CN103592202B - 测量土壤容重和含水率的体积置换方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量土壤容重和含水率的体积置换方法，具体步骤如下：以容积已知的标准环刀取原状待测土样，称待测土样质量；将待测土样装入容积已知的恒容容器，向装有待测土样的恒容容器中注满水，称量加满水后恒容容器内土样与水的总质量；按照公式计算土壤容重和含水率。本发明还提供本发明方法所用的设备，由标准环刀、恒容容器、称重设备、注水设备组成，其中标准环刀用于获取体积确定的土样，恒容容器用于盛放待测土样，注水设备用于往恒容容器中注水，称重设备用于称量质量。本发明的方法可适用于任意质地原状土壤的容重和含水率测量，操作过程简单、方便。

Description

测量土壤容重和含水率的体积置换方法及设备

技术领域

本发明涉及土壤学领域，具体涉及一种测量土壤容重和含水率的体积置换方法及设备。

背景技术

土壤含水率是表征一定深度土层干湿程度的物理量，定义为土中水的质量与土粒质量之比，是农业生产中的一项重要参数。土壤水分测定是进行土壤水分分析的基础工作，它的直接测量是相关研究和应用的基础，在土壤力学、作物栽培、农田灌溉、生态环境等研究和实践中十分重要，所以准确地获取土壤含水率的信息极为重要。

土的容重定义为单位体积土的重量，是一定容积的土壤（包括土粒及粒间的孔隙）烘干后的重量与同容积水重的比值。自然条件下的土壤容重由于受到成土过程、气候、生物作用以及耕作的影响，是一个高度变异的土壤性质，它对土壤的透气性、入渗性以及土壤的抗侵蚀能力都有非常大的影响，往往与土壤改良、作物生长等因素密切相关。所以，土壤容重的快捷、准确、经济地有效测定在农业、林业生产中具有重要的应用意义。

目前，直接测量土壤含水率的方法主要有烘干法或燃烧法，作为直接测量土壤水分含量的唯一方法，其中烘干法为标准方法。这两种方法是其他所有间接测量方法的基础，在测量精度上具有其它间接测量方法不可比拟的优势。传统测量含水率的烘干法比较费时间且不适合野外作业；燃烧法消耗能源，测量精度相对较低。其他间接测量方法（如TDR、FDR、伽马射线、电容传感器、中子仪等），必须采用上述两种直接测量方法之一进行校准和标定，同时存在价格昂贵、不易操作、可能对人体危害较大等多方面的缺陷。一些测量土壤容重的方法如蜡封法、灌水法、灌砂法等，测量操作过程均较为复杂。因此，简单、方便的直接测量方法非常重要。

发明内容

为了克服长期以来测量土壤容重和含水率的方法存在的操作复杂等问题，本发明旨在提供一种测量土壤容重和含水率的体积置换方法及设备。

本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法的原理如下：

用标准环刀取原状待测土样，将待测土样装入已知容积、质量的恒容容器；向装有待测土样的恒容容器中注满水，注入的水将土样中的气体置换出来，使土壤颗粒与水充满恒容容器。

土壤是由土壤颗粒、水和气体组成的三相混合体。空气的质量在计算中可以忽略不计，所以所取的待测土样质量主要由土壤颗粒质量和待测土样含水质量确定。空气充满土中孔隙，占有土样的一部分体积。

m=m_s+m_w（1）

v=v_s+v_w+v_a（2）

式中，m、m_s、m_w分别为待测土样质量、土壤颗粒质量、待测土样含水质量，单位为g；v、v_s、v_a、v_w分别为环刀容积（即所取的待测土样体积）、土壤颗粒体积、待测土样含气体体积、待测土样含水体积（指待测土样初始含水体积），单位为cm³。

土样中土壤颗粒与水的质量分别等于它们各自的体积与密度的乘积。ρ_w为水密度，一般取值1000kg/m³。土壤颗粒密度ρ_s大小与土壤的化学与矿物组成有关，一般土壤的颗粒密度多在2.6～2.8g/cm³范围内。计算时通常采用的土壤颗粒密度值为2653kg/m³。根据土壤颗粒密度及水密度，联立式（1）和式（2），确定土样中土壤颗粒体积与待测土样含水体积。

$v_s=\frac{m-{\mathrm{\ρ}}_w{v}_0}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}---\left(3\right)$

$v_w=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{v}_0-m}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}---\left(4\right)$

