CN102944475B - 农作物根土复合体固土力学原位测定仪及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农作物根土复合体固土力学原位测定仪，其包括：剪切箱、压力发生装置、测距装置以及固定装置，所述压力发生装置位于固定装置与剪切箱之间，压力发生装置上具有压力计，压力发生装置用于给剪切箱作用力，并测定该作用力大小，所述测距装置用于测量剪切箱的位移。本发明还提供了其在检测农作物固土能力中的应用。利用本发明农作物根土复合体固土力学原位测定仪可以简便快速地测定作物根系土壤的力学情况，通过对照可以获知作物根系的固土能力，从而为固土作物的选择提供了参考依据。

Description

农作物根土复合体固土力学原位测定仪及其应用

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种农作物根土复合体固土力学原位测定仪。

背景技术

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失分布范围广、面积大。据报道，我国的水土流失面积达356万km2，占国土总面积的37%，侵蚀形式多样，类型复杂，水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀及滑坡泥石流等重力侵蚀特点各异，相互交错，成因复杂。根据统计，中国每年流失的土壤总量达50亿t。长江流域年土壤流失总量为24亿t，其中上游地区年土壤流失总量达15.6亿t，黄河流域、黄土高原区每年进入黄河的泥沙多达16亿t。

水土流失的成因是自然条件形成以及人类不合理利用土地形成，例如：地面坡度陡峭，土体的性质松软易蚀，高强度暴雨，地面没有林草等植被覆盖等等，容易造成水土流失；人类毁林毁草，陡坡开荒，草原上过度放牧，开矿、修路等生产建设破坏地表植被后不及时恢复，随意倾倒废土弃石等，使自然环境恶化，造成水土流失。水土流失对当地和河流下游的生态环境、生产、生活和经济发展都造成极大的危害。水土流失破坏地面完整，降低土壤肥力，造成土地硬石化、沙化，影响农业生产，威胁城镇安全，加剧干旱等自然灾害的发生、发展，导致群众生活贫困、生产条件恶化，阻碍经济、社会的可持续发展。

党的十八大提出，建设中国特色社会主义事业总体布局由经济建设、政治建设、文化建设、社会建设“四位一体”拓展为包括生态文明建设的“五位一体”，控制水土流失是生态文明建设的一个重要内容。

植物根系固土是防止水土流失最为重要的一种手段，通过退耕还林还牧、扩大林草种植面积、改善操场植被等等综合手段来防治水土流失。哪些植物的固土能力强，适合何种土壤进行固土等等，一直是人们探讨的重要课题。然而，到目前为止，固土能力的检测方式简陋，需要专业的人员来检测，费时费力，没有一个很好的解决途径。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种农作物根土复合体固土力学原位测定仪。

为实现上述目的，本发明农作物根土复合体固土力学原位测定仪，其包括：剪切箱、压力发生装置、测距装置以及固定装置，所述压力发生装置位于固定装置与剪切箱之间，压力发生装置上具有压力计，压力发生装置用于给剪切箱作用力，并测定该作用力大小，所述测距装置用于测量剪切箱的位移。

为使测定更加简易化，本发明测定仪还包括处理器和显示器，所述压力计将实时压力值传送给处理器，所述测距装置将实时剪切箱位移值传送给处理器，处理器根据压力值和位移值绘制位移压力图谱，并将当前压力值、位移值以及位移压力图谱在显示器上显示。

还包括存储器，用于存储测定的数据。此外存储器中还可以预置规则，判断规则。

所述剪切箱为中空体，其至少底面是空的，剪切箱用于固定待测的土壤，使剪切箱中的土壤整体移动，从而下层土壤和上层土壤之间整体发生相对位移，由此判断剪切箱中作物的固土能力。剪切箱的大小和高度根据不同植物可以选用不同的型号，例如长宽高为30cm的剪切箱，剪切箱的高度（固定于其中的土壤高度）对固土能力的检测有一定的影响，不同植物的根系在土壤中的最佳固土层不尽相同。

所述测距装置可以是位移传感器，其精度优选小于1mm，更优选精度为1μm。

本发明农作物根土复合体固土力学原位测定仪可以直观地检测农作物固土能力。进一步，本发明提供农作物固土能力测定方法，该方法通过上述的农作物根土复合体固土力学原位测定仪测定农作物根系所在土壤在所述原位测定仪作用下的压力值和位移值，根据压力值和位移值判断农作物固土能力。当然可以通过预置规则，直接判读出农作物的固土能力。在检测时还包括在同等条件下测定不含农作物根系的土壤在所述原位测定仪作用下的压力值和位移值作为对照。

