土壤水势是土壤水受土壤颗粒的吸附力、重力和溶质渗透力作用而产生的势能总和.它是测定土壤水分有效性的重要指标。目前.测定土壤水势的方法有很多,如张力计法、离心机法、滤纸法、热电偶湿度计法等,其中采用露点水势仪测定的热电偶湿度计法因其测量范围广、使用方便越来越引起人们的重视。基于水利部9481合同号:2001271项目.省水利技术试验推广ZX引进l台浙江托普仪器的TLD-3000型的露点水势仪.为确保土壤水势测定值的正确性.进行了土壤水势探头校正系数测定。
1.露点水势仪的测定原理
露点水势仪由浙江托普仪器有限公司研发,主要型号是TLD-3000,它由露点微伏计与其相匹配的系列探头(传感器)组成,用以在实验室或野外快捷、方便地测定土壤或叶片的水势。其中传感器:根据需要选择不同类型的传感器。
露点微伏计是一个内含电子系统的,通过热电偶传感器来专门测量水势的仪器。它包含有在露点温度下自动维持热电偶结点温度的持续感应与控制电路,以露点方式进行工作;但它也可以以湿球方式进行工作。
1、打开电源,在仪器上设定需要的参数。
2、调节液晶屏对比度。
3、设置日期。
4、设置背景光。
5、设置测定参数。
6、准备待测样品,连接样品室或土壤干湿计。
7、进行样品水势测定,记录测定数据。
8、注意事项:在使用样品室时,切勿将样品放得高出或大于样品室小槽,测定完毕后,一定要将样品室顶部的旋钮旋起足够高以后才可将样品室的拉杆拉出,否则将损伤热电耦,长期放置后,重新使用时须将电池充电14~16小时才可将电池充满。
该仪器完整的测量过程可分为4个阶段。将水势探头夹在样品叶片上以后,可以形成一个密闭的半球形小空间,即为测量室,热电偶在测量室的顶部。测量时,仪器先给热电偶施加一段时间的冷却电压,使热电偶的温度降低到露点温度以下,测量室小环境中的水汽在热电偶上结露。冷却电压停止以后,由于热电偶的温度低于测量室小环境中空气的温度,热电偶被环境空气加热,温度不断上升,直至达到露点温度。热电偶的温度达到露点温度以后,热电偶上的水汽开始蒸发,一方面热电偶继续被测量室小环境内的空气加热,另一方面水汽的蒸发带走热量,二者达到平衡,热电偶的温度在露点温度上稳定一段时间。热电偶上水汽接近蒸发完毕,由于可蒸发的水汽减少,蒸发带走的热量不能抵消环境空气对热电偶的加热,热电偶温度继续升高直至与环境达到平衡。仪器在冷却时间结束以后直到测量完成的时间段内,以相同的时间间隔读取50次热电偶的电压(电压越高表示热电偶与测量室小环境的温差越大,即热电偶的温度越低),并将这50个数据中电压值相对稳定的那一段时间内的数据求平均,经过仪器内部参数自动转换,将电压值转换为水势值并输出Z后的测量结果。更换成土壤水势探头后,将探头伸入土壤内部即可测量土壤中的水势。 参数
测量范围 全量程10、30、 100、和300 微伏
精度 全量程的±1% (记录输出) ;全量程的±2% (仪表盘)
零点漂移 小于每24小时0.5 µV ;小于每度(℃)0.1 µV 电池及使用时间 碱性电池:10小时;镍铬电池:每充电一次10小时 可选探头 C-52,C-30,L-51,PCT/PST等 工作温度 0到60°C 重量 含电池3.3 kg
尺寸 23.5cm x 30.5 x 13.3cm 使用方法
托普的TLD-3000可测量植物整片叶或枝条的水势,因此它的使用方法也是比较独特的。
第1. 开机,让机器进行预热,至少1分钟,同时检查电池的容量,如低于16V应充电或更换电池。
第2. 将传感器与样品进行充分平衡,没有充分把握时,尽可能时间长一点。
第3步. 接上已平衡的传感器后,将FUNCTION旋钮调到READ处,再将RANGE 旋钮调到您认为合适的范围,如“100”。
第4. 调节ZERO OFFSET,同时使用粗调和精细调节,使仪表读数为0 ,在设置Лv之前,必须将仪表准确调零。
第5步. 将仪器的电压/温度转换开关打到温度档,测定样品室的温度;测完后,将开关拨回电压档。
