測量根系對土壤機械壓力的試驗裝置設計

胡林,王 飛,2,李曉明,穆興民,2,宋自影

(1.西北農林科技大學 資源環境學院,陜西楊陵 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西楊陵712100)

植物根系生長發育時會遇到土壤的阻礙,根系會通過自身的穿插伸展不斷的克服土壤的阻礙,根系在土壤中的生長過程可以理解為一種穿插過程。植物根系在土壤中穿插生長,有縱向生長和橫向生長,生長過程中,根系不斷穿透土層,吸收養分、水分,參與體內物質的合成與轉化,與土壤團粒、水分等形成活性有機體,與土壤團粒、水分、微生物、礦質營養元素的相互吸引產生吸附力,固定植株。在這種穿插過程中,根系主要依靠根毛區的膨脹細胞來不斷的推動其生長發育[1-3]。在根系生長時,根尖向四周的土體產生的軸向作用力在根尖后面便呈圓柱體擴大,這種產生于根系表面的使土壤會產生形變的力是一種壓力,這種壓力就是根系對土壤機械壓力。

當根系穿過土壤并在一定深度分布時,根系與土壤及其有機物質緊密地結合形成了一個特殊的復合材料,即土壤-根系復合體[4-6]。根系對土壤機械壓力是綜合反應土壤-根系復合體相互作用的力學指標,對于農業土壤,由于其三相特性和作物生長環境的變化,給土壤-根系復合體力學特性的精確定量描述帶來極大困難[1,5-6]。根系產生的應力-應變呈非線性的關系。郭維俊等以小麥為研究對象,通過理論分析認為土壤中任一點所受到的垂直應力的數值與土壤容重、土壤深度成正比[8-9]。無論在自然狀態,還是在外力作用下,土壤-根系復合體的本構關系不僅具有生命特征,還具有鮮明的不連續、不穩定、多相、非均勻、各向異性等特點[7-9]。

目前根系對土壤機械壓力的研究較為薄弱,研究方法和手段較為欠缺,研究結論多為通過間接方法或理論分析得到土壤中任一點受到的壓力大小和分布,而對于直接測量根系對土壤的機械壓力的試驗結果還未見報導。由于對根系的研究手段的限制和土壤環境的復雜性,加之土壤對植物根系的限制,測量根系對土壤的機械壓力最理想的辦法是記錄與根伸長區的表皮和根冠的表層有接觸的土壤的每一點的壓力,而目前還沒有方法可以做到這一點[1],因此,我們采用的方法是通過適當靈敏度的探測器去測量土壤在受到根系作用發生形變時產生的綜合壓力。在本研究中,通過多次嘗試和試驗,研制出了一種可利用氣體和液體介質進行直接測量根系對土壤機械壓力的試驗裝置。利用氣體介質測量裝置進行了模擬根系的穿插試驗取得了較好的試驗結果;利用液體測壓試驗裝置進行了模擬根系穿插試驗和植物生長期根系壓力測定的初步試驗,結果表明裝置滿足壓力測量試驗設計的需要,具有較好的適用性和精度。

1 試驗裝置

1.1 技術難點

壓力測量裝置設計的基本思路為：在土壤中埋設與土壤結合緊密且受到微小壓力會產生形變的探測器,同時,確定可與探測器相連接并可用于顯示壓力大小的測壓裝置。本試驗裝置應考慮的技術難點和應該滿足的基本條件主要有以下兩個方面：

(1)可埋設在土壤中并在植物生長期內可以探測到土壤因受到根系機械壓力而產生微小形變的探測器。

(2)對根系在土壤生長過程中產生的機械壓力大小的范圍進行初步確定,以便選擇適用的壓力測量裝置。

1.2 裝置介紹

試驗裝置由試驗裝土管和壓力測量系統兩部分組成。試驗裝土管(見圖1)利用聚乙烯管材制作而成,裝土管直徑16 cm,底端封閉,預留 3個8 mm小孔用于植物生長的排水和通氣需要。形變探測裝置選用醫用雙連球的氣囊,該氣囊為天然橡膠制作而成,其拉伸強度≥14 MPa、扯斷伸長率≥280%,氣囊經阻漏處理后對內充滿氣體或液體呈球形,氣囊大小根據試驗需要可變化,氣囊上部導管用于壓力測量。土管高度和探測裝置安裝個數可根據試驗所需測定土層情況確定。

圖1 試驗裝置示意圖(裝土管部分)

試驗裝置的工作原理為：植物根系在裝土管內的裝填土壤中生長時,對土壤進行穿插,致使土壤產生擾動而發生形變并擠壓氣囊,氣囊內測壓介質受擠壓后,在壓力測量系統中可以反映出土壤中探測氣囊所在土層受到的根系機械壓力大小變化。壓力測量系統根據形變探測裝置內的探測介質分為氣體介質壓力測量系統和液體介質壓力測量系統。

