測(cè)量根系對(duì)土壤機(jī)械壓力的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

胡林,王 飛,2,李曉明,穆興民,2,宋自影

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊陵 712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西楊陵712100)

植物根系生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)會(huì)遇到土壤的阻礙,根系會(huì)通過(guò)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(zhǎng)過(guò)程可以理解為一種穿插過(guò)程。植物根系在土壤中穿插生長(zhǎng),有縱向生長(zhǎng)和橫向生長(zhǎng),生長(zhǎng)過(guò)程中,根系不斷穿透土層,吸收養(yǎng)分、水分,參與體內(nèi)物質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)化,與土壤團(tuán)粒、水分等形成活性有機(jī)體,與土壤團(tuán)粒、水分、微生物、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的相互吸引產(chǎn)生吸附力,固定植株。在這種穿插過(guò)程中,根系主要依靠根毛區(qū)的膨脹細(xì)胞來(lái)不斷的推動(dòng)其生長(zhǎng)發(fā)育[1-3]。在根系生長(zhǎng)時(shí),根尖向四周的土體產(chǎn)生的軸向作用力在根尖后面便呈圓柱體擴(kuò)大,這種產(chǎn)生于根系表面的使土壤會(huì)產(chǎn)生形變的力是一種壓力,這種壓力就是根系對(duì)土壤機(jī)械壓力。

當(dāng)根系穿過(guò)土壤并在一定深度分布時(shí),根系與土壤及其有機(jī)物質(zhì)緊密地結(jié)合形成了一個(gè)特殊的復(fù)合材料,即土壤-根系復(fù)合體[4-6]。根系對(duì)土壤機(jī)械壓力是綜合反應(yīng)土壤-根系復(fù)合體相互作用的力學(xué)指標(biāo),對(duì)于農(nóng)業(yè)土壤,由于其三相特性和作物生長(zhǎng)環(huán)境的變化,給土壤-根系復(fù)合體力學(xué)特性的精確定量描述帶來(lái)極大困難[1,5-6]。根系產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變呈非線性的關(guān)系。郭維俊等以小麥為研究對(duì)象,通過(guò)理論分析認(rèn)為土壤中任一點(diǎn)所受到的垂直應(yīng)力的數(shù)值與土壤容重、土壤深度成正比[8-9]。無(wú)論在自然狀態(tài),還是在外力作用下,土壤-根系復(fù)合體的本構(gòu)關(guān)系不僅具有生命特征,還具有鮮明的不連續(xù)、不穩(wěn)定、多相、非均勻、各向異性等特點(diǎn)[7-9]。

目前根系對(duì)土壤機(jī)械壓力的研究較為薄弱,研究方法和手段較為欠缺,研究結(jié)論多為通過(guò)間接方法或理論分析得到土壤中任一點(diǎn)受到的壓力大小和分布,而對(duì)于直接測(cè)量根系對(duì)土壤的機(jī)械壓力的試驗(yàn)結(jié)果還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。由于對(duì)根系的研究手段的限制和土壤環(huán)境的復(fù)雜性,加之土壤對(duì)植物根系的限制,測(cè)量根系對(duì)土壤的機(jī)械壓力最理想的辦法是記錄與根伸長(zhǎng)區(qū)的表皮和根冠的表層有接觸的土壤的每一點(diǎn)的壓力,而目前還沒(méi)有方法可以做到這一點(diǎn)[1],因此,我們采用的方法是通過(guò)適當(dāng)靈敏度的探測(cè)器去測(cè)量土壤在受到根系作用發(fā)生形變時(shí)產(chǎn)生的綜合壓力。在本研究中,通過(guò)多次嘗試和試驗(yàn),研制出了一種可利用氣體和液體介質(zhì)進(jìn)行直接測(cè)量根系對(duì)土壤機(jī)械壓力的試驗(yàn)裝置。利用氣體介質(zhì)測(cè)量裝置進(jìn)行了模擬根系的穿插試驗(yàn)取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果;利用液體測(cè)壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行了模擬根系穿插試驗(yàn)和植物生長(zhǎng)期根系壓力測(cè)定的初步試驗(yàn),結(jié)果表明裝置滿足壓力測(cè)量試驗(yàn)設(shè)計(jì)的需要,具有較好的適用性和精度。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