其中，ρ_s、ρ_w分别为土壤颗粒密度与水密度，单位为g/cm³。式中，

v₀=v-v_a=v'-v_r（5）

为土壤颗粒体积与待测土样含水体积之和，单位cm³；v'为恒容容器容积，单位为cm³；v_r为向恒容容器中补充水的体积，单位为cm³。

体积置换法是用一定体积的水置换土中空气，由补水置换的体积得到非饱和土壤的孔隙体积（即待测土样含气体体积），进而求得土壤颗粒体积与待测土样含水体积之和。恒容容器容积与置换出土中气所补充水分体积的差值，等于土壤颗粒体积与待测土样含水体积之和，如式（7）。

m_s+m_w=m'-m_r（6）

v₀=v_s+v_w=v'-m_r/ρ_w（7）

式中，m’、m_r分别为注满水后土壤颗粒与水的质量之和、置换土中气时所补充水的质量，单位g。

根据土壤颗粒密度、水密度、待测土样质量以及注满水后土壤颗粒与水的质量之和，由定义可以求出土壤的容重和含水率，为：

$\mathrm{\θ}=\frac{m_w}{m_s}\×100\%=\frac{v_w{\mathrm{\ρ}}_w}{v_s{\mathrm{\ρ}}_s}\×100\%---\left(8\right)$

${\mathrm{\ρ}}_b=\frac{v_s{\mathrm{\ρ}}_s}{v}---\left(9\right)$

式中，θ为土壤质量含水率，单位%；ρ_b为土壤容重，单位g/cm³。

本发明提供的一种测量土壤容重和含水率的体积置换方法，具体步骤如下：

以容积已知的标准环刀取原状待测土样，称待测土样质量；将待测土样装入容积已知的恒容容器，向装有待测土样的恒容容器中注满水，称量加满水后恒容容器内土样与水的总质量；按照以下公式计算土壤容重和含水率：

公式1：m_r=m'-m

公式2：v₀=v'-m_r/ρ_w

公式3： $v_s=\frac{m-{\mathrm{\ρ}}_w{v}_0}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}$

公式4： $v_w=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{v}_0-m}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}$

公式5： $\mathrm{\θ}=\frac{v_w{\mathrm{\ρ}}_w}{v_s{\mathrm{\ρ}}_s}\×100\%$

公式6： ${\mathrm{\ρ}}_b=\frac{v_s{\mathrm{\ρ}}_s}{v}$

式中，m_r为所注入的水的质量，m为土样的质量，m’为加满水后恒容容器内土样与水的总质量，单位g；v为标准环刀容积，v’为恒容容器容积，v₀为土壤颗粒体积与待测土样含水体积之和，v_s为土壤颗粒体积，v_w为待测土样含水体积，单位cm³；ρ_w为水密度，ρ_s为土壤颗粒密度，单位g/cm³；θ为土壤质量含水率，单位%；ρ_b为土壤容重，单位g/cm³；

所述恒容容器由一个形状规则且不易变形的容器及其上端的液面定位盖组成，在液面定位盖上设有注水口，在容器口设有溢水口；通过在容器的上端加盖液面定位盖控制容器内的容积为恒定，通过注水口向恒容容器内缓慢补充液体，溢水口用于排出超出恒容容器容积的液体。

其中，温度在4℃左右时，水的密度为1.000g/cm³，在温度变化不大的情况下，可以在计算时将水密度ρ_w取值1.000g/cm³；土壤颗粒密度ρ_s大小与土壤的化学与矿物组成有关，一般土壤的颗粒密度多在2.6～2.8g/cm³范围内，计算时通常采用的土壤颗粒密度值为2.653g/cm³。

其中，所述恒容容器优选为圆柱形、长方体或多棱柱等形状。

其中，所述恒容容器的材料要求有一定斥水性且不易变形。陶瓷材料或一般的金属材料如铝、不锈钢、合金等均可。

其中，所述注满水，为往恒容容器内加水到液面接近恒容容器口，盖上液面定位盖，通过注水口缓慢向内滴水至溢水口处有水滴出现为止。

其中，计算过程可通过人工计算、计算器计算、计算机计算，优选为将测定的数据直接导入计算机，根据编入所需公式自动计算得出土壤容重和含水率。

本发明的另一目的是提供测量土壤容重和含水率的体积置换方法所用的设备，由标准环刀、恒容容器、称重设备、注水设备组成；其中标准环刀用于获取体积确定的土样，恒容容器用于盛放待测土样，注水设备用于往恒容容器中注水，称重设备用于称量质量。

