.北京：清华大学出版社，1988。

【3】Feddes R A and Raats P A C.Parameterizing the soil-water-plant rootsystem。

【4】Homaee M.Root water uptake under non-uniform transientsalinity and water stress.Netherlands：Wageningen AgriculturalUniversity，1999，45-46。

【5】Homaee M and Feddes R A.Quantificaton of root water extractionunder salinity and drought. Developments in plant and soil science.2001，92：367-377。

【6】Homaee M，Dirksen C and Feddes R A.Simulation of root wateruptake I：Non-uniform transient sal inity using different macroscopicreduction  functions. Agricultural Water Management，2002，57：89-109。

【7】Homaee M，Feddes R A and Dirksen C. Simulation of root wateruptake II：Non-uniform transient water stress using differentreduction functions. Agricultural Water Management，2002，57：111-126。

【8】Dirksen C，Kool J B，Koorevaar P，et al.HYSWASOR：simulationmodel of hysteretic water and solute transport in the root zone.Berlin：Springer-Verlag，1993：99-122。

【9】Van Genuchten M T and Hoffman G J.  Analysis of crop salttolerance data. Berlin：Springer-Verlag，Soil Salinity UnderIrrigation，1984，51：258-271。

【10】Van Genuchten M T.A numerical model for water and solutemovement in and below the root zone.USDA-ARS，US Salinity Laboratory，Riverside.  Research Report no.121，1987。

【11】Feddes R A，Kowalik P J and Zaradny H. Simulation of fieldwater use and crop yield. Pudoc，Wageningen. Simulation Monographs，1978。

【12】Prasad R.A linear root water uptake model.Journal ofHydrology，1988，99：297-306。

【13】姚建文.作物生长条件下土壤含水量预测的数学模型.水利学报，1989(9)：32-38。

【14】康绍忠，刘晓明，熊运章.冬小麦根系吸水模式研究.西北农业大学学报，1992，20(2)：5-12。

【15】邵爱军，李会昌.野外条件下作物根系吸水模型的建立.水利学报，1997(2)：68-72。

【16】左强，孟雷，王东.应用实测含水率剖面估算冬小麦相对根长密度分布.农业工程学报，2004，20(4)：1-6。

【17】罗毅，于强，欧阳竹等.利用精确的田间实验资料对几个常用根系吸水模型的评价与改进.水利学报，2000，(4)：73-80。

                        发明内容

针对现有即使从中的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种植物根系吸收土壤水分过程的测定方法。

实现上述目的的技术解决方案是：

一种植物根系吸收土壤水分过程的测定方法，其特征在于，该方法采用可拆卸的土柱，土柱内种植有植物，在土柱中间安放土壤水分测量管，并将土柱放置于田间土坑中；植物根系吸收土壤水分过程的测定包括下列步骤：

根据植物生长阶段，定时对土柱称量，获得植物蒸腾速率；

定期拆开土柱，分层取土壤，以获取植物根系密度分布、根表面积分布以及根系分级参数；以及获取土壤水势、土壤水分含量、土壤非饱和导水率各敏感因子；

对上述得到的植物蒸腾速率、植物根系密度分布、土壤水势、土壤水分含量、土壤非饱和导水率各敏感因子，根据质量守恒，确定蒸腾量在根系层土壤剖面上按一定的权重因子分配下的植物根系吸水函数，采用植物根系吸水速率反求方法，数值迭代求得植物根系吸水速率剖面分布，来确定经验函数的参数，从而达到植物根系吸水过程的测定。

采用本发明的方法，能够评价和改进植物根系吸水模型，进而应用到田间进行植物生长条件下的土壤一维水分运动的动态模拟，实际确定植物耗水量和制定田间灌溉制度。

                        附图说明

图1是本方法的操作流程图；

图2是试验用土柱结构图；

图3是钢卡示意图；

图4是试验系统组成图；

图5是土壤水分剖面图；

图6是土壤中根长分布图。

上述图中，图1和图2是本发明方法的根系吸水过程测定示意图。

以下结合附图和流程图对本发明作进一步的详细说明。

                        具体实施方式

本发明的植物根系吸收土壤水分过程的测定方法，需要以下装置：

-称重装置，用于实现称量土柱重量，采用高精度工业电子吊称；

-垂直土柱，由PVC圆管制成，土柱高1米～4米，内径295mm，沿PVC圆管轴向从中间剖开。盛装土壤并种植植物，定期剖开土柱后分层取土壤，以获取根系；

-土壤水分剖面测定仪，在土柱中间安装TDR土壤水分测定管，利用德国生产的剖面水分测定仪器Trime-TDR分层测定土柱中的水分变化；

-根系扫描系统，主要由扫描仪和有机玻璃水槽组成；将剖开土柱获取的根系水洗干净后，平铺浸在水槽内，扫描获取图像，利用专业的根系分析图像软件得出总根长，根表面积以及根系分级等参数。

具体操作流程参见图1所示，具体包括下列内容：

1、土柱制作：

土柱制作参见图2，土柱是一个可拆卸的土柱，包括圆管4，圆管4的材料采用PVC，长度为1m～4m，内径295mm，壁厚10mm。可以根据不同植物根系深度确定长度和直径。制作方法如下：

