本发明涉及一种多层土壤水肥迁移转化参数测试装置及方法，包括如下步骤：(a)制作圆柱形有机玻璃内外柱和分层土壤土柱，其中有机玻璃内柱指定高度上分布着梅花状孔洞，土壤土柱被内柱包裹并根据稻田原状土特点分为耕作层、犁地层、底土层；(b)各个土层内分别埋设土壤水势传感器、负压取水样器和土壤含水率测量仪器；(c)土壤水分下渗过程中同时产生的侧向渗流水通过梅花孔排出到内外柱之间的环形区域，抽取到外部装置进行化验分析。本发明用以探究分层土壤水肥入渗和侧渗及其转化过程，确定分层土壤多种情境下垂向渗漏和侧向渗流对排水的贡献率，可设置不同地下水位，研究各层土壤水肥迁移转化过程和土壤水地下水相互补给关系。
1.一种多层土壤水肥迁移转化参数测试方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采集各层土样进行化验分析，确定初始各项理化参数值；
(2)确定最高和最低控制地下水水位：最高控制地下水水位不高于土壤柱柱壁侧渗段下端，最低控制地下水水位根据实验要求确定；
(3)配置土壤水肥溶液模拟稻田在土壤柱耕作层表层施肥，并保持一定水层深度，水层深度根据具体实验要求确定；
(4)根据埋设在土壤柱各层的传感器动态监测水肥溶液入渗过程中每层土壤含水率、温度以及水势情况，并同时利用负压取水样器按照实验要求的取样频次在各层分别取水样，根据实验要求测量土壤溶液中营养元素含量；结合观测到的土壤含水率，土壤温度以及土壤水势进行分析，探究水肥下渗过程中相应含量的变化及其在土壤中的分布情况；进一步研究土壤水分和养分在各层之间迁移转化的过程；
(5)在土壤水肥溶液下渗的过程中，会在圆柱形有机玻璃内柱侧壁的梅花孔洞形成侧渗，根据圆柱形有机玻璃外柱底部的排水管收集有机玻璃内外柱环形区域之间的侧渗水，进行称量化验，探究连续侧渗水在水肥溶液渗漏的过程中所占的比重，并且分析连续侧渗过程中水肥变化规律以及各因素的迁移转化；
(6)根据自动控制供排水装置监测的各时段的供水量以及排水量分析土壤水肥溶液下渗过程中的地下水水位的变化过程，分析对地下水水位的影响；收集有机玻璃内柱下部供水室的水样，进行化验分析，分析排出水中组成成分以及含量，探究土壤中水肥垂直渗漏损失量；通过对于土壤侧渗水和垂直下渗水的独立监测过程，分析土壤水肥渗漏的二维特性，探究多种控制条件下土壤水肥迁移转化规律。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该方法使用的装置包括平台(25)，平台(25)上从内至外依次设置分层土壤柱(1)、圆柱形有机玻璃内柱(2)和圆柱形有机玻璃外柱(3)，平台(25)下设置有供水室(13)，供水室(13)侧壁上方设置有一排气孔(14)，供水室(13)通过供水管(15)与自动控制供排水装置(16)相连通；
分层土壤柱(1)内从下至上依次为底土层(6)、犁地层(5)和耕作层(4)，各层内分别设置有位于同一水平面的土壤水势传感器(7)、负压取水样器(8)和土壤含水率测量仪器(9)，所述土壤水势传感器(7)通过缆线与土壤水势采集器(19)相连，负压取水样器(8)通过缆线与负压取土壤水真空罐(20)相连，土壤含水率测量仪器(9)通过缆线分别与土壤温度采集器(21)、土壤水分采集器(22)相连；
圆柱形有机玻璃内柱(2)上开设有梅花孔洞(10)，用于排出在土壤水分下渗过程中产生的侧向渗漏水；平台(25)上均匀布置多孔法兰(26)，用于供水室(13)和土壤柱(1)的水分交换。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：位于分层土壤柱(1)内的所有土壤水势传感器(7)在同一竖直平面内，位于分层土壤柱(1)内的所有负压取水样器(8)在同一竖直平面内，位于分层土壤柱(1)内的所有土壤含水率测量仪器(9)在同一竖直平面内。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：土壤水势采集器(19)、土壤温度采集器(21)、土壤水分采集器(22)集成在土壤数据综合采集箱(18)内，土壤数据综合采集箱(18)还与计算机终端相连。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述圆柱形有机玻璃内柱(2)和圆柱形有机玻璃外柱(3)之间为环形区域(11)，环形区域(11)的宽度不小于65mm，环形区域(11)底部设置排水管(12)，用于导出侧向渗漏水。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：供水室(13)侧面底部设置排水管(27)，排水管(27)上设置阀门(28)以控制水流。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述圆柱形有机玻璃内柱(2)的高度不低于
