PWRlab自制电子张力计的性能分析
土壤水势是土壤水所具有的势能，因决定了土壤中水分可被植物吸收利用的难易程度，而成为植物水分关系研究中极为重要的参数。同时，测定土壤水势也是农林业水肥管理、水量平衡、田间原位测定土壤水分特征曲线、土壤水分和溶质的运移与模拟、植物根系吸水特性等研究中的重要环节。因此，如何快速、准确地获取土壤水势是国内外农林科学、水文学、植物学、土壤物理学等领域研究人员共同关注的焦点。 目前，国内外已有不少可用于土壤水势测定的仪器设备，但在综合考虑测定范围（如是否可准确测定田间持水量或近土壤饱和状态时的土壤水势）、价格、精度和易操作性的情况下，张力计仍是目前的最佳选择。但目前市面上可购置的张力计大多为机械式张力计，需要人工计数，测定的时间分辨率很低，难以满足较深入的植被水分关系研究。为突破该研究瓶颈，PWRlab和北京时域通科技有限公司安排人员组成研究小组，由时域通公司提供材料、设备和制作场地，技术小组历时半年，成功研制出可满足植物水分关系研究的高精度电子张力计，并进行严格测试。现将该套设备的特点和性能与广大科研工作者分享和交流，以期进一步优化和改进土壤水势测定设备，推动国内相关领域基础研究和应用研究工作的开展。 一、传统机械式张力计和电子张力计的优缺点分析 传统机械式张力计由陶瓷头、延长管、三通接表管件、真空压力表和注水口组成，核心部件为多孔陶瓷头和真空压力表，多孔陶瓷头与土壤充分紧密接触，土壤的吸力通过毛细管将陶瓷管内的水分从微孔内吸出，从而使张力计管内产生负压，由真空压力表指示土壤的吸力，由于陶瓷头材料和制造工艺限制，一般情况下只能测量-100～0 kPa范围内的土壤吸力（土壤水势）。 机械式张力计的另一个关键部件是真空压力表，它用于指示土壤的吸力，其结构和原理是通过表内的敏感元件（波登管、波纹管、膜盒）的弹性形变，再由表机机芯的传动机构将压力形变传导至指针，引起指针的转动来显示压力。机械式真空压力表应用在张力计上，显示读数直观，安装使用和维护简单，成本低廉，大量应用于农林业生产实践和科学研究，特别是早期的土壤科学中一直做为标准的土壤张力测定工具。但由于其存在一定的使用缺陷，随着电子技术的发展，使用压力传感器取代机械真空压力表已经成为趋势，并通过电子电路将信号调理输出，从而实现自动化记录，提高了测量精度，降低了人为读数误差。 研发小组通过对电子张力计和机械式张力计的对比测试，包括对多个厂家型号机械表的对比（图1），发现了机械表存在以下几个问题： 图1 不同型号机械表的性能对比 电子压力传感器由螺丝接口、壳体、硅压力敏感元件、压力信号调理电路、模数转换电路、单片机和通信接口电路等组成，配合嵌入式测量程序、温度补偿程序，使得测量更加精确。相对机械真空压力表，电子传感器有以下优点： 1. 全量程线性度高； 2. 测量分辨率高； 3. 长期误差可以通过程序校准修正； 4. 可靠性高，可耐受满量程1.5倍的冲击压力，快速泄压不会损坏； 5. 基于微处理器的数字化电子压力传感器性能更加优异，可方便组成测量网络； 6. 实现自动化的测量和存贮，减少人为误差。 ? 二、自制电子张力计的性能分析 （1）土壤水势测定值对外界水分补给响应的敏感程度 在大田内布设两套位置相邻的自制电子张力计（图2），然后对表土层约15 cm深处的土壤水势进行约1个星期的连续测定。为测试电子张力计的敏感性，试验期间设计1次人工灌溉和1次张力计内补水，另外期间还出现一次降雨事件。因此，试验期间的数据可以帮助了解自制电子张力计对人工灌溉、天然降雨的敏感程度，并可帮助摸清在对张力计进行补水后，压力恢复稳定状态所需的时间。 图2 田间测试自制电子张力计的敏感性 由图3可以看出，试验期间，两个电子张力计的土壤水势测定值基本一致；由于两个张力计的布设位置相邻（图2），其所处位置的土壤水势会非常接近，所以该结果表明自制电子张力计产品间的一致性非常好。 灌溉后，两个电子张力计的测定数值从约-50 kPa快速升高至约-5 kPa；降雨后，其土壤水势测定值从约-82 kPa快速升高至约-6 kPa（图3）。由此说明，自制电子张力计的敏感性非常高，可以快速、准确地指示灌溉、降雨等土壤水分补给事件的发生。