沿圆管4的轴向对半剖开为两半，剖开后的圆管用圆形钢卡6(图3)固定好，然后再用玻璃胶粘好缝隙至不透水，沿圆管4的底采用漏眼的铁盘扣紧。在铁盘和圆形钢卡7上均有固定钢丝绳的物件8，以利于将土柱从土坑吊起进行称重。

土柱制好后，在土柱底部装入一层厚度10cm左右的石子5，石子5的粒径为1cm左右，然后在土柱中间插入TDR水分测量管2，在TDR水分测量管2周围，按照一定干容重填装过筛风干的土壤3，直至装填到圆管4的管口5cm处。若采用分层填装土壤时，将每层土壤倒入土柱后，使用工具将土壤夯实至一定的密度，并在表面打毛，然后再装下一层土。

在土柱内种植植物以前，按照田间持水量给土柱灌水，使土柱内的水分达到再分布平衡状态，然后在TDR水分测量管2周围均匀种植植物，待出苗后，在土壤表面覆盖一层3cm厚的蛭石1，以抑制土壤的水分蒸发。

2.地下室设计：

为了尽量保持土柱内土壤的田间环境条件，采用地下室放置土柱，地下室的高度根据土柱高度确定，以保证土柱上的土壤表面与地面平齐。

地下室采用砖墙7垒砌成，地下室内分布多个50cm×50cm的隔间，地下室底部要求水平光滑，以利于平稳安放土柱，如图4所示。

在地下室两侧砖墙7上修建水泥槽轨道8，轨道8上有横梁9，横梁9在轨道8上运动，横梁9上有可来回移动的滑轮，滑轮上放置有称重的高精度工业电子吊秤10，可以使得工业电子吊秤10在横梁9上移动，从而有利于称取不同位置上放置的土柱的重量。

3.植物根系获取和测定过程

1)根据植物生长阶段，定期拆开一定数量的土柱，进行植物根系生长过程的监测。具体方法是：

采用滑轮将土柱从地下室吊起后，平放于地面。由于土柱是采用剖开后又粘接好的PVC圆管，因此可采用薄而锋利的小刀沿PVC圆管缝粘接处划开，再用小锤轻轻敲打，即可卸开土柱。然后每隔5cm～10cm横向切割土壤，将每层所取土壤过细筛并用水冲洗，挑出根系，编号并装入含有75％的酒精塑料袋内以备分析。拆开后的土柱可以再次粘接好，以备下次使用。

2)利用根系分析系统分析所拆开土柱的植物根系分布：

将每层土壤挑出的植物根系平铺于有机玻璃水槽内，采用扫描仪扫描图像，植物根系图像则采用现有的专业根系分析软件进行分析，从而得到不同生长阶段植物各层土壤植物的根长密度分布，根表面积分布以及根系分级参数等指标。

4.土柱实验参数的确定：

(1)采用土壤水分测定仪TDR来测定土柱的土壤水分剖面，具体操作方法是：

1)土壤水分测定仪TDR的校正：

在卸开土柱获取根系时候，对每层土壤按称重法测定重量含水量，并与卸开前土柱内的TDR水分测量管2测定的TDR数据建立校正曲线。

2)土壤的水势测定通过水分特征曲线由水分含量换算得到：

水分特征曲线测定方法较多，但考虑到滞后性，土壤水分特征曲线应采用脱湿曲线，并采用Van Genuchten(1980)函数形式拟合求得水分特征曲线中的参数。

(2)采用已知的环刀法测定土柱内土壤的饱和导水率。

(3)根据前面测定的Van Genuchten(1980)水分特征曲线参数和土壤饱和导水率数值，代入Mualem-Van Genuchten的非饱和导水率公式求得土壤非饱和导水率。

(4)实际植物蒸腾量通过前面提到的高精度工业电子吊秤对土柱称重获得，每个土柱每天至少要称量1次。

(5)根系密度垂直分布可以通过定期卸开土柱，分层取土洗根、扫描根而获得。

对上述得到的植物蒸腾速率、植物根系密度分布、土壤水势、土壤水分含量、土壤非饱和导水率各敏感因子，根据质量守恒，确定蒸腾量在根系层土壤剖面上按一定的权重因子分配下的植物根系吸水函数，采用植物根系吸水速率反求方法，数值迭代求得植物根系吸水速率剖面分布，来确定经验函数的参数，从而达到植物根系吸水过程的测定。

本发明的方法具备以下功能：

(1)可以分层测定植物根系在土壤中的分布情况。

(2)可以分层测定根区土壤水分剖面变化。

(3)可以测量植物蒸腾速率。

(4)根据测定的有关变量，建立根系吸水函数或利用土壤水分动态资料反求出植物不同生长阶段的根系吸水速率。

5.试验结果示例：

申请人采用本发明的方法，利用剖面水分测定仪测定土壤剖面水分含量的分布结果见图5，利用本方法获得的植物根系剖面分布见图6。满足了设计要求。