壓力測(cè)量裝置設(shè)計(jì)的基本思路為：在土壤中埋設(shè)與土壤結(jié)合緊密且受到微小壓力會(huì)產(chǎn)生形變的探測(cè)器,同時(shí),確定可與探測(cè)器相連接并可用于顯示壓力大小的測(cè)壓裝置。本試驗(yàn)裝置應(yīng)考慮的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)該滿足的基本條件主要有以下兩個(gè)方面：

(1)可埋設(shè)在土壤中并在植物生長(zhǎng)期內(nèi)可以探測(cè)到土壤因受到根系機(jī)械壓力而產(chǎn)生微小形變的探測(cè)器。

(2)對(duì)根系在土壤生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械壓力大小的范圍進(jìn)行初步確定,以便選擇適用的壓力測(cè)量裝置。

1.2 裝置介紹

試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)裝土管和壓力測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成。試驗(yàn)裝土管(見(jiàn)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(yù)留 3個(gè)8 mm小孔用于植物生長(zhǎng)的排水和通氣需要。形變探測(cè)裝置選用醫(yī)用雙連球的氣囊,該氣囊為天然橡膠制作而成,其拉伸強(qiáng)度≥14 MPa、扯斷伸長(zhǎng)率≥280%,氣囊經(jīng)阻漏處理后對(duì)內(nèi)充滿氣體或液體呈球形,氣囊大小根據(jù)試驗(yàn)需要可變化,氣囊上部導(dǎo)管用于壓力測(cè)量。土管高度和探測(cè)裝置安裝個(gè)數(shù)可根據(jù)試驗(yàn)所需測(cè)定土層情況確定。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖(裝土管部分)

試驗(yàn)裝置的工作原理為：植物根系在裝土管內(nèi)的裝填土壤中生長(zhǎng)時(shí),對(duì)土壤進(jìn)行穿插,致使土壤產(chǎn)生擾動(dòng)而發(fā)生形變并擠壓氣囊,氣囊內(nèi)測(cè)壓介質(zhì)受擠壓后,在壓力測(cè)量系統(tǒng)中可以反映出土壤中探測(cè)氣囊所在土層受到的根系機(jī)械壓力大小變化。壓力測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)形變探測(cè)裝置內(nèi)的探測(cè)介質(zhì)分為氣體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)和液體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)。

1.2.1 氣體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)裝置 氣體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)由雙連球的氣囊與壓力表通過(guò)導(dǎo)氣管連接組成(如圖2)。在孔徑2 cm的側(cè)壁孔上安裝導(dǎo)管彎頭(如圖1),導(dǎo)氣管穿過(guò)圖示導(dǎo)管彎頭與測(cè)量系統(tǒng)連通。側(cè)壁孔上的導(dǎo)管彎頭固定并保證氣囊導(dǎo)氣管自由抽動(dòng)且不受擠壓。氣體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)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(zhì)試驗(yàn)裝置示意圖

1.2.2 液體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)裝置 液體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)由雙連球的氣囊的導(dǎo)管與測(cè)壓管通過(guò)乳膠管連接組成(如圖3)。液體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)利用測(cè)壓管進(jìn)行壓力測(cè)量,為了防止液體在測(cè)壓管中出現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象影響測(cè)量準(zhǔn)確度,測(cè)壓管選用直徑為 10 mm的玻璃管根據(jù)等壓面原理制作而成[10],通過(guò)測(cè)壓管內(nèi)的液面高度變化顯示根系對(duì)土壤的機(jī)械壓力變化。測(cè)壓管測(cè)壓時(shí)根據(jù)液體的種類和待測(cè)壓力大小的需要設(shè)置測(cè)壓管長(zhǎng)度,其測(cè)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(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)高。