与现有技术相比，本发明农作物根土复合体固土力学原位测定仪可以简便快速地测定作物根系土壤的力学情况，通过对照可以获知作物根系的固土能力，从而为固土作物的选择提供了参考依据。本发明测定仪的使用无需专业知识，适合推广应用。

附图说明

图1是原位土壤根系水平抗拉过程的F-S曲线，其中F表示拉力，S表示位移，a、b、c、d表示不同阶段的临界点。

图2为本发明测定仪的结构示意图，其中1为剪切箱，2为压力发生装置，3为固定装置，4为压力计，5为测距装置。

具体实施方式

本发明运用于坡耕地农作物根系的测定，以期采用量化的数据来评价不同作物或同一作物的固土能力。如图1所示，通过F—S曲线来表示原位土壤根系水平抗拉过程。F—S曲线代表的是各样方的载荷（F）与位移（S）之间的关系，通过该曲线可以充分反映样方中根系本身抗拉特性与土壤力学特性的相互作用。完整的F—S曲线反映了以下三个阶段①土墩的线性变形阶段（弹性形变阶段）；②塑性变形阶段（剪切阶段）；③蠕变阶段及完全破坏阶段。

比例极限点：(此点范围内根系与土壤之间发生的是弹性形变，简称F1)。

屈服拉力点：（根系与土壤的相互作用由弹性形变为主进入以塑性形变为主的临界点，简称F2）。

抗拉极限点：（根系水平抵抗滑坡的极限点，简称F3）。

载荷：施加给土墩样方的拉力。由压力发生装置产生。

位移：土墩样方移动的距离。由测距装置测量。

(1)土墩的线性变形阶段（弹性形变阶段）

在F—S曲线的ob部分，由于此时载荷较小，载荷与形变呈线形变化。其中此阶段又包括两个特征点：F1和F2。F1为比例极限点，在此点范围内对土墩施加的拉力较小，拉力与土墩产生的位移成正比。在此之前可以认为根系与土壤之间发生的是弹性形变，此阶段只要消除拉力土墩就能回到原来初始位置，土墩中的根系就能恢复原来在土壤中的状态。此时土墩发生的位移（S）是由根系弹性形变变量与土壤弹性形变变量共同作用的结果。也就是说，这一阶段中起主要作用的是土体弹性形变极限，所以此阶段的弹性形变主要是根系的弹性形变，但当停止外力作用后根系和土壤都能恢复原位。F2为屈服拉力点，它可被认为是根系与土壤的相互作用由弹性形变为主进入以塑性形变为主的临界点。

(2)塑性变形阶段（剪切阶段）

在F—S曲线的bc部分，由于载荷不断增大，当大到超过b点时，载荷与根系形变不再呈现线形变化。此阶段土剪胀性及固结性都以发挥出来，土体间咬合作用逐渐消失。在根系土体全面松动前，必须先克服根间最大静摩擦阻力，使根系在土体中全面松动。此时如果停止外力作用，根系已不在恢复原位，但全部根系未被拉出土体。其中的特征点F3为抗拉极限点，在此点可以认为根系本身和土壤都达到塑性形变状态，施加给土墩的拉力稍有增加根系就会产生较大的位移，此点为根系水平抵抗滑坡的极限点。

(3)蠕变阶段及完全破坏阶段

对应于F—S曲线的cd部分，此阶段根系本身和土壤都达到塑性形变状态。根系在拉力增加的过程中会出现两种情况：一是根系被拉出，二是根系被拉断。当被拉出时，是根系在进入塑性形变阶段后，根系抗拉已达到强度峰值，此峰值会维持一段时间，随后根系被完全拉出。当被拉断时，是根系在进入塑性形变阶段后，由于其根端阻力作用，会出现根系应力增强现象，而根系被拉出的位移较小，当拉力达到峰值的瞬间根系被拉断。此阶段的特征点F4为破坏拉力点，到此点时根系被完全破坏，此点在根系抵抗土体滑动时没有任何实际意义，但具有一定的理论意义。

从开始对剪切箱产生作用力，伴随着作用力的不断增加，位移在不断地增加。在相同的条件下，如果作用力大而位移小，则说明固土能力较强。

本发明基于原位剪切的原理设计出一套符合农作物根土复合体固土力学原位测定仪，该仪器包括剪切箱、压力发生装置、测距装置以及固定装置。压力发生装置位于固定装置与剪切箱之间，用于产生压力（即对于农作物根土的拉力），压力发生装置上具有压力计，压力发生装置用于给剪切箱作用力，并测定该作用力大小，测距装置用于测量剪切箱的位移。

测定仪还可包括处理器和显示器，压力计将实时压力值传送给处理器，测距装置将实时剪切箱位移值传送给处理器，处理器根据压力值和位移值绘制位移压力图谱，并将当前压力值、位移值以及位移压力图谱在显示器上显示。

