一种自动控制土壤水势恒定的方法

摘要

本发明公开了一种自动控制土壤水势恒定的方法，主要通过建立土壤和恒定水势溶液之间的水动态平衡来实时补偿土壤失水，实现对土壤水势的恒定控制。本方法包括如下步骤：提供一水溶液并恒定其水势；将该恒定水势溶液依次通过选择性透过介质一、封闭水体、选择性透过介质二与土壤连接，建立一个水动态平衡体系。溶液通过选择性透过介质一与封闭水体进行水交换，该选择性透过介质一能让水自由透过，但不能透过溶液中的溶质，如反渗透膜；封闭水体通过选择性透过介质二与土壤进行水交换，该选择性透过介质二能让水自由通过，但不能通过土壤和空气，如微孔陶瓷容器。本发明能够有效地控制土壤水势恒定，广泛地适用于农业以及科研领域。

权利要求

1.一种自动控制土壤水势恒定的方法，其特征在于，包括如下步骤：a)提供一水溶液，并保持其水势恒定；

b)将所述恒定水势溶液依次通过选择性透过介质一、封闭水体、选择性透过介质二与土壤连接，建立一个水动态平衡体系，其中：所述恒定水势溶液通过选择性透过介质一与所述封闭水体进行水交换，该选择性透过介质一能让水自由透过，但不能透过所述恒定水势溶液中的溶质；

所述封闭水体通过选择性透过介质二与土壤进行水交换，该选择性透过介质二能让水自由通过，但不能通过土壤颗粒和空气。

2.如权利要求1所述的一种自动控制土壤水势恒定的方法，其特征在于，所述步骤a)中保持水溶液水势恒定的方法是：在水溶液的上部设置一封闭空气，该封闭空气上部设置一恒定水压的水源，该恒压水源不直接向水溶液供水，仅当封闭气体压强小于恒压水源加在封闭气体上的气压时，恒压水源的水才穿过封闭气体滴入水溶液中，直至封闭气体压强等于恒压水源加在封闭气体上的压强时为止。

3.如权利要求1所述的一种自动控制土壤水势恒定的方法，其特征在于，所述选择性透过介质一为反渗透膜或半透膜。

4.如权利要求1所述的一种自动控制土壤水势恒定的方法，其特征在于，所述选择性透过介质二为孔径微小的多孔性装置。

5.如权利要求4所述的一种自动控制土壤水势恒定的方法，其特征在于，所述孔径微小的多孔性装置为微孔陶瓷容器。

说明书

一种自动控制土壤水势恒定的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种自动控制土壤水势恒定的方法。属于农业科技领域。

背景技术

[0002] 世界人口日益增多，而地球能够提供给我们的资源有限，加之全球变暖，旱灾频发，给世界许多国家的农业生产带来了问题。农业科研工作者面临一个新的挑战：如何利用有限的农业资源继续发展农业生产，满足社会生产和人们生活的需要。在农业生产和农业资源的矛盾关系中，农业生产与水资源的矛盾是比较突出的。在现代社会中，农业生产发展水平高低很大程度上取决于农业生产中水的供应量和供应时间。农学家们需要研究不同作物的需水量情况，根据需水规律来确定作物的合理布局以及灌水量和灌水时间，统筹区域农业用水计划等，以便更好地利用各地区的自然资源和发挥各个地区自然资源的优势，获得良好的社会和生态效益。

[0003] 作物生长所需要的水分绝大部分是来自土壤，大多数关于土壤水分对作物有效性的指标用土壤含水量来表示，土壤含水量指的是土壤在105℃烘12小时后失去的水分占对应烘干土重量的百分数，在一定程度上能够反映所研究土壤水分对作物的有效性。但土壤是一个含有很多物质的混合体，尤其在盐碱土上，虽然绝对含水量很高，但是作物很难吸收利用土壤中的水分进行生长，这是因为土壤中的盐分含量太高，水势很低，作物不能吸收的缘故。这时用土壤含水量来表示水分对作物的有效性就不是很合理了；在相同的土壤含水量条件下，盐碱化程度不同的土壤，土壤水分对作物生长的有效性是不相同的。土壤水势采用能量的单位，具有统一性和通用性，适合在任何质地类型的土壤上使用，而且还可以和植物体内的水势变化相联系比较，因此用土壤水势这一指标来表示和研究土壤水分对作物的有效性，就显得更加合理，能够克服用土壤含水量表示土壤水分对作物有效性时的不足。