其中，所述称重设备为天平，优选电子天平。

其中，所述注水设备优选滴管，更优选胶头滴管。

其中，所述计算设备优选计算机。

本发明还提供所述测量土壤容重和含水率的体积置换方法在测定土壤物理性质中的应用。

本发明提供的优点是：

本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法可适用于任意质地土壤的容重和含水率测量，操作过程简单、方便。本发明的方法克服了长期以来测量土壤容重的方法如蜡封法、灌水法、灌砂法等存在测量操作过程均较为复杂的问题；克服了传统测量含水率的烘干法比较费时间且不适合野外作业，燃烧法消耗能源、测量精度相对较低的问题，具有很好的应用前景。

本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法的设备稳定性良好，可以测量任意质地原状土壤的初始质量和注水后土壤与水的总质量，通过计算得到土壤容重和含水率，方便、快捷、准确。

附图说明

图1实施例1中本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法所用设备的结构示意图。

图2实施例1中本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法所用设备中的恒容容器结构示意图。

图3实施例1中本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法所用设备中的恒容容器照片。

其中，1为恒容容器，2为电子天平，3为胶头滴管，4为注水口，5为溢水口，6为液面定位盖。

具体实施方式

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本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法所用设备

本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法所用设备结构图如图1所示，包括恒容容器1、称重设备电子天平2（上海卓精电子科技有限公司，型号：BSM-5200.2）、注水设备胶头滴管3（实验室常用的普通玻璃质胶头滴管）、标准环刀（图中未显示，实验室土壤物理性质测定常用的标准环刀即可）。

其中，恒容容器1的结构示意图如图2所示，实物照片见图3。恒容容器1（包括去掉液面定位盖的恒容容器和液面定位盖）为一个圆柱形带盖容器，在液面定位盖6上设有注水口4，在容器口设有溢水口5。恒容容器3内径75mm，外径81mm，高63mm，壁厚3mm，其液面定位盖6厚3mm。溢水口5深3mm，宽度5mm，为向内切割45°；注水口4下端口直径为2mm，上端口直径略大于下端口。恒容容器1材料为金属材料。

实施例2测量人工预制土壤容重和含水率

所用设备参见实施例1。

试验土样采用采自陕西杨凌的黏黄土，将土样预制成5种设计含水率：10%、15%、20%、25%、30%，并且将不同设计含水率条件下的黏黄土分别预制成3种土壤容重，为：1.25、1.35、1.45g/cm³，用于检测不同设计含水率和不同土壤容重条件下的测量效果。在不同预制土壤容重、不同设计含水率的条件下进行实验测量，每种情况下的测量各有3次重复，可将黏黄土预先制成3×5×3=45份样品。

测定方法如下：

取土样前将容积为v的标准环刀放于电子天平上去皮归零，以标准环刀取原状待测土样，再称得的质量即为待测土样质量m；将待测土样装入容积v'的恒容容器，用少量水将标准环刀内残余的土样冲洗后倒入恒容容器，保证将标准环刀内的待测土样全部转于到恒容容器内，向装有待测土样的恒容容器中注水，当液面接近恒容容器口时停止注水，盖上液面定位盖，然后用胶头滴管通过注水口继续缓慢向恒容容器中逐滴加水，直到溢水口处有水滴出现时停止，此时土壤颗粒与水充满恒容容器，土样达到饱和状态，注入的水将原来存在于土样中的空气全部置换出来。用吸水纸擦净恒容容器壁上残留的水渍，电子秤读数稳定不变时读取数值，称量加满水后恒容容器内土样与水的总质量为m’；按照以下公式计算土壤容重和含水率：

公式1：mr=m'-m

公式2：v₀=v'-m_r/ρ_w

公式3： $v_s=\frac{m-{\mathrm{\ρ}}_w{v}_0}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}$

公式4： $v_w=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{v}_0-m}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}$

公式5： $\mathrm{\θ}=\frac{v_w{\mathrm{\ρ}}_w}{v_s{\mathrm{\ρ}}_s}\×100\%$

公式6： ${\mathrm{\ρ}}_b=\frac{v_s{\mathrm{\ρ}}_s}{v}$

式中，m_r为所注入的水的质量，单位g；v₀为土壤颗粒体积与待测土样含水体积之和，v_s为土壤颗粒体积，v_w为待测土样含水体积，单位cm³；ρ_w为水密度，ρ_s为土壤颗粒密度，单位g/cm³；θ为土壤质量含水率，单位%；ρ_b为土壤容重，单位g/cm³；

将通过体积置换测量土壤容重和含水率的土样置于105℃的烘箱中，烘干72h后取出称重，用传统烘干法计算得到土壤容重和含水率。烘干设备为烘干箱（中外合资重庆四达实验仪器有限公司，型号：CS101-1E）。

