[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101162221A [43]公开日2008年4月16日
[21]申请号200710019064.6[22]申请日2007.11.13
[21]申请号200710019064.6
[71]申请人中国科学院水利部水土保持研究所
地址712100陕西省西安市杨凌示范区邰城路3
号
[72]发明人樊军 齐丽彬 邵明安 王全九 [74]专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司代理人李郑建
[51]Int.CI.G01N 33/00 (2006.01)G01N 5/04 (2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 9 页 附图 3 页
[54]发明名称
[57]摘要
本发明公开了一种植物根系吸收土壤水分过程
物，在土柱中间安放土壤水分测量管，并将土柱放
置于田间土坑中；植物根系密度垂直分布可以通过
定期卸开土柱分层取土洗根、扫描根而获得，实际
植物蒸腾量定时称重获得，土柱每天至少要称量1
次，根据相关理论原理和实际精确测定的实验资料，
综合蒸腾速率、根系密度分布、土壤水势、土壤水
分含量、土壤非饱和导水率等各敏感因子，根据质
量守恒，确定蒸腾量在根系层土壤剖面上按一定的
率反求方法，数值迭代求得根系吸水速率剖面分布，
来确定经验函数的参数，从而达到根系吸水过程的
测定。
200710019064.6权 利 要 求 书第1/1页 1.一种植物根系吸收土壤水分过程的测定方法，其特征在于，该方法采用可拆卸的土柱，土柱内种植有植物，在土柱中间安放土壤水分测量管，并将土柱放置于田间土坑中；植物根系吸收土壤水分过程的测定包括下列步骤：
根据植物生长阶段，定时对土柱称量，获得植物蒸腾速率； 定期拆开土柱，分层取土壤，以获取植物根系密度分布、根表面积分布以及根系分级参数；以及获取土壤水势、土壤水分含量、土壤非饱和导水率各敏感因子；
对上述得到的植物蒸腾速率、植物根系密度分布、土壤水势、土壤水分含量、土壤非饱和导水率各敏感因子，根据质量守恒，确定蒸腾量在根系层土壤剖面上按一定的权重因子分配下的植物根系吸水函数，采用植物根系吸水速率反求方法，数值迭代求得植物根系吸水速率剖面分布，来确定经验函数的参数，从而达到植物根系吸水过程的测定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可拆卸的土柱包括PVC 圆管，圆管的长度为1m～4m，内径295mm；制作方法如下：
沿PVC圆管的轴向对半剖开为两半，剖开后的圆管用圆形钢卡固定好，然后再用玻璃胶粘好缝隙至不透水，圆管的底采用漏眼的铁盘扣紧，在铁盘和圆形钢卡上均有固定钢丝绳的物件，以利于将土柱从土坑吊出进行称重。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述土柱内进行种植植物以前，按照田间持水量给土柱灌水，使土柱内的水分达到再分布平衡状态。然后在水分测量管周围均匀种植植物，待出苗后，在土壤表面覆盖一层3cm 厚的蛭石，以抑制土壤的水分蒸发。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的定时对土柱称量至少每天称量1次。
200710019064.6说 明 书第1/9页一种植物根系吸收土壤水分过程的测定方法
技术领域
本发明属于土壤学研究领域，涉及一种测量方法及其装置，特别涉及一种植物根系吸收土壤水分过程的测定方法。
背景技术
了解根系吸收土壤水分的状况和动态，对于进行土壤水分的模拟和预测，从而科学合理的利用水资源，制定合理的灌溉制度，提高植物的水分利用效率和保证作物的稳产和高产，具有很强的实际意义。
研究植物根系一维吸水过程可以通过含水率剖面反求根系吸水速率方法，也可以通过建立根系吸水函数的方法。左强等(2001)【1】提出了一种新的通过数值求解迭代方式，反求根系吸水速率方法，并在实际中得以检验；可靠的根系吸水函数能够较准确地模拟出土壤含水率分布。
垂直一维土壤水分运移的定解问题可表示(坐标轴向下为正)【2】：
h(z，o)＝h0(z)，0≤z≤l r (1)