1.2.1 氣體介質壓力測量系統裝置 氣體介質壓力測量系統由雙連球的氣囊與壓力表通過導氣管連接組成(如圖2)。在孔徑2 cm的側壁孔上安裝導管彎頭(如圖1),導氣管穿過圖示導管彎頭與測量系統連通。側壁孔上的導管彎頭固定并保證氣囊導氣管自由抽動且不受擠壓。氣體介質壓力測量系統采用的膜盒壓力表最小刻度為0.5 kPa,最大量程為30 kPa。

圖2 氣體介質試驗裝置示意圖

1.2.2 液體介質壓力測量系統裝置 液體介質壓力測量系統由雙連球的氣囊的導管與測壓管通過乳膠管連接組成(如圖3)。液體介質壓力測量系統利用測壓管進行壓力測量,為了防止液體在測壓管中出現毛細現象影響測量準確度,測壓管選用直徑為 10 mm的玻璃管根據等壓面原理制作而成[10],通過測壓管內的液面高度變化顯示根系對土壤的機械壓力變化。測壓管測壓時根據液體的種類和待測壓力大小的需要設置測壓管長度,其測壓的最小刻度為1 mm液體柱。以純水為例,1 mm水柱高折算成壓力為0.1 k Pa,其精度較氣體介質壓力測量系統高。

1.3 操作步驟

結合設計的2種壓力測量系統,本試驗裝置的操作步驟亦有所差異,具體操作步驟分述如下：

1.3.1 氣體介質測量系統裝置操作步驟 (1)裝土管制備。利用直徑為16 cm的聚乙烯管材按圖1所示進行安裝和固定,底座墊紗網和濾紙防止土壤滲漏。

(2)探測氣囊空氣填充。按圖2所示,連接好氣囊和壓力表及雙連球打氣裝置,以底部的氣囊充氣為例,關閉所有閥門,打開K1、K3、K4,利用補壓口的打氣裝置對底部的氣囊進行充氣,并注意觀察壓力表的示數變化,利用補壓口閥門的開關控制氣囊與壓力表示數變化,當指針首次到達5 kPa或者10 kPa(根據試驗設計先行確定)時,緩慢擠壓1～2次打氣球,使指針緩慢變化,當指針恰好停留在5 k Pa或者10 kPa時停止打氣,關閉補壓閥門K4,去掉補壓口的打氣裝置。另外,打氣過程中要注意保護壓力表。

(3)裝置填土及組裝。將制備好的土壤按照設計容重進行分層裝填,計算裝土量時應當排除氣囊的體積(可利用排水法計算)。填土按照分層裝填的方法進行,自下而上,依次填裝,當填土到達氣囊位置時,按照步驟(2)中的方法將氣囊進行氣體填充。填充完畢后繼續裝填土壤。根據試驗設計的測量土層依次完成土壤和氣囊安裝。

(4)裝土時的裝置連接。為了保證裝置安全可用,在連接裝置時首先將所有橡膠管與壓力表、氣囊按圖示連接,檢查裝置氣密性,保證不漏氣后開始裝土。安裝時按照步驟(2)(3)中的方法對氣囊處理完畢后,將其固定好,之后開始裝土,裝土時應將氣囊對應的閥門(底部為例為K3)關閉,裝填時應當緩慢壓土。裝土完成后,打開閥門K4,K1,記錄壓力表讀數。

圖3 液體介質壓力測量系統裝置圖

(5)壓力值測量與記錄。利用壓力表進行壓力測量,以圖2所示底層壓力測量為例,測量時通過打開閥門K1、K4確保僅底層氣囊與壓力表連通,其他層的氣囊與壓力表連通的閥門處于關閉狀態,記錄壓力表值即為底層壓力。底層測量完成后先關閉閥門K1,后關閉K4,待壓力表指針回零后打開其他層的閥門進行測量。

1.3.2 液體介質測量系統裝置操作步驟

(1)裝土管制備。利用直徑為16 cm的聚乙烯管材按圖1所示進行安裝和固定,底座墊紗網和濾紙防止土壤滲漏。

(2)探測氣囊純水填充。為精確控制探測氣囊的填充的裝水量,利用馬氏瓶對氣囊進行灌水,將馬氏瓶底部與氣囊導管連接,頂端用打氣裝置對馬氏瓶進行加壓使水進入氣囊內,并記錄灌水量,為保護氣囊,灌水量介于400～550 ml之間為宜。灌水完成后,利用止水夾將導管封閉。

(3)裝置填土及安裝。將制備好的土壤按照設計容重分層進行裝填,計算裝土量時應當排除氣囊的體積(可利用排水法計算)。填土按照分層裝填的方法自下而上,依次填土,當填土到達氣囊位置時,將充水后的探測氣囊固定在土壤中后繼續裝填土壤。根據試驗設計的測量土層依次完成土壤和氣囊安裝。

(4)測壓管安裝。測壓管豎直固定在測壓管架上,測壓管底端位置與灌水氣囊的球心位置在同一高度。氣囊導管與測壓管之間用乳膠管連接,并用預留閥門用于后續測量。為了減少在植物生長期內測壓管內液體的蒸發,測壓管頂部設置閥門。僅在測量時保證測壓管與大氣相通,其他時間均將頂部閥門關閉。