1184mm，直径不小于300mm；圆柱形有机玻璃外柱(3)的高度不低于1100mm，直径不小于
430mm；耕作层(4)的高度为200-300mm，犁地层(5)的高度为150-200mm，底土层(6)的高度不低于600mm。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述梅花孔洞(10)直径为3mm，均匀分布于圆柱形有机玻璃内柱(2)顶部以下250mm-750mm高度的柱壁上。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述多孔法兰(26)的上方布置塑料滤网；梅花孔洞(10)与土壤柱之间设置有塑料滤网，防止土壤颗粒被侧向渗流水带出。
一种多层土壤水肥迁移转化参数测试装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及土壤水肥迁移领域，具体的说是一种多层土壤水肥迁移转化参数测试装置及方法。
背景技术
[0002] 土壤水分运动及溶质运移是研究农田水肥迁移转化和利用效率的基础，目前对土壤水分运动及溶质运移的研究主要是通过田间试验监测研究和室内装置模拟监测研究来进行的，田间监测有助于理解实际水管理措施下农田水肥运动，然而田间监测的研究方法测试验周期长、试验条件难以控制和重现，而且田间监测研究具有区域特异性，监测成果不宜应用于其他区域。
[0003] 根据大量的野外观测和试验研究发现，因为水稻特殊的水分管理措施，稻田土壤在垂直方向上普遍具有明显的水平分层，这种分层的特点导致稻田水分及养分的运动转化自有其特殊性。农田土壤水分和养分迁移转化，不仅发生在垂直入渗和渗漏方面，同时还存在于各土层及土层间和向沟渠的侧向渗流运动中。但现有方法多研究均质土壤，而且均只考虑土壤水及溶质的一维垂直或水平运动，难以准确反映农田土壤水肥运动情况，实验结果应用于农田水肥运动研究中会存在较大误差，因此需要更符合农田实际情况的发明方法。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为解决上述问题而提供一种多层土壤水肥迁移转化参数测试装置及方法，能够研究分层土壤水分及养分垂直和侧向渗流运动，并可监测不同水层深度和地下水位组合下，水分在各层土壤间的运动与转化过程，计量土柱侧渗排水量和土柱与地下水分交换量，通过土壤溶液取样，监测养分在土层间、土壤水与地下水之间的迁移转化过程。
[0005] 一种多层土壤水肥迁移转化参数测试装置，包括平台25，平台25上从内至外依次设置分层土壤柱1、圆柱形有机玻璃内柱2和圆柱形有机玻璃外柱3，平台25下设置有供水室13，供水室13侧壁上方设置有一排气孔14，供水室13通过供水管15与自动控制供排水装置
16相连通；
[0006] 分层土壤柱1内从下至上依次为底土层6、犁地层5和耕作层4，各层内分别设置有位于同一水平面的土壤水势传感器7、负压取水样器8和土壤含水率测量仪器9，所述土壤水势传感器7通过缆线与土壤水势采集器19相连，负压取水样器8通过缆线与负压取土壤水真空罐20相连，土壤含水率测量仪器9通过缆线分别与土壤温度采集器21、土壤水分采集器22相连；
[0007] 圆柱形有机玻璃内柱2上开设有梅花孔洞10，用于排出在土壤水分下渗过程中产生的侧向渗漏水；平台25上均匀布置多孔法兰26，用于供水室13和土壤柱1的水分交换。
[0008] 位于分层土壤柱1内的所有土壤水势传感器7在同一竖直平面内，位于分层土壤柱1内的所有负压取水样器8在同一竖直平面内，位于分层土壤柱1内的所有土壤含水率测量仪器9在同一竖直平面内。