此外，当张力计中的水分消耗较多而对其进行水分补充后，其测定值在极短的时间内就恢复至补水前的状态（图3）。可见，利用自制的电子张力计进行土壤水势测定时，在对张力计进行人工补水后，其水势测定值会快速恢复至稳定状态，并不会造成测定结果的偏差。 由于数据采集频率很高（5 min一次），所以，自制电子张力计的测定值可以非常好地反映出表土层水分状态的日动态变化：白天迅速降低，晚上保持不变、轻微升高或缓慢下降（图3）。 （2）电子张力计读数和机械表读数的对比 针对同一土壤水势值，为展示传统机械表读数和自制电子传感器读数的差别，在田间布设两个张力计，并同时接上电子传感器和机械式读表（图4），然后连续8个小时进行数据自动采集（2 min一次）和人工读取机械表数值，期间于下午16:00左右进行一次灌溉。 图4 田间测试自制电子传感器与机械表的读数差异 由图5可以看出，在约8个小时的测定期内，自制电子传感器的读数与机械表的读数之间的差异极小。因此，采用自制的电子张力计可以达到与传统机械式张力计相同的测定效果，不会产生任何偏差。 （3）利用自制电子张力计测定林地根系吸水活动和土壤水分动态 在旱季进行滴灌的毛白杨人工林中（株行距2 m×3 m），选择一株平均标准木，在距离树木50和150 cm远的地方，于25、50、75和100 cm深处各布设一个自制的电子张力计，对树木主要根区的土壤水势进行连续动态监测。从图6可以看出，电子张力计可以非常敏感地监测到根区不同位置处的土壤水势变化及其对降雨的响应。而且，从图6中还可明显看到，在降雨后，25 cm深处的土壤水势迅速升高，而50、75和100 cm深处的土壤水势升高的延迟时间依次增长。 图6 毛白杨人工林根区不同位置土壤水势动态 根区不同位置处土壤水势动态的差异，反映出不同位置根系吸水活力的变化。从图6可以看出，在滴灌毛白杨林分中，雨季1 m土层内的根系吸水活动很弱，只有距树150 cm远、25 cm深处的根系活动较剧烈，且电子张力计的数据显示该位点处很有可能在夜间发生了水力提升现象（图7）。 图7 连续3天内距树150 cm远、25 cm深处的土壤水势动态 试验林中，在典型晴天内，0-1 m土层中各位置处的土壤水势均没有明显变化规律，只有距树150 cm远、25 cm深处的土壤水势与林木蒸腾间存在协同变化：在上午9:00点左右林木蒸腾快速升高时，该位置处水势也随之下降，且在13:00-17:00之间其下降速度明显增快；之后随着林木蒸腾的下降，该位置处的土壤水势也逐渐得到恢复。因此，利用自制的张力计可以非常敏感地捕捉到林木耗水与根区不同位置处根系吸水的关系，从而帮助理解林分的水分关系。 综上，PWRlab与北京时域通科技有限公司联合研发的电子张力计的灵敏度与精度均非常高，可以很好地用于1）土壤水分的长期动态监测，2）基于土壤水势的灌溉管理，3）智能灌溉系统的研发，4）根系水养吸收，5）林地水量平衡，6）根区平均水势估算等植被水分关系及农林水分调控领域的多项基础研究和应用实践。 ? 三、团队合作背景 早期试验采用国外仪器设备，存在发货周期长、售后周期长、价格昂贵、不利于大范围开展试验等缺点。为摆脱现有仪器设备在价格、功能、性能以及使用上的限制，北京林业大学PWRlab团队和北京时域通科技公司建立长期研发合作关系，搭建由国内外专职科研人员、工程师和研究生共同组成的科研设备研发团队。主要针对植被水分关系等领域大田研究中的仪器设备进行优化和个性化研发，以期为植被水分关系、生态水文、森林培育、森林生态、农水管理等领域的广大科研工作者提供经济且可靠的技术手段，从而推动国内相关研究的发展。目前，已有多种相关产品投入到众多科研项目应用中，详情见官网：http://www.sinton-tech.com/page251.html?product_id=66 ? 本期编辑：席本野副教授 Plantation Water Relation Lab: 针对人工林开展SPAC水分传输过程与机制、高效利用与调控研究，推送国内外最新研究进展，涉及土壤水分运移过程与模拟、根系系统结构与功能、木质部水分高效传输机制、冠层水分散失特征等。 欢迎投稿，投稿请发送稿件至邮箱benyexi@bjfu.edu.cn
