【案例】同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据的应用
0 315 楼主 发表于 2018-09-26 15:44:08
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1. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+冻土=土壤冻融过程监测


 

草坪土壤水分曲线图|来源E生态

土壤冻融监测;


这个图是利用土壤水分曲线监测土壤冻融过程,是北京通州高尔夫球场⼊冬和入春的土壤⽔分变化规律应用。主要是为了防止草坪在冬季被冻坏,需及时浇冬灌水(入冬冰冻前最后一次灌水)。


 土壤水分监测仪的监测原理属于介电法的⼀种。⼟壤⽔分的液态、冰⽔化合物状态、固态的介电常数是有很大差异的。当水冻结并变成冰时,其介电性能改变并且冰的介电常数明显低于水的介电常数。


因此,当土壤冻结时,传感器的输出将发生变化,由此产生的表观土壤含水量将会低得多。通过这一特性,就可以准确识别不同的⽔分状态在土壤中的变化规律。


所以从图中可看到不同深度土层开始进入冻土的时间、冰冻持续时间以及每层化冻时间。


从2015年12月1日到12月16日,10cm开始进入冰冻状态;12月18到1月9日,10cm-40cm土层全部进入冰冻状态;冰冻持续30天,2月10号左右开始化冻。


2. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+作物=作物的吸水规律 


黄壤土下夏季玉米的多深度土壤水分含量图|来源E生态


典型作物的吸水规律;


这是一个典型作物的土壤水分曲线。图中横坐标是监测时间,从2015年8月8日至2015年8月14日,纵坐标为土壤含水量体积百分比。


从8月9日晚上六点到8月10日早上八点,土壤水分几乎不变;同理后续时间,该作物的土壤水分一直呈现出阶梯状,白天土壤水分下降,晚上土壤水分不变,这是为什么呢?

 

这是因为白天作物光合作用,蒸发蒸腾同时进行,所以土壤水分下降;夜间作物呼吸作用,蒸发蒸腾停止,所以土壤水分几乎不变;


这个规律说明作物所处土层有根系在吸水,这样我们就可以从图中清晰地看到该作物的吸水规律,并且可以计算出每天的吸水变化量。


3.同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+作物+根系生长+土壤=根系吸水深度识别、缺水胁迫识别、灌溉周期识别


2015.5-2015.7 通辽苜蓿草的多深度土壤水分含量图


活动根系位置及变化发展 ;

5月24日以前,只有10cm、20cm位置的水分呈现阶梯性下降,该特性有两种原因,一种是由于地表土壤的蒸发作用,受气温影响,日间蒸发量大于夜间;一种是由于作物根系的吸水作用。


此处监测点苜蓿为种植后第二年,故可分析出是由于根系吸水导致,由此判断此时根系已达20cm深;5月24日以后,30cm水分开始阶梯下降,说明此时吸水根系到达30cm深;5月29日以后,40cm水分开始阶梯下降,说明此时吸水根系到达40cm深。

 

缺水胁迫分析;

图中可看出,5.13到6.9期间共27天未灌溉。从根系吸水规律来看,从6月4号开始,作物根系几乎无法从土壤中吸水,所有土层根系均进入缺水胁迫状态。

  

灌水规律分析;

科学合理的灌溉周期并不是一成不变的时间间隔,而是随着作物生长期需水量的不同及环境变化的动态间隔。

6月3日的降雨造成错误判断,该点缺水胁迫发生后直到6月9号,延迟了一周才开始灌溉,导致作物生长受影响;而灌溉完土壤中水分含量还比较充足的时候,6.18又进行一次灌溉,直接导致水资源浪费。


4. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+根系生长=典型作物扎根监测


 

玉米多深度土壤水分数据|来源E生态


玉米生育期内扎根监测;

 

因环境及土质的差异,玉米在种植过程中有不同的需求。比如为了防止玉米在雨季倒伏,需要在合适的生育期内控制水分,使玉米根系往深层土壤生长(扎根)。


根系扎的越深,对抗倒伏效果就越好,但问题的难点在于控水过程中不能影响玉米的健康成长。


多深度土壤水分数据可以动态观察玉米吸水根系的胁迫时间与扎根效果,当某一层水分开始出现「阶梯状」(白天吸水晚上不吸水)时,说明吸水根系已生长至此深度。


5. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+降雨=有效降雨量的计算



内蒙赤峰阿旗某次降雨后地下十层土壤水分和变化曲线|来源E生态


有效降雨量的计算;

有效降雨量是渗入土壤并储存在作物主要根系吸水层中的降雨量。其数量为降雨量扣除地面径流量和深层渗漏量,和根系吸水层的深度、土壤持水能力、雨前土壤储水量、降雨强度和降雨量等因素有关,要通过根系吸水层的水量平衡计算确定


上图是赤峰地区8.8日的一次较大降雨,根据现场气象站监测的降雨量为55mm。


如图所示,动态监测地表到地下100厘米深度土层的连续土壤含水量数据。当降雨发生完毕后土壤中的含水量减去降雨前土壤中的含水量就是有效降雨量。


监测到的地下十层土壤水分增加值即有效降雨量分别为156-124=32mm,占降雨量的比值分别为58%。


6. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+作物+吸水根系=作物缺水胁迫识别、作物水涝胁迫识别


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典型作物的多深度土壤水分图|来源E生态


作物缺水胁迫识别;


作物缺水胁迫是指植物水分散失超过水分吸收,使植物组织含水量下降,膨压降低,正常代谢失调的现象。


通过动态监测土壤含水量的连续变化情况,可以直观看到:20cm深度在5.31号已无法从土壤中吸取水分,出现了水分胁迫现象;紧接着,30cm深度在6.1出现水分胁迫,40cm深度在6.4出现水分胁迫;从而识别出根系耗水量的连续变化状态及趋势,做出胁迫判断及预测。