[0009] 土壤水势采集器19、土壤温度采集器21、土壤水分采集器22集成在土壤数据综合采集箱18内，土壤数据综合采集箱18还与计算机终端相连。
[0010] 所述圆柱形有机玻璃内柱2和圆柱形有机玻璃外柱3之间为环形区域11，环形区域11的宽度不小于65mm，环形区域11底部设置排水管12，用于导出侧向渗漏水。
[0011] 供水室13侧面底部设置排水管27，排水管27上设置阀门28以控制水流。
[0012] 所述圆柱形有机玻璃内柱2的高度不低于1184mm，直径不小于300mm；圆柱形有机玻璃外柱3的高度不低于1100mm，直径不小于430mm；耕作层4的高度为200-300mm，犁地层5的高度为150-200mm，底土层6的高度不低于600mm。
[0013] 所述梅花孔洞10直径为3mm，均匀分布于圆柱形有机玻璃内柱2顶部以下250mm-750mm高度的柱壁上。
[0014] 所述多孔法兰26的上方布置塑料滤网；梅花孔洞10与土壤柱之间设置有塑料滤网，防止土壤颗粒被侧向渗流水带出。
[0015] 一种多层土壤水肥迁移转化参数测试方法，包括如下步骤：
[0016] 1、采集各层土样进行化验分析，确定初始各项理化参数值；
[0017] 2、确定最高和最低控制地下水水位：最高控制地下水水位不高于土壤柱柱壁侧渗段下端，最低控制地下水水位根据实验要求确定；
[0018] 3、配置土壤水肥溶液模拟稻田在土壤柱耕作层表层施肥，并保持一定水层深度，水层深度根据具体实验要求确定；
[0019] 4、根据埋设在土壤柱各层的传感器动态监测水肥溶液入渗过程中每层土壤含水率、温度以及水势情况，并同时利用负压取水样器按照实验要求的取样频次在各层分别取水样，根据实验要求测量土壤溶液中营养元素含量；结合观测到的土壤含水率，土壤温度以及土壤水势进行分析，探究水肥下渗过程中相应含量的变化及其在土壤中的分布情况；进一步研究土壤水分和养分在各层之间迁移转化的过程；
[0020] 5、在土壤水肥溶液下渗的过程中，会在圆柱形有机玻璃内柱侧壁的梅花孔洞形成侧渗，根据所述圆柱形有机玻璃外柱底部的排水管收集有机玻璃内外柱环形区域之间的侧渗水，进行称量化验，探究连续侧渗水在水肥溶液渗漏的过程中所占的比重，并且分析连续侧渗过程中水肥变化规律以及各因素的迁移转化；
[0021] 6、根据自动控制供排水装置监测的各时段的供水量以及排水量分析土壤水肥溶液下渗过程中的地下水水位的变化过程，分析对地下水水位的影响；收集所述有机玻璃内柱下部供水室的水样，进行化验分析，分析排出水中组成成分以及含量，探究土壤中水肥垂直渗漏损失量；通过对于土壤侧渗水和垂直下渗水的独立监测过程，分析土壤水肥渗漏的二维特性，探究多种控制条件下土壤水肥迁移转化规律，为提高水肥利用效率提供理论依据和技术支撑。
[0022] 本发明一种多层土壤水肥迁移转化参数测试装置及方法的优点是：
[0023] 1、本发明着眼于分层土壤的水分及养分迁移转化过程，而非现有对于均质土壤的研究方法，使现有研究方法的试验条件更加符合农田实际情况。在各土层布置土壤水势传感器、负压取水样器和土壤含水率测量仪器，同时测量温度，可实现对于分层土壤水分及养分运动与转化过程相应参数的测试分析。
[0024] 2、通过在有机玻璃内柱上布设梅花孔洞，土壤柱在试验过程中可以形成侧向渗流，渗流水量于环形区域被收集，然后化验渗流水的养分情况，可实现土壤柱水分下渗时侧向渗流和养分排放的监测。
[0025] 3、该发明所涉及的测试过程是通过连接一个地下水位自动控制供排水装置实现的，利用该装置可以定量研究土壤柱土壤水分与供水室地下水的水量交换，结合，进而实现土壤柱排水不同去向的独立测试，以及养分不同流失途径的测试。
[0026] 4、通过设置不同的水层和地下水位，可实现研究不同控制条件下土壤中水分养分的迁移转化，进一步了解不同情境设置下农田水肥运动，为监测、提高农田水肥利用效率提供更充分的理论支撑。
附图说明
[0027] 图1为本发明装置的整体结构示意图。
[0028] 图2为本发明装置的局部结构示意图。
[0029] 图3为本发明装置的平面布置图。
[0030] 图4为梅花孔洞的结构示意图。