1.3 操作步驟

結(jié)合設(shè)計(jì)的2種壓力測(cè)量系統(tǒng),本試驗(yàn)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(zhì)測(cè)量系統(tǒng)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(jìn)行安裝和固定,底座墊紗網(wǎng)和濾紙防止土壤滲漏。

(2)探測(cè)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(guān)閉所有閥門,打開(kāi)K1、K3、K4,利用補(bǔ)壓口的打氣裝置對(duì)底部的氣囊進(jìn)行充氣,并注意觀察壓力表的示數(shù)變化,利用補(bǔ)壓口閥門的開(kāi)關(guān)控制氣囊與壓力表示數(shù)變化,當(dāng)指針首次到達(dá)5 kPa或者10 kPa(根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)先行確定)時(shí),緩慢擠壓1～2次打氣球,使指針緩慢變化,當(dāng)指針恰好停留在5 k Pa或者10 kPa時(shí)停止打氣,關(guān)閉補(bǔ)壓閥門K4,去掉補(bǔ)壓口的打氣裝置。另外,打氣過(guò)程中要注意保護(hù)壓力表。

(3)裝置填土及組裝。將制備好的土壤按照設(shè)計(jì)容重進(jìn)行分層裝填,計(jì)算裝土量時(shí)應(yīng)當(dāng)排除氣囊的體積(可利用排水法計(jì)算)。填土按照分層裝填的方法進(jìn)行,自下而上,依次填裝,當(dāng)填土到達(dá)氣囊位置時(shí),按照步驟(2)中的方法將氣囊進(jìn)行氣體填充。填充完畢后繼續(xù)裝填土壤。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)量土層依次完成土壤和氣囊安裝。

(4)裝土?xí)r的裝置連接。為了保證裝置安全可用,在連接裝置時(shí)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(kāi)始裝土。安裝時(shí)按照步驟(2)(3)中的方法對(duì)氣囊處理完畢后,將其固定好,之后開(kāi)始裝土,裝土?xí)r應(yīng)將氣囊對(duì)應(yīng)的閥門(底部為例為K3)關(guān)閉,裝填時(shí)應(yīng)當(dāng)緩慢壓土。裝土完成后,打開(kāi)閥門K4,K1,記錄壓力表讀數(shù)。

圖3 液體介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)裝置圖

(5)壓力值測(cè)量與記錄。利用壓力表進(jìn)行壓力測(cè)量,以圖2所示底層壓力測(cè)量為例,測(cè)量時(shí)通過(guò)打開(kāi)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(guān)閉狀態(tài),記錄壓力表值即為底層壓力。底層測(cè)量完成后先關(guān)閉閥門K1,后關(guān)閉K4,待壓力表指針回零后打開(kāi)其他層的閥門進(jìn)行測(cè)量。

1.3.2 液體介質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)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(jìn)行安裝和固定,底座墊紗網(wǎng)和濾紙防止土壤滲漏。

(2)探測(cè)氣囊純水填充。為精確控制探測(cè)氣囊的填充的裝水量,利用馬氏瓶對(duì)氣囊進(jìn)行灌水,將馬氏瓶底部與氣囊導(dǎo)管連接,頂端用打氣裝置對(duì)馬氏瓶進(jìn)行加壓使水進(jìn)入氣囊內(nèi),并記錄灌水量,為保護(hù)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(dǎo)管封閉。

(3)裝置填土及安裝。將制備好的土壤按照設(shè)計(jì)容重分層進(jìn)行裝填,計(jì)算裝土量時(shí)應(yīng)當(dāng)排除氣囊的體積(可利用排水法計(jì)算)。填土按照分層裝填的方法自下而上,依次填土,當(dāng)填土到達(dá)氣囊位置時(shí),將充水后的探測(cè)氣囊固定在土壤中后繼續(xù)裝填土壤。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)量土層依次完成土壤和氣囊安裝。