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典型作物的多深度土壤水分图|来源E生态


作物水涝胁迫;


作物水涝胁迫指长时间过量的水分存在土壤中,导致土壤中空气含量较低,抑制了根系呼吸等生命活动的胁迫状态。


根据连续的多深度土壤水分数据,能自动识别土壤中水分过量、空气缺少导致的作物水涝胁迫的状态。当土壤含水量充分且植物生命活动正常时,它可以识别到根系耗水;反之,如未识别到根系耗水,则为作物水涝胁迫。


图中,6.9、6.11、6.14由于大雨入渗的水分激增,作物无法进行正常的植物蒸发蒸腾作用,未识别到根系耗水,因此导致水涝胁迫。


7. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+作物蒸发蒸腾量=动态日耗水量et值计算


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典型作物的多深度土壤水分图|来源E生态


动态日耗水量et值计算;


作物日耗水量也称日耗水强度,指作物的活跃根系每天从土壤中吸收的水分,单位为mm/d。它被用来自动计算农作物根系所在土层的实际耗水量。


用户可自行指定时间点及土层数量,智墒自动汇总该点的土壤含水量之和。用户选定根系以上的所有土层,指定早、晚的两个时间点分别记录,进行差值计算,即为该日的植物日耗水量(降雨、灌溉除外)。在没有降雨、灌溉的条件下,土壤水分的减少主要由植物蒸发蒸导致,根系以上的土壤水分变化量等于植物的日耗水量。


通过多深度土壤水分数据,系统智能选取一天内的两个时间节点,计算出时间段内根系所在土层含水量的减少量。图中早9点到下午6点,地表至地下一米的总含水量由284mm下降到277.5,当日耗水量et=6.5mm。


8. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+土壤储水=土壤的有效储水量计算、土壤蓄水潜力计算



土壤含水量变化图(YH图)|来源E生态

自动计算土壤有效储水量;


一般把田间持水量与凋萎系数之差作为土壤有效储水量。实际中,为了保持作物正常生长,一般把土壤含水量控制在田间持水量的60%-90%之间作为喷微灌系统设计和运行的指标。


智墒在监测的同时可以自动汇总根系往上所有土层的含水量之和,并跟监测到的历史最低含水量做差值,直接展示当前时间的土壤有效储水量,单位为mm。


图中绿色部分由根系深度、历史最低土壤含水量、当前土壤含水量形成的区域即为当前土壤的有效储水量。


自动计算土壤蓄水潜力;


土壤蓄水潜力是指历史最高土壤含水量和当前含水量的差值.


智墒自动汇总系往上所有土层的含水量之和,并跟监测到的历史最高含水量(不一定是田间持水量或饱和含水量)做差值,直接展示当前土壤的需水潜力。


图蓝色部分是由历史最高含水量、根系深度、当前土壤含水量形成的区域即为当前土壤的蓄水潜力。


9. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+作物耗水=作物净灌溉用水量监测

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典型作物的多深度土壤水分图|来源E生态


作物净灌溉用水量监测;


作物净灌溉用水量是指农作物实际消耗的水量。在作物吸水根系范围以内,灌溉后的土壤水分含量减去下一次灌溉前的土壤水分含量为当前被作物消耗的净灌溉用水量。


在上图多深度土壤水分图中,可以获得每一次灌溉前后的水分数据,从而得到作物的净灌溉用水量。


作物净灌溉用水量是计算净灌溉定额的基础,计算净灌溉定额是依据农作物需水量、有效降雨量、地下水利用量确定的,是满足作物对补充土壤水分要求的科学依据,显然它注重的是灌溉的科学性。毛灌溉定额是以净灌溉定额为基础,考虑输水损失和田间灌水损失后,折算到渠首的亩均灌溉需水量,显然它还考虑了灌溉用水在输送、分配过程中发生损失的规律。


10. 同一位置、多深度、连续、稳定的土壤水分数据+作物根系=作物ET根系总深度及分层比例识别


 6月18日赤峰某块地苜蓿ET根系深度及分层耗水比例图|来源E生态

  
ET根系深度

分层耗水量

分层耗水比例

地表至该层 累计耗水比例

10 cm

1.57 mm

39.2%

39.2%

20 cm

1.16 mm

28.9%

68.1%

30 cm

0.71 mm

17.7%

85.8%

40 cm

0.57 mm

14.2%

100%

表. 6月18日ET根系分层耗水及比例统计表 


植物ET根系总深度及分层比例识别;


ET根深度反映了植物实际根系在消耗哪个深度土层的水分,也就说明了植物根系生长到了哪个深度。


如图2所示,通过智墒6月18日监测数据,发现赤峰地区某地块苜蓿ET根在消耗地表到地下40厘米深处的土壤水分。


随着作物的生长,作物根系的深度和比例也在发生变化,智墒可以捕捉到最活跃根系的深度以及吸水根系在土壤中的分布,用于指导灌溉。


ET根分布比例反映了植物实际消耗各土层水分占比的多少,即每一层的耗水强度。


从图及根据图得到的ET根系分层耗水及比例统计表,可以看出:6月18日被ET根消耗的水分中,地表到20cm ET根消耗了68%的水分,地表到30cmET根消耗了86%的水分。


ET根系深度是不断变化的,同样,各层的分层比例也是随着时间持续变化的,但受各种气象条件、灌溉、农艺措施等的影响,该变化并无规律可循。


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本贴最后由 官方小马甲 于 2018-10-11 11:44:40 编辑
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