[0031] 图中，1为分层土壤柱，2为圆柱形有机玻璃内柱，3为圆柱形有机玻璃外柱，4为耕作层，5为犁地层，6为底土层，7为土壤水势传感器，8为负压取水样器，9为土壤含水率测量仪器，10为梅花孔洞，11为环形区域，12为排水管，13为供水室，14为排气孔，15为供水管，16为自动控制供排水装置，17为阀门，18为土壤数据综合采集箱，19为土壤水势采集器，20为负压取土壤水真空罐，21为土壤温度采集器，22为土壤水分采集器，23为法兰螺栓，24为内柱法兰，25为平台，26为多孔法兰，27为排水管，28为阀门。
具体实施方式
[0032] 实施例一
[0033] 下面结合说明书附图对本发明进行进一步说明。如图1-4所示，一种多层土壤水肥迁移转化参数测试装置，包括平台25，平台25上从内至外依次设置分层土壤柱1、圆柱形有机玻璃内柱2和圆柱形有机玻璃外柱3，平台25下设置有供水室13，供水室13侧壁上方设置有一排气孔14，供水室13通过供水管15与自动控制供排水装置16相连通；
[0034] 分层土壤柱1内从下至上依次为底土层6、犁地层5和耕作层4，各层内分别设置有位于同一水平面的土壤水势传感器7、负压取水样器8和土壤含水率测量仪器9，所述土壤水势传感器7通过缆线与土壤水势采集器19相连，负压取水样器8通过缆线与负压取土壤水真空罐20相连，土壤含水率测量仪器9通过缆线分别与土壤温度采集器21、土壤水分采集器22相连；
[0035] 圆柱形有机玻璃内柱2上开设有梅花孔洞10，用于排出在土壤水分下渗过程中产生的侧向渗漏水。
[0036] 位于分层土壤柱1内的所有土壤水势传感器7在同一竖直平面内，位于分层土壤柱1内的所有负压取水样器8在同一竖直平面内，位于分层土壤柱1内的所有土壤含水率测量仪器9在同一竖直平面内。
[0037] 土壤水势采集器19、土壤温度采集器21、土壤水分采集器22集成在土壤数据综合采集箱18内，土壤数据综合采集箱18还与计算机终端相连，观测参数的动态测试过程并读取对应的动态变化数据。
[0038] 所述圆柱形有机玻璃内柱2和圆柱形有机玻璃外柱3之间为环形区域11，环形区域11底部设置排水管12，用于导出侧向渗漏水。
[0039] 供水室13侧面底部设置排水管27，排水管27上设置阀门28以控制水流。
[0040] 所述耕作层4的高度为200mm，犁地层5的高度为200mm，底土层6的高度为600mm。整个土壤柱高度在950-1050 mm之间。土壤柱的高度可根据具体实验要求的底土层的厚度加以调整。所述圆柱形有机玻璃内柱2的直径为300mm，高度为1184mm；圆柱形有机玻璃外柱3的直径为430mm，高度为1100mm。
[0041] 所述梅花孔洞10直径为3mm，均匀分布于圆柱形有机玻璃内柱2顶部以下250mm-750mm高度的柱壁上。
[0042] 所述圆柱形有机玻璃内柱2底部的平台上均匀布满多孔法兰26，多孔法兰26的上方布置塑料滤网；梅花孔洞10与土壤柱之间设置有塑料滤网，防止土壤颗粒被侧向渗流水带出。
[0043] 自动控制供排水装置16为现有专利，申请号为2005200993186，申请日为2005年12月12日。
[0044] 本发明方法，包括如下步骤：
[0045] （1）制作本发明装置：
[0046] (a)制作分层土壤土柱1、圆柱形有机玻璃内柱2、圆柱形有机玻璃外柱3，有机玻璃内柱指定高度上分布着图4 所示的梅花状孔洞10，用以排出在土壤水分下渗过程中产生的侧向渗漏水，梅花孔洞与土柱之间设置塑料滤网，防止土壤颗粒被侧向渗流水带出，其厚度按照实验要求确定，有机玻璃内柱通过法兰螺栓23和内柱法兰24固定在平台25上，其下部的平台上均匀设置多孔法兰26，并在其上铺设塑料滤网，塑料滤网的厚度根据实验要求确定；
[0047] (b)土壤土柱被内柱包裹并根据稻田原状土特点分为耕作层4、犁地层5、底土层6，各层厚度分别为200 mm、200 mm、600 mm，根据设计要求分层回填后并压实；