此外，还可包括存储器，用于存储测定的数据。剪切箱用于固定待测的土壤，使剪切箱中的土壤整体移动，从而下层土壤和上层土壤之间整体发生相对位移，由此判断剪切箱中作物的固土能力。剪切箱的大小和高度根据不同植物可以选用不同的型号，例如长宽高为30cm的剪切箱。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图2所示，本发明农作物根土复合体固土力学原位测定仪包括剪切箱1、压力发生装置2、固定装置3、测距装置5，在所述压力发生装置上具有压力计4。压力发生装置2位于剪切箱和固定装置3之间。

剪切箱1采用厚度为1.0cm的钢板制作，剪切箱规格为长×宽×深=30.0cm×30.0cm×10.0cm，用于选定土墩样方的固定，以便测定在设定负荷下土墩样方的位移。剪切箱的设计应充分考虑农作物和草本植物的根系生长状况，使测定结果能真实反映根系对土壤的固定能力。

压力发生装置可产生额定拉力20T，测距装置的精度达到1μm。固定装置为带有锚杆的钢板。在剪切箱和固定装置上均具有与压力发生装置相卡接的卡槽，以防止压力发生装置在两者之间滑动。

在使用时，以作物（例如草地早熟禾）为中心，施放剪切箱，向剪切箱四周挖掘深10cm和20cm的小沟，使剪切箱的上边缘与地面相持平。把相对应的两侧挖空，一侧约20cm左右。在其中一侧固定固定装置，将压力发生装置卡接于剪切箱与固定装置之间，操作压力发生装置，使其在两者之间夹紧。通过测距装置观测土方的位移。操作压力发生装置，使剪切箱中根系复合体在压力发生装置的作用下，产生作用力进行移动，并间断性地记录压力计的读书和相应的位移，直至样方土墩达到滑动，记录位移值。

在检测时还包括在同等条件下测定不含农作物根系的土壤在所述原位测定仪作用下的压力值和位移值作为对照。

另外，还可以借助电子弹簧秤等工具测定单根拉力。

实施例2

本例中的农作物根土复合体固土力学原位测定仪与实施例1相类似，除包括剪切箱、压力发生装置、固定装置、测距装置之外，还包括处理器和显示器，压力发生装置的压力计（压力传感器）将实时压力值传送给处理器，测距装置（如位移传感器）将实时剪切箱位移值传送给处理器，处理器根据压力值和位移值绘制位移压力图谱，并将当前压力值、位移值以及位移压力图谱在显示器上显示。

此外，还可进一步包括存储器，用于存储测定的数据。存储器中还可以预置规则，例如，在固定加压速率的情况下，压力和位移比的比值越高，则固土能力越强。通过预置规则，直接判读出农作物的固土能力。

另外，压力发生装置可以采用电子泵液压方式，通过可以持续增加压力，压力值和位移值被连续编辑和存储，并反映在位移压力图谱上，从而可以直观地看到农作物固土的相关参数和能力。从而使普通工人即可具备测定农作物固土作用的能力。

Claims (8)

1.农作物根土复合体固土力学原位测定仪，其包括：剪切箱、压力发生装置、测距装置以及固定装置，所述压力发生装置位于固定装置与剪切箱之间，压力发生装置上具有压力计，压力发生装置用于给剪切箱作用力，并测定该作用力大小，所述测距装置用于测量剪切箱的位移,所述剪切箱为中空体，其至少底面是空的，所述压力发生装置采用电子泵液压方式。

2.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，还包括处理器和显示器，所述压力计将实时压力值传送给处理器，所述测距装置将实时剪切箱位移值传送给处理器，处理器根据压力值和位移值绘制位移压力图谱，并将当前压力值、位移值以及位移压力图谱在显示器上显示。

3.根据权利要求2所述的测定仪，其特征在于，还包括存储器，用于存储测定的数据。

4.根据权利要求3所述的测定仪，其特征在于，所述剪切箱高度为10～30cm。

5.根据权利要求1～3任一项所述的测定仪，其特征在于，所述测距装置的精度为1μm。

6.权利要求1～5任一项所述的农作物根土复合体固土力学原位测定仪在检测农作物固土能力上的应用。

7.农作物固土能力测定方法，该方法通过权利要求1～5任一项所述的农作物根土复合体固土力学原位测定仪测定农作物根系所在土壤在所述原位测定仪作用下的压力值和位移值，根据压力值和位移值判断农作物固土能力。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在同等条件下测定不含农作物根系的土壤在所述原位测定仪作用下的压力值和位移值作为对照。