h(l r，t)＝h1(t)，t＞0
式中，h为土壤水基质势；C(h)为容水度；K(h)为非饱和导水率；z，t分别为空间、时间坐标；h0(z)，h1(t)分别为已知函数(或离散点)；E(t)、Q(t)分别为蒸发强度、降雨(或灌水)入渗强度；L r为模拟区域垂直总深度；S(z，t)为根系吸水速率。
对于S(z，t)根系吸水函数的建立，应考虑影响根系吸水的一系列因素，如土壤水势，土壤导水率，溶质势(盐分条件下)，大气蒸发力，根深，
根系密度分布以及植物特性等。定量研究根系吸水过程，建立根系吸水函数，有两种方法：微观法和宏观法。微观法研究单根吸水过程，需要一些较难测定的土壤和植物方面参数，特别是根表面的参数【3-7】。宏观法研究根系吸水，忽略水分向单根的流动，将整个土-根系统看作一个连续体，在土壤水分运动中引入一个以一定模式分布的根系吸水速率项(源汇项)加以体现。水动力学研究根系吸水，基于植物根系吸水的因果关系，根据根系分布密度和土壤水分消耗状况，综合蒸腾速率、根系密度分布、土壤水势、土壤水分含量、土壤非饱和导水率等各敏感因子，根据质量守恒，确定蒸腾量在根系层土壤剖面上按一定的权重因子分配下的根系吸水函数，来确定经验函数的参数【4，5，8-11】。
采用宏观法建立的根系吸水经验函数，一般主要考虑土壤水势和根密度对根系吸水影响，大多根系吸水经验函数都是基于Feddes et al.(1978)【11】模型发展改进过来的，虽然这种经验函数避免了微观法吸水函数里难以测定的参数，但它对于不同植物和不同大气条件则需要校准，因此需要较为精确的实验资料(如土壤水分剖面变化，根系密度分布变化和植物蒸腾量变化)对其进行评价和改进。
本发明对于研究根系吸水过程的理论原理为【11，12】：
S(z，t)＝β(θz)L nrd(z)/L r T p (2)
式中T p为潜在蒸腾速率；β(θz)为深度为z的根系吸水速率水分胁迫权重因子；L nrd(z)为深度为z的根系密度函数。
国外学者以Homaee M et al.(2002)【6，7】为代表通过土柱试验，称重测量植物蒸腾速率和用T D R测量水分剖面变化，用于对温室条件下根系吸水函数中不同水分胁迫权重函数进行了检验，但未能考虑到对根系密度参数的准确获取，其根系吸水过程的研究有不完善之处。
田间试验研究根系吸水过程，以国内的姚建文，康绍忠，邵爱军模型【13-15】
为代表，通过根系吸水动态模拟的方法建立根系吸水经验模型，考虑到根系吸水项的一维非饱和土壤水分运动方程，将根系吸水项通过田间实测含水率分布通过数值模拟，从而建立根系吸水经验模型。这种模型形式简单，应用方便，不需要考虑根系密度、根水势等较难获取参数，但因是在特定的田间试验条件下得到的，不具有普遍适用性。左强(2004)【16】田间试验研究根系吸水过程，考虑了根系密度，但在田间则无法准确测定植物蒸腾量，从而使根系吸水速率具有较大的不确定性。左强(2004)【16】采用了土柱试验，采用张力计测定土壤水势，能较好反映根系吸水过程，但因张力计的测定范围受限而影响到植物干旱条件下实际土壤水势的准确测定，从而影响了土壤较干条件下的根系吸水过程的研究，并且在称重时需要拆卸张力计的连接导管，程序较为复杂。罗毅(2000)【17】利用大型蒸渗仪确定植物蒸腾量，中子水份仪观测土壤水分和测定的根系密度分布资料，结合前人的根系吸水模型进行了评价和改进，结果较为理想，但还未能达到对于这些变量同时同地的准确测量。
综上所述，已有研究植物根系吸水过程的装置和方法，在植物的各个生育阶段很难同时定量准确测定土壤水分剖面变化，根系密度分布变化以及植物蒸腾量的变化，从而准确反求和模拟根系吸水过程。本发明方法可以重复利用所建立的测定装置，进行植物根系吸水的测量。
参考文献：
【1】左强，王数，陈研.反求根系吸水速率方法的探讨.农业工程学报，2001，17(4)：17-21。
【2】雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学.北京：清华大学出版社，1988。
【3】Feddes R A and Raats P A C.Parameterizing the soil-water-plant root system。
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