(4)測(cè)壓管安裝。測(cè)壓管豎直固定在測(cè)壓管架上,測(cè)壓管底端位置與灌水氣囊的球心位置在同一高度。氣囊導(dǎo)管與測(cè)壓管之間用乳膠管連接,并用預(yù)留閥門用于后續(xù)測(cè)量。為了減少在植物生長(zhǎng)期內(nèi)測(cè)壓管內(nèi)液體的蒸發(fā),測(cè)壓管頂部設(shè)置閥門。僅在測(cè)量時(shí)保證測(cè)壓管與大氣相通,其他時(shí)間均將頂部閥門關(guān)閉。

(5)壓力值測(cè)量與記錄。每次測(cè)量壓力時(shí),以圖3所示底層為例,打開(kāi)K2閥門后,氣囊內(nèi)水分受壓會(huì)進(jìn)入測(cè)壓管中,再打開(kāi)頂部K4閥門,使之與大氣相通,從而測(cè)量氣囊處所受到的壓力,待液面穩(wěn)定后讀取凹液面高度,將其換算便得到壓力值。測(cè)壓管側(cè)貼帶刻度的網(wǎng)格坐標(biāo)紙用于記錄在植物生長(zhǎng)過(guò)程中每次測(cè)量的壓力變化情況。

2 裝置用途與檢驗(yàn)

2.1 裝置優(yōu)缺點(diǎn)

本研究中的兩種裝置設(shè)計(jì)相比,氣體介質(zhì)壓力測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)便,測(cè)量量程易更換,缺點(diǎn)在于壓力表精度為0.5 k Pa,精度較差,且氣體介質(zhì)易受溫度變化的干擾使壓力測(cè)量的誤差較大,也不利于測(cè)量植物根系生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的根系對(duì)土壤的機(jī)械壓力變化情況,因此氣體介質(zhì)壓力測(cè)量裝置只能用于短時(shí)間內(nèi)根系對(duì)土壤的壓力測(cè)量。液體介質(zhì)壓力測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn)在于精度較好,以純水為測(cè)量介質(zhì)其精度為0.1 kPa,而且根據(jù)測(cè)量介質(zhì)的不同其測(cè)量精度仍可變化,可以用于植物生長(zhǎng)期內(nèi)的長(zhǎng)期壓力觀測(cè),缺點(diǎn)在于操作和制備較為復(fù)雜,且測(cè)壓管的高度需要在試驗(yàn)前確定大致變化范圍。

2.2 裝置用途與檢驗(yàn)

2.2.1 氣體介質(zhì)測(cè)壓裝置用途及檢驗(yàn) 由于根系對(duì)土壤機(jī)械壓力的復(fù)雜性和相關(guān)研究的薄弱性,目前對(duì)于根系對(duì)土壤機(jī)械壓力的量化研究未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道,在設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)為確定壓力測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程,需要對(duì)根系在土壤生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械壓力大小的范圍進(jìn)行初步確定。因此,結(jié)合兩種介質(zhì)測(cè)量裝置的優(yōu)缺點(diǎn),我們選用了氣體介質(zhì)測(cè)壓裝置進(jìn)行了根系對(duì)土壤機(jī)械壓力的模擬試驗(yàn),試驗(yàn)采用模擬根系利用人工模擬根系生長(zhǎng)的方法對(duì)土壤進(jìn)行機(jī)械穿插,從而分析在此過(guò)程中模擬根系對(duì)土壤的機(jī)械壓力大小和分布,取得了良好的研究結(jié)果。同時(shí),利用模擬試驗(yàn)方法模擬了極端情況下根系對(duì)土壤的機(jī)械壓力,根據(jù)模擬試驗(yàn)的研究結(jié)果,直徑為25 mm的模擬根系在土壤中出現(xiàn)的最大機(jī)械壓力為7 k Pa。該模擬試驗(yàn)也為液體介質(zhì)測(cè)壓裝置測(cè)壓管的高度設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。