[0048] (c)各个土层内分别埋设土壤水势传感器7、负压取水样器8和土壤含水率测量仪器9（同时测量温度），要求仪器每一层在同一个水平面上，每一列相同的仪器在同一个竖直剖面上。土层内传感器利用各自的缆线通过有机玻璃内外柱预留孔分别连接至土壤水势采集器19、负压取土壤水真空罐20、土壤温度采集器21、土壤水分采集器22，其中，土壤水势采集器19、土壤温度采集器21、土壤水分采集器22集成于土壤数据综合采集箱18中；动态采集参数数据传输至主控电脑，所述土壤数据综合采集箱18的尺寸为360mm×200mm。有机玻璃内外柱预留孔每一层有三个均匀分布在同一个水平面上，其中，有机玻璃内柱和有机玻璃外柱的预留孔在同一高度位置处，从上层至下层距离玻璃柱顶部的距离分别是250mm，425mm，600mm；
[0049] (d)通过梅花孔洞10排出侧向渗流水到内外柱之间的环形区域11，在环形区域底部设置一排水管12，通过排水管排出到外部并收集后进行化验分析；
[0050] (e)有机玻璃内柱下部安装高度为84mm的供水室13用以向土柱内供水和承接土柱水分垂直下渗过程中的排水，并在供水室13侧壁上方设置有排气孔14，供水室通过供水管15连接自动控制供排水装置16，供水管上设置阀门17控制水流动情况，并通过排水管27收集排水，同时设置阀门28控制排水水流。
[0051] （2）实验开始前先采集各层土样进行化验分析，确定初始各项理化参数值。
[0052] （3）确定最高和最低控制地下水水位。最高控制地下水水位不高于土柱柱壁侧渗段下端，最低控制地下水水位根据实验要求确定。
[0053] （4）配置一定比例浓度的土壤水肥溶液模拟稻田在土柱耕作层表层施肥，并保持一定水层深度，水层深度根据具体实验要求确定。不同的水层深度代表不同的灌溉方式，会对水肥在多层土壤中的的迁移转化产生影响。
[0054] （5）根据所述埋设在土柱各层的传感器动态监测水肥溶液入渗过程中每层土壤含水率、温度、以及水势情况，并同时利用负压装置按照实验要求的取样频次在各层分别取水样，根据实验要求测量土壤溶液中营养元素含量。结合观测到的土壤含水率，土壤温度以及土壤水势进行分析，探究水肥下渗过程中相应含量的变化及其在土壤中的分布等。进一步研究土壤水分和养分在各层之间迁移转化的过程。
[0055] （6）根据所述在土壤水肥溶液下渗的过程中，会在有机玻璃内柱侧壁的梅花孔洞形成侧渗情况，根据所述有机玻璃外柱底部的排水管收集有机玻璃内外柱环形区域之间的侧渗水，进行称量化验，探究连续侧渗水在水肥溶液渗漏的过程中所占的比重，并且分析连续侧渗过程中水肥变化规律以及各因素的迁移转化。
[0056] （7）根据所述自动控制排水装置监测的各时段的供水量以及排水量分析土壤水肥溶液下渗过程中的地下水水位的变化过程，分析对地下水水位的影响。收集所述有机玻璃内柱下部供水室的水样，进行化验分析，分析排出水中组成成分以及含量，探究土壤中水肥垂直渗漏损失量。通过对于土壤侧渗水和垂直下渗水的独立监测过程，分析土壤水肥渗漏的二维特性，探究多种控制条件下土壤水肥迁移转化规律，为提高水肥利用效率提供理论依据和技术支撑。
[0057] 实施例二
[0058] 基于实施例一的装置和方法步骤，可实现如下实验的实施：
[0059] 如图1-4，所述有机玻璃内外柱、土壤土柱同时设置4个并连接至同一个自动控制供排水装置，其土层情况、埋设仪器情况、采集收集情况均相同。模拟实际田面作物种植情况分别在4个装置的耕作层种植作物。设置两种灌溉方式即F1和F2，设置两种地下水水位控制水平Z1和Z2。试验共设置4个处理水平：F1Z1、F1Z2、F2Z1、F2Z2，根据作物生育期确定灌溉制度。作物种植前采集各层土壤样品，测定其相应的理化参数。
[0060] 所述土柱水层深度不应大于作物最大淹水深度。
[0061] 所述装置的地下水水位根据各自的实验要求确定。其中，最高控制水位不应高于作物排渍水位，可根据农田防渍标准确定；根据实验要求确定最低控制水位。
[0062] 设置相同的施肥水平。定期由所述各层负压取样装置获取土壤水样，进行化验分析；所述埋设在土壤各层的土壤水分传感器和土壤水势传感器实时监测土壤水分、温度及水势的变化过程。在作物的不同生育期内分别采集作物样本，测定其作物体内营养元素的含量。
[0063] 收集所述有机玻璃内外柱环形区域的侧向渗流水并进行称量化验。读取所述自动控制供排水装置相应的供水量和排水量数据。
[0064] 根据实验数据，分析灌溉方式和地下水位控制对水肥运动的作用，研究作物-土壤水-地下水水肥的迁移转化，以提高作物对水肥吸收效率和减少水肥渗漏损失为目标，确定合理的灌溉方式和地下水控制水平组合。