[0004] 目前进行土壤水势控制的方法中，主要是利用土壤水势张力计来测量土壤的水势，通过浇灌水来控制土壤水势。这种研究方法是，在土壤中埋入土壤张力计，由于各种原因土壤水分散失在大气中或向下渗，使得土壤水势降低，通过观察张力计读数的变化，来给土壤浇灌水，使土壤水势上升达到预设范围或特定的值，通过这种方法研究土壤水势对作物或其它指标的影响。这种方法一般在大田条件下使用，有合理的一面，但是也有不足的方面：①大田条件下，土壤的水势变化范围较大，不能很好地确定在何土壤水势条件下，试验指标会发生质的变化；②土壤水势控制难度较大，用这种方法进行土壤水势的研究，必然工作量很大，在浇灌水调整土壤水势时需要较多的时间去观察，如果土壤导水能力差的话，土壤水势张力计变化较慢；需要的时间就会更多；③进行土壤水势的控制，需要其它设施投入，为了防止试验区之间水分流动的影响，需要防止地下水的流动或外面的水进入试验区。④这种试验方法不能自动恒定地控制土壤水势。

[0005] 目前进行土壤水势恒定控制方法的研究报道几乎没有。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种能够自动控制土壤水势恒定的方法，克服现有技术中的缺点。

[0007] 本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种能够自动控制土壤水势恒定的方法。该方法主要通过建立土壤和恒定水势溶液之间的水动态平衡来实时补偿土壤失水，实现对土壤水势的恒定控制。

[0008] 本发明的技术方案概述如下：

[0009] 一种自动控制土壤水势恒定的方法，包括如下步骤：

[0010] a)提供一水溶液，并保持其水势恒定；

[0011] b)将所述恒定水势溶液依次通过选择性透过介质一、封闭水体、选择性透过介质二与土壤连接，建立一个水动态平衡体系，其中：

[0012] 所述恒定水势溶液通过选择性透过介质一与所述封闭水体进行水交换，该选择性透过介质一能让水自由透过，但不能透过所述恒定水势溶液中的溶质；

[0013] 所述封闭水体通过选择性透过介质二与土壤进行水交换，该选择性透过介质二能让水自由通过，不能通过土壤颗粒和空气。

[0014] 进一步，上述步骤a)中保持水溶液水势恒定的方法是：

[0015] 在水溶液的上部设置一封闭空气，该封闭空气上部设置一恒定水压的水源，该恒压水源不直接向水溶液供水，仅当封闭气体压强小于恒压水源加在封闭气体上的气压时，恒压水源的水才穿过封闭气体滴入水溶液中，直至封闭气体压强等于恒压水源加在封闭气体上的气压时为止。

[0016] 上述步骤b)所述的选择性透过介质一为反渗透膜或半透膜。上述选择性透过介质二为孔径微小的多孔性装置，优选为微孔陶瓷容器。

[0017] 与现有的土壤水势控制方法相比，本发明方法的优点是：

[0018] 1.本方法能够自动控制土壤水势恒定，最大限度地减少由于土壤水势变化带来的不利影响；

[0019] 2.只要保证水源充足，本方法即能连续工作；

[0020] 3.本方法能够精确控制土壤水势，节省人力物力财力，能够非常有效地提高工作效率。

附图说明

[0021] 图1是本发明方法原理图

[0022] 图2是本发明实施例恒定水压供水装置示意图

[0023] 图3是本发明实施例自动控制进水装置示意图

[0024] 图4(a)是本发明实施例半透性材料控水装置立体结构图

[0025] (b)是本发明实施例半透性材料控水装置侧视结构图

[0026] 图5是本发明实施例实际使用状态结构示意图

[0027] 其中：

[0028] i-选择性透过介质一

[0029] ii-选择性透过介质二

[0030] 1-恒定水压供水装置

[0031] 2-自动控制进水装置

[0032] 3-半透性材料控水装置

[0033] 4-微孔陶瓷容器

[0034] 5-装土容器

[0035] 11-进水口 12-水面 13-进气口

[0036] 14-出水口 21-进水口 22-滴水管

[0037] 23-液面 24-出水口 31-夹板

[0038] 32-螺钉孔 33-螺钉 34-反渗透膜

[0039] 35-进水口 36-出水口

具体实施方式

[0040] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

[0041] 本实施例通过恒定水压供水装置1和自动控制进水装置2获得恒定水势溶液，其中恒定水压供水装置1提供恒压水源，自动控制进水装置2实现盛装于其中的水溶液的水势恒定。