通过体积置换测得的与用烘干法测得的土壤含水率结果相比较，最大绝对误差在2%左右，如表1所示。两种方法测得的土壤容重比较的最大相对误差在2%左右，通过体积置换测得的土壤容重与预制土壤容重比较的最大相对误差也在2%左右，如表2和表3所示。由此说明使用本发明的方法可以同时测量精准度较高的土壤容重和含水率。

表1体积置换测量人工预制土壤含水率与烘干法测量结果比较的绝对误差（%）

表2体积置换测量人工预制土壤容重与烘干法测量结果比较的相对误差（%）

表3预制土壤容重与体积置换测量结果比较的相对误差（%）

实施例3测量自然土壤容重和含水率

使用本发明测量土壤容重和含水率的体积置换方法对取自户外自然草地的原状土样进行测量，选取2个区域，每个区域各取3个原状土样，记为3次重复试验。具体的方法见实施例2。

将通过体积置换测量土壤容重和含水率的土样置于105℃的烘箱中，烘干72h后取出称重，用传统烘干法计算得到土壤容重和含水率。烘干设备为烘干箱（中外合资重庆四达实验仪器有限公司，型号：CS101-1E）。

将体积置换测得的自然原状土壤的含水率和容重与用传统烘干法（105℃，72h）测量的结果进行比较，得到两种方法测量含水率比较的绝对误差和测量土壤容重比较的相对误差，如表4、表5所示。

表4体积置换测量自然土壤含水率与烘干法测量结果比较的绝对误差（%）

表5体积置换测量自然土壤容重与烘干法测量结果比较的相对误差（%）

由表4和表5可以看出，本发明方法测得取自户外自然草地的原状土样的含水率与传统烘干法测得的结果相比较，最大绝对误差小于1%，测得的原状土容重与烘干土样测得的结果相比较，相对误差在0.5%左右，表明本发明通过体积置换测量土壤容重和含水率的合理性。

实测数据表明，本发明的方法测量结果具有较高精度，可以满足户外田间即时测量的要求，测量过程简单、省时省力、节约能源，可以应用于任意质地原状土样容重和含水率的直接测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测量土壤容重和含水率的体积置换方法，具体步骤如下：

以容积已知的标准环刀取原状待测土样，称待测土样质量；将待测土样装入容积已知的恒容容器，向装有待测土样的恒容容器中注满水，称量加满水后恒容容器内土样与水的总质量；按照以下公式计算土壤容重和含水率：

公式1：m_r＝m'-m

公式2：v₀＝v'-m_r/ρ_w

公式3： $v_s=\frac{m-{\mathrm{\ρ}}_w{v}_0}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}$

公式4： $v_w=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{v}_0-m}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}$

公式5： $\mathrm{\θ}=\frac{v_w{\mathrm{\ρ}}_w}{v_s{\mathrm{\ρ}}_s}\×100\%$

公式6： ${\mathrm{\ρ}}_b=\frac{v_s{\mathrm{\ρ}}_s}{v}$

式中，m_r为所注入的水的质量，m为土样的质量，m’为加满水后恒容容器内土样与水的总质量，单位g；v为标准环刀容积，v’为恒容容器容积，v₀为土壤颗粒体积与待测土样含水体积之和，v_s为土壤颗粒体积，v_w为待测土样含水体积，单位cm³；ρ_w为水密度，ρ_s为土壤颗粒密度，单位g/cm³；θ为土壤质量含水率，单位％；ρ_b为土壤容重，单位g/cm³；

所述恒容容器由一个形状规则且不易变形的容器及其上端的液面定位盖组成，在液面定位盖上设有注水口，在容器口设有溢水口；通过在容器的上端加盖液面定位盖控制容器内的容积为恒定，通过注水口向恒容容器内缓慢补充液体，溢水口用于排出超出恒容容器容积的液体；所述溢水口向内切割的角度为45°；注水口下端口直径为2mm；所述注满水，为往恒容容器内加水到液面接近恒容容器口，盖上液面定位盖，通过注水口缓慢向内滴水至溢水口处有水滴出现为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水密度ρ_w取值1.000g/cm³，土壤颗粒密度ρ_s取值2.653g/cm³。

3.权利要求1-2任一项所述方法所用的设备，其特征在于，由标准环刀、恒容容器、称重设备、注水设备组成；其中标准环刀用于获取体积确定的土样，恒容容器用于盛放待测土样，注水设备用于往恒容容器中注水，称重设备用于称量质量。

4.权利要求3所述的设备，其特征在于，所述称重设备为天平。

5.权利要求4所述的设备，其特征在于，所述称重设备为电子天平。

6.权利要求3所述的设备，其特征在于，所述注水设备为滴管。

7.权利要求1-2任一项所述方法在测定土壤物理性质中的应用。