2.2.2 液體介質(zhì)測(cè)壓裝置用途及檢驗(yàn) 結(jié)合氣體介質(zhì)測(cè)壓裝置的模擬試驗(yàn)研究結(jié)果,在后續(xù)研究中,我們對(duì)常見(jiàn)植物根系對(duì)土壤機(jī)械壓力進(jìn)行研究時(shí),利用模擬試驗(yàn)的結(jié)果,進(jìn)行液體介質(zhì)壓力測(cè)量裝置設(shè)計(jì)時(shí),選用純水為測(cè)壓介質(zhì),根據(jù)水柱高度與壓力值的轉(zhuǎn)化關(guān)系,設(shè)計(jì)測(cè)壓管高度為120 cm,在裝土后其測(cè)壓量程滿足試驗(yàn)需要,其測(cè)量精度達(dá)到1 mm水柱即0.1 k Pa也可滿足試驗(yàn)觀測(cè)需要。利用純水介質(zhì)測(cè)壓裝置采用模擬試驗(yàn)方法進(jìn)一步對(duì)模擬根系對(duì)土壤的機(jī)械壓力特性進(jìn)行了研究,取得的結(jié)果與氣體介質(zhì)測(cè)壓裝置結(jié)果基本一致,特別是對(duì)直徑較小的模擬根系對(duì)土壤的機(jī)械壓力大小和分布取得了較好的結(jié)果。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)壓裝置的適用性,我們選用純水介質(zhì)測(cè)壓裝置進(jìn)行了植物根系生長(zhǎng)期內(nèi)壓力觀測(cè)試驗(yàn),試驗(yàn)選用常見(jiàn)的喬灌木及農(nóng)作物根系為試驗(yàn)材料,將裝土管置于溫室內(nèi)對(duì)植物進(jìn)行培育,同時(shí),設(shè)計(jì)無(wú)根系土壤對(duì)照組用以克服植物生長(zhǎng)周期內(nèi)由于土壤溫度和水分變化及施肥等因素使土壤產(chǎn)生形變而使裝置出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差對(duì)根系壓力測(cè)量結(jié)果的影響。試驗(yàn)中記錄植物生長(zhǎng)期內(nèi)根系對(duì)土壤壓力的大小和分布以及生長(zhǎng)期壓力變化情況。初步試驗(yàn)結(jié)果表明,純水介質(zhì)壓力測(cè)量系統(tǒng)能夠克服土壤溫度和水分變化及施肥等影響因素并對(duì)根系生長(zhǎng)過(guò)程中的土壤各層內(nèi)部的綜合壓力變化進(jìn)行響應(yīng)并通過(guò)測(cè)壓管可以反映其壓力值變化;另外,結(jié)合對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)根系土壤的對(duì)照組裝置內(nèi)壓力變化的觀測(cè)也發(fā)現(xiàn),在灌水條件下,水分的入滲、再分布和蒸發(fā)過(guò)程中,裝置測(cè)壓系統(tǒng)均有變化,表明本裝置還可以測(cè)量土壤在可塑狀態(tài)下土壤含水量變化所引起的土壤內(nèi)部壓力。

3 結(jié) 論

(1)根系對(duì)土壤機(jī)械壓力是綜合反應(yīng)土壤-根系復(fù)合體相互作用的力學(xué)指標(biāo),研制用于直接測(cè)量根系對(duì)土壤機(jī)械壓力的試驗(yàn)裝置對(duì)推動(dòng)根系力學(xué)性質(zhì)和土壤學(xué)的研究具有十分重要的意義。

(2)本文通過(guò)多次嘗試和試驗(yàn),研制出了一種可利用氣體和液體介質(zhì)進(jìn)行直接測(cè)量根系土壤機(jī)械壓力的試驗(yàn)裝置。利用氣體介質(zhì)測(cè)量裝置進(jìn)行了模擬根系的穿插試驗(yàn)取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果;同時(shí),利用液體測(cè)壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行了模擬根系穿插試驗(yàn)和植物根系生長(zhǎng)期內(nèi)壓力測(cè)量的初步試驗(yàn),裝置滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的需要,具有較好的適用性和精度。本裝置可以直接進(jìn)行根系對(duì)土壤機(jī)械壓力的測(cè)量,同時(shí)也可用于土壤水運(yùn)移過(guò)程中的土壤內(nèi)部壓力的測(cè)量。

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