第6步. 按下Лv读数按钮,调节Лv SET旋钮到该传感器的此温度下的Лv值,计算方法:A = 0.7 ³ ( T1 - T0 ) +73。A:测量温度T1下的Πv值;( T1- T0 ) :测量是温度T1与标定温度T0的差值;T0为标定温度25℃。 一旦调好则Лv SET 旋钮在本次测量过程中不能再动。
第7步. 旋转FUNCTION旋钮到COOL档,保持一个长一点的时间(植物Z少1分钟,土壤需要3分钟以上),以保证水汽在探头上充分凝结。具体时间要根据样品特性决定,没有把握时时间可长一点。
第8步. 旋转FUNCTION旋钮到DEW POINT(DP)档,此时指针在下降的过程中有一个相对稳定的过程,此处的读数即为本样品的微伏电压值(X)。 第9步. 将X除以 -7.5 (μvbar-1) 求得水势值。
具体测量过程:对探头内部的热电偶施加微电流.通过Pehier(帕尔贴1冷却效应.将接点冷却到露点温度以下.使热电偶上凝结水珠:然后停止施加冷却电图1露点水势仪构造流.这时热电偶被环境温度加热.当达到湿球温度降时.水从接点蒸发将接点的温度保持恒定:当热电偶上的水珠蒸发后.热电偶的温度继续上升.直到与外界温度平衡。仪器测量热电偶在平台期的输出电压,转换成水势值。
具体测量过程:对探头内部的热电偶施加微电流.通过Pehier(帕尔贴1冷却效应.将接点冷却到露点温度以下.使热电偶上凝结水珠:然后停止施加冷却电图1露点水势仪构造流.这时热电偶被环境温度加热.当达到湿球温度降时.水从接点蒸发将接点的温度保持恒定:当热电偶上的水珠蒸发后.热电偶的温度继续上升.直到与外界温度平衡。仪器测量热电偶在平台期的输出电压,转换成水势值。
2.试验方法
2.1配制标准溶液并计算标准水势可利用公式Il,一RTiC计算不同浓度下标准溶液的水势。式中ll,为水势(MPa);R为气体常数.R--0.008314MPa²l/(mol²K):T为温度(T=273+t℃):i为解离系数;C为溶液的摩尔浓度(m01]1)。
配制室温(27℃)下不同浓度梯度的Nael标准溶液.溶液浓度分别为0.25mol/1、0.5mol/l、0.75mol,l、lmol/l、1.25mol/!、1.5mol/l、1.75mol,l。经计算,以上氯化钠溶液对应标准水势值分别为一1.15MPa、一2.31MPa、一3.46MPa、-4.62MPa、一5.77MPa、-6.93MPa、一8.08MPa。
2.2露点水势仪土壤水势探头的标定
用13个土壤探头对配制的7种不同浓度的NaCI溶液进行水势测定.为达到溶液浓度平衡.测定间隔为lh.测定温度为27℃。经计算。13个土壤探头测定的NaCI溶液水势值校正系数平均值为1.043。
探头1实测水势和标准水势分析图
3.结果与分析
由测定试验可知.当水势值在0—.4MPa之间(即NaCI溶液浓度在0~1mol/!)时.测定的水势值与标准溶液水势值揍近.随着NaCI溶液水势值的增加测Z值增加。我们取1号探头数据作图.如图2.发现数据点大致分布在45度对角线上.回归直线的斜率为1.031.非常接近于1.即回归直线非常接近45℃斜线.
可以直观的看出测量值与标准溶液浓度成正比关系.
当水势值较低时.探头测量值出现问题。所以实地测量时应注意仪器的测量范围及实际的土水势的大小.一般作物的凋萎土水势为一1.5Mpa,作为农田灌溉研究.O~5MPa的测量范围足够。
依据测试和计算结果.取所有探头校正系数绘图.如图2.可见校正系数值在l的水平线上下轻微波动.但也有例外情况.如12号探头偏差就较大。在后续引进的批量探头中还发现了大量的这类问题.这就要求我们在使用仪器之前Z好能对其测量探头进行标定。
图2 校正系数图
露点水势仪适于田问和实验室动态测定土壤水势的变化.测定的水势是土壤的总水势.在非饱和土壤中.它包括基质势和溶质势.故在测量前Z好先了解被测土壤的盐分情况或者大概的水势范围、仪器的测量范围等.在含盐量、含水量高的土壤中测定的水势准确度可能较差。
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