(5)壓力值測量與記錄。每次測量壓力時,以圖3所示底層為例,打開K2閥門后,氣囊內水分受壓會進入測壓管中,再打開頂部K4閥門,使之與大氣相通,從而測量氣囊處所受到的壓力,待液面穩定后讀取凹液面高度,將其換算便得到壓力值。測壓管側貼帶刻度的網格坐標紙用于記錄在植物生長過程中每次測量的壓力變化情況。

2 裝置用途與檢驗

2.1 裝置優缺點

本研究中的兩種裝置設計相比,氣體介質壓力測量裝置的優點在于操作簡便,測量量程易更換,缺點在于壓力表精度為0.5 k Pa,精度較差,且氣體介質易受溫度變化的干擾使壓力測量的誤差較大,也不利于測量植物根系生長發育過程中的根系對土壤的機械壓力變化情況,因此氣體介質壓力測量裝置只能用于短時間內根系對土壤的壓力測量。液體介質壓力測量裝置的優點在于精度較好,以純水為測量介質其精度為0.1 kPa,而且根據測量介質的不同其測量精度仍可變化,可以用于植物生長期內的長期壓力觀測,缺點在于操作和制備較為復雜,且測壓管的高度需要在試驗前確定大致變化范圍。

2.2 裝置用途與檢驗

2.2.1 氣體介質測壓裝置用途及檢驗 由于根系對土壤機械壓力的復雜性和相關研究的薄弱性,目前對于根系對土壤機械壓力的量化研究未見有文獻報道,在設計測量系統時為確定壓力測量系統的測量量程,需要對根系在土壤生長過程中產生的機械壓力大小的范圍進行初步確定。因此,結合兩種介質測量裝置的優缺點,我們選用了氣體介質測壓裝置進行了根系對土壤機械壓力的模擬試驗,試驗采用模擬根系利用人工模擬根系生長的方法對土壤進行機械穿插,從而分析在此過程中模擬根系對土壤的機械壓力大小和分布,取得了良好的研究結果。同時,利用模擬試驗方法模擬了極端情況下根系對土壤的機械壓力,根據模擬試驗的研究結果,直徑為25 mm的模擬根系在土壤中出現的最大機械壓力為7 k Pa。該模擬試驗也為液體介質測壓裝置測壓管的高度設計提供了一定的依據。

2.2.2 液體介質測壓裝置用途及檢驗 結合氣體介質測壓裝置的模擬試驗研究結果,在后續研究中,我們對常見植物根系對土壤機械壓力進行研究時,利用模擬試驗的結果,進行液體介質壓力測量裝置設計時,選用純水為測壓介質,根據水柱高度與壓力值的轉化關系,設計測壓管高度為120 cm,在裝土后其測壓量程滿足試驗需要,其測量精度達到1 mm水柱即0.1 k Pa也可滿足試驗觀測需要。利用純水介質測壓裝置采用模擬試驗方法進一步對模擬根系對土壤的機械壓力特性進行了研究,取得的結果與氣體介質測壓裝置結果基本一致,特別是對直徑較小的模擬根系對土壤的機械壓力大小和分布取得了較好的結果。

為了進一步驗證測壓裝置的適用性,我們選用純水介質測壓裝置進行了植物根系生長期內壓力觀測試驗,試驗選用常見的喬灌木及農作物根系為試驗材料,將裝土管置于溫室內對植物進行培育,同時,設計無根系土壤對照組用以克服植物生長周期內由于土壤溫度和水分變化及施肥等因素使土壤產生形變而使裝置出現的系統誤差對根系壓力測量結果的影響。試驗中記錄植物生長期內根系對土壤壓力的大小和分布以及生長期壓力變化情況。初步試驗結果表明,純水介質壓力測量系統能夠克服土壤溫度和水分變化及施肥等影響因素并對根系生長過程中的土壤各層內部的綜合壓力變化進行響應并通過測壓管可以反映其壓力值變化;另外,結合對試驗過程中無根系土壤的對照組裝置內壓力變化的觀測也發現,在灌水條件下,水分的入滲、再分布和蒸發過程中,裝置測壓系統均有變化,表明本裝置還可以測量土壤在可塑狀態下土壤含水量變化所引起的土壤內部壓力。

3 結 論

(1)根系對土壤機械壓力是綜合反應土壤-根系復合體相互作用的力學指標,研制用于直接測量根系對土壤機械壓力的試驗裝置對推動根系力學性質和土壤學的研究具有十分重要的意義。

(2)本文通過多次嘗試和試驗,研制出了一種可利用氣體和液體介質進行直接測量根系土壤機械壓力的試驗裝置。利用氣體介質測量裝置進行了模擬根系的穿插試驗取得了較好的試驗結果;同時,利用液體測壓試驗裝置進行了模擬根系穿插試驗和植物根系生長期內壓力測量的初步試驗,裝置滿足試驗設計的需要,具有較好的適用性和精度。本裝置可以直接進行根系對土壤機械壓力的測量,同時也可用于土壤水運移過程中的土壤內部壓力的測量。

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