WET便攜式土壤水分、溫度、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x在太空種植中的應(yīng)用

 

所謂“兵馬未動(dòng)，糧草先行”，中國(guó)航天的未來(lái)要大力發(fā)展空間站，必然要考慮太空中的給養(yǎng)問(wèn)題。我國(guó)宇航員在去年10.17日發(fā)射的神舟十一號(hào)飛船中，帶去了生菜的種子以及專(zhuān)門(mén)定制的蔬菜培養(yǎng)箱，在對(duì)接的天宮一號(hào)中首次當(dāng)起了“太空菜農(nóng)”。

 

為了更好的了解蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程中“土壤”水分和養(yǎng)分狀況，航天科研中心經(jīng)過(guò)多方比對(duì)，最終選擇了由我司提供的高性?xún)r(jià)比的WET便攜式土壤水分、溫度和電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，提前安裝在了培養(yǎng)箱裝置中以便實(shí)時(shí)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，標(biāo)記為“天基”；同時(shí)在地球端的宇航員工作中心同步測(cè)量記錄數(shù)據(jù)，標(biāo)記為“地基”。

 

 

 

土壤中水分主要受到3種力的作用，重力，吸附力和毛管力（表面張力）。其中保持土壤水分的力主要有兩種，即吸附力和毛管力。而重力主要影響水分的下滲速度。

 

在地球上，當(dāng)給土壤澆水后，水分受到重力作用，同時(shí)受到吸附力和毛管力作用，會(huì)使土壤含水量逐漸呈下降趨勢(shì)。因此會(huì)出現(xiàn)如圖中地基含水量的變化曲線(xiàn)。

 

 

當(dāng)在太空中進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于土壤水分失去重力，主要的影響力變?yōu)槲�附力和表面張力。這兩種力會(huì)慢慢使水分在土壤中均勻化，因此從開(kāi)始澆水后探頭周?chē)�的水分含量�?huì)逐漸增加，到一定程度后會(huì)達(dá)到一個(gè)水分平衡。在圖中顯示為8-9天的過(guò)程。

 

由于儀器本身是金屬，當(dāng)探頭發(fā)射電磁波后，在探針周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)一定極性，繼而吸附水分聚集在探頭周?chē)�而形成一種水膜，使探針測(cè)出的水分值近似于土壤飽和水分含量（約50%-60%左右）。這種平衡會(huì)保持一定時(shí)間，除非再次灌溉，或者蒸發(fā)量很大的情況下才會(huì)改變。圖中顯示為9-18天的曲線(xiàn)過(guò)程。

 

當(dāng)再次澆水后，水分急劇增加，打破原來(lái)的水分平衡，會(huì)出現(xiàn)高峰值并開(kāi)始逐漸下降，這跟地基所測(cè)定的曲線(xiàn)圖是比較吻合的，圖中顯示為19-27天的曲線(xiàn)過(guò)程。

 

 

目前測(cè)量土壤水分含量的方法主要有3種：時(shí)域反射或頻域反射（高頻電磁波法）、電容法和烘干法。

 

第一種為發(fā)射高頻電磁波，通過(guò)接收反射回的不同頻率電磁波信號(hào)或電磁波反射回的時(shí)間不同來(lái)測(cè)定水分含量。

 

第二種為發(fā)射電流，測(cè)定土壤水分中電容的變化，從而界定水分含量。

 

第三種為烘干法，為絕對(duì)含水量值。通過(guò)稱(chēng)重烘干前及烘干后土壤重量測(cè)定土壤中的水分絕對(duì)含量，這是對(duì)前兩種儀器校準(zhǔn)的一種方法。

 

對(duì)于在太空中做實(shí)驗(yàn)，第三種方法需要測(cè)量土壤重量，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)。前兩種相比較的話(huà)第一種受的影響更小，所以還是建議使用電磁波法的儀器來(lái)測(cè)定。

 

土壤水分含量的測(cè)定更多的時(shí)候觀(guān)測(cè)的還是變化曲線(xiàn)，而不是絕對(duì)的水分含量值，所以建議在太空中做實(shí)驗(yàn)時(shí)考慮到失重對(duì)水分的影響即可。同時(shí)參考所測(cè)定的電導(dǎo)率值，這對(duì)于太空植物種植具有很大的參考意義。