[0042] 如附图2所示，恒定水压供水装置1是一个圆柱形的装水容器，上端设有进水口11，下端设有出水口14，出水口14通过橡皮管连接自动控制进水装置2的进水口21，靠近出水口14设有进气口13，进气口13位于水面12以下，在正常使用过程中进水口11处于关闭状态，进气口13处于打开状态，该装置能以恒定的水压向外供水。注水时，先封闭下端的出水口14和进气口13，然后打开上端的进水口11注水；至所需的量后，先关闭上端的进水口11，用橡皮管连通出水口14和自动控制进水装置的进水口21，最后打开进气口13，即可实现恒定水压供水。在工作期间需要注水时，先将出水口14和进气口13封闭，接着打开进水口11注水，注水结束后，先关闭进水口11，再打开出水口14，最后打开进气口13。该
3
装置的工作原理简述如下：水压的计算公式P＝ρ×g×h中，ρ为水的密度1000kg/m，g
2
为重力加速度约9.8m/s，h为该装置进气口到自动控制进水装置的滴水管出口间的竖直高度(m)。因此在该装置使用过程中，只要保持h的大小不变，即保持该装置和自动控制进水装置2之间的相对位置固定，该装置就能以恒定的水压向自动控制进水装置2供水。

[0043] 如附图3所示，自动控制进水装置2是一个圆柱状的盛装恒定水势溶液的容器，上端设有进水口21，进水口21通过橡皮管连接恒定水压供水装置的出水口14，进水口21向装置内腔延伸进去一段，形成滴水管22，用来形成水滴，液面23位于容器中部上下；其上方区域A装有封闭空气，气压恒定，下端设有出水口24，出水口24通过橡皮管和半透性材料控水装置3的进水口35相连。该装置能够自动控制向恒定水势溶液的进水量，保证其体积和浓度恒定，进而保证恒定水势溶液的水势恒定。该装置的工作原理简述如下：当该装置供水时，该装置中的水量减少，液面下降，使得液面上部的封闭空气体积增大，气压减小，于是滴水管开始滴水，液面逐渐升高，直至空气压强恢复到初始水平为止，此时液面上升到初始高度，空气体积恢复到初始体积，恒定水势溶液的体积，浓度，水势等数值均保持不变。

[0044] 上述恒定水势溶液由化学性质稳定的物质配制，如氯化钠之类的强电解质或聚乙二醇之类的高分子物质均可。该溶液的水势和浓度具有一一对应，可以通过计算或者测量得到。以聚乙二醇(PEG)为例，水势可通过下述公式进行计算，水势(bar)，T：温度(℃)，CPEG：聚乙二醇浓度(g/g)，水势误差在5％以内。根据上述公式，一旦确定了该溶液所需达到的水势，就可以反过来求得溶液的浓度并配制该溶液。上述公式适宜的PEG溶液的浓度范围是0-0.8g/g。

[0045] 上述恒定水势溶液依次通过反渗透膜34(充当选择性透过介质一)，封闭水体和微孔陶瓷容器4(充当选择性透过介质二)与土壤连接，建立一个动态水平衡体系。恒定水势溶液通过反渗透膜34与封闭水体进行水交换，封闭水体通过微孔陶瓷容器4与土壤进行水交换。

[0046] 如附图4所示，半透性材料控水装置3是一个近似于球形的盛装液体的容器，容器中部设有反渗透膜34，反渗透膜34通过支撑板31夹持固定并和整个容器密封，支撑板31的中间被挖掉形成一个空洞以便溶液充分接触反渗透膜34，支撑板31之间通过螺钉33固定。反渗透膜34将整个装置分成C和D两个独立腔体。C腔体设有进水口35，和自动控制进水装置2的出水口24连接，该腔体内装有恒定水势溶液，D腔体设有出水口36，和微孔陶瓷容器4的进水口连接，该腔体内装有水，从反渗透膜34到微孔陶瓷容器4之间的这一部分水体处于封闭状态。反渗透膜34把封闭水体和恒定水势溶液分隔开，成为两者之间水交换的介质，水分子可以自由透过，恒定水势溶液中的溶质分子则不能自由透过。本实施例使用的反渗透膜的型号为PA1-4040，在大约1Pa的压力条件下，反渗透膜34的透水能力是3 2
1.2255m/m/h。

[0047] 微孔陶瓷容器4是一个圆柱形的装水容器，其容器壁被水饱和，容器壁上有许多孔径在250-800微米范围的微孔，进气值较低，在0.3-0.6MPa范围内，在压力差很小的情况下就可以排出微孔陶瓷容器壁的水。该装置和土壤直接接触，土壤散失的水分都是通过该装置补给的。

[0048] 使用上述装置时，首先将微孔陶瓷容器4和半透性材料控水装置3连接，并在微孔陶瓷容器4和半透性材料控水装置3的装水腔体中装水。为了能使装置更好地工作，装水时应尽可能地排除掉封闭水体中的空气，最好在水下完成安装。这一段封闭水体需要承受一定的负压，所以应做好密封工作。在装水结束后，用橡皮管连接自动控制进水装置2的出水口24和半透性材料控水装置3的进水口35。从自动控制进水装置2的进水口21处加注恒定水势溶液，直到液面23上升至自动控制进水装置2的中部左右。然后在恒定水压供水装置1中装水，完成后封闭进水口11和进气口13，用橡皮管把出水口14和自动控制进水装置2的进水口21连接，之后打开进气口13，这样就完成了主要功能部件的连接。最好标明液面23的位置，作为该液面的初始高度记录。此时将微孔陶瓷容器4安装在装土容器5中，按一定的容重装填土壤，平衡一段时间就可以实现对土壤水势的恒定控制，如附图5所示。

[0049] 本发明方法的工作驱动力来自土壤水势的变化。在使用过程中，土壤水分的散失或下渗使得土壤的水势有所下降，这时土壤水势和恒定水势溶液的水势之间产生一个水势差，使得微孔陶瓷容器4中的水趋向于经过微孔流向土壤，因此封闭水体中的水量减少，由此产生的负压使得位于反渗透膜34另一边的恒定水势溶液中的水透过反渗透膜34进入装水腔体，也即封闭水体，补充封闭水体散失的水分，直到土壤水势和溶液水势相等，水的移动才暂时停止，如附图1所示，其中 封闭水体在整个过程中起到了在恒定水势溶液和土壤之间传递水分的作用，同时也起到了将土壤水势变化向恒定水势溶液传递的作用。

[0050] 当恒定水势溶液中的水透过反渗透膜34进入封闭水体时，恒定水势溶液的体积减小，浓度升高，这个微小的体积变化在自动控制进水装置2中体现出来，该装置中的液面23下降，使得液面23上端空气体积增大，空气压强减小，于是自动控制进水装置2上端的滴水管22开始滴水，液面23升高，空气体积减小，压强增大，直至恢复到初始水平。此时恒定水势溶液的浓度和体积均保持不变，溶液的水势也因此保持不变。

[0051] 正常情况下，土壤的水势等于或小于恒定水势溶液的水势，保证了上述装置能够正常运作，即水从恒定水势溶液透过反渗透膜34流向封闭水体进而通过微孔陶瓷容器4流向土壤。当土壤水势因为某些原因，如土壤所在区域降雨或者过多灌溉等，突然升高而高于恒定水势溶液时，就会发生逆流现象，即土壤中的水分进入微孔陶瓷容器4，封闭水体中的水分进入自动控制进水装置2。若发生逆流现象，应断开连接恒定水压供水装置1和自动控制进水装置2的橡皮管，等恒定水势溶液液面23恢复到初始高度记录时，再连接该橡皮管，值得注意的是整个过程必须保证恒定水压供水装置1和自动控制进水装置2之间的相对位置不变以及恒定水势溶液原有溶质不变。