CN105424760A - 一种用于石质山区土壤电阻率和土壤含水率的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于石质山区土壤电阻率和土壤含水率的标定方法，在坡面电阻率测定的固定样线位置100cm处挖土壤剖面，用环刀采集原状土用于测定土壤容重、孔隙度、毛管持水量，用方形环刀取样测定石砾含量；按土层0cm到下层100cm取土，风干过筛；将细土分层平铺箱子内，称重箱子，将各层土壤平均分配至三个箱子中，编号称重；采用多电极电阻仪法、初级转换电阻率成像系统；然后控水校正；土壤电阻率和石砾体积含量的关系校正；土壤电阻率和土壤容重的关系校正；获取仅有以土壤含水率和土壤电阻率的标定关系方程式，从而通过土壤电阻率获取坡面连续空间的土壤水分含量。通过多电极电阻仪测定山地坡面的土壤电阻率便捷。

Description

一种用于石质山区土壤电阻率和土壤含水率的标定方法

技术领域

本发明属于水土保持技术领域，涉及一种用于石质山区土壤电阻率和土壤含水率的标定方法。

背景技术

现有技术在研究土壤水分时空变化时，某些测定方法，如土钻，时域反射仪等仅能保障“点”土壤水分的时间连续，而对于反映空间变异的“面”上土壤水分连续测定则无能为力。不能开展时空连续测定，而且测定深度有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于石质山区土壤电阻率和土壤含水率的标定方法，给出山地坡面连续空间土壤水分分布及其随时间的变化规律。

本发明所采用的技术方案是，一种用于石质山区土壤电阻率和土壤含水率的标定方法，具体按照以下步骤进行：

标定的技术方法：

在坡面电阻率测定的固定样线位置100cm处挖土壤剖面6～9个，调查土壤厚度，按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm的机械层次用容积为100cm³环刀采集原状土用于测定土壤容重、孔隙度、毛管持水量，用长、宽、高为20cm×20cm×20cm的方形环刀取样测定石砾含量，每个环刀设置3个重复；同时按从土层0cm到下层100cm取土总重60kg，风干过筛；将过筛后的细土分层平铺于体积均为0.5×0.5×0.4m³的三个有机玻璃箱子内，同时每个箱子均用塑料薄膜包裹封严，初步称重箱子的重量，将各层土壤平均分配至三个箱子中，编号称重，分别用于土壤电阻率和水分、石砾、容重的关系标定；

采用多电极电阻仪法、初级转换电阻率成像系统，包括24个电极和两条多接口的缆线，测定土壤电阻率；电阻率测定均按0.1m间距插入12根电极测定；

土壤电阻率和土壤含水量关系的控水校正：将过筛后的细土用电子天平称重，测定电阻率，然后将土壤洒水至饱和，称重并测定饱和时含水量；以后每隔3天对箱内土壤进行称重，同时测定土壤电阻率，直至箱子土壤完全干透为止；在这个子实验中无石砾含量，容重保持不变；

土壤电阻率和石砾体积含量的关系校正：将过筛后的细土装入箱子，测定电阻率；然后分别在箱子中随机放置体积总量为箱子总量5％、10％、15％、20％、30％、40％的石砾，石砾直径为1.5cm；分别测定不同体积石砾含量下的土壤电阻率；实验中，土壤含水率和容重不变；

土壤电阻率和土壤容重的关系校正：将过筛后的细土装入箱子，测定电阻率；然后分别将土壤压至原体积的4/5、7/10、3/5后，分别测定电阻率值；随着箱内土壤体积减小，容重增大，孔隙度减小，土壤的电阻率也发生变化；实验中，土壤的质量含水率和石砾总量不变；

通过室内模拟实验标定，获取仅有以土壤含水率和土壤电阻率的标定关系方程式：θ＝f(Ω)，从而通过土壤电阻率获取坡面连续空间的土壤水分含量；通过分析软件可以得到土壤水分的时空分布及变化图。

本发明的有益效果是通过多电极电阻仪测定山地坡面的土壤电阻率较便捷，滚动前进可调查几百米的横截面的电阻率，能很好反映电阻值的横向与垂直变化，对横向结构和纵向结构均有较高的灵敏度，有较好的横向和纵向数据覆盖范围，从而可以连续测定土壤电阻的空间变化。而土壤电阻值的变化与土壤含水率关系显著，通过准确标定石质山区土壤电阻值与含水率的关系，从而达到通过研究土壤电阻值时空变化进而掌握坡面连续空间土壤水分分布和变化。

附图说明

图1是土壤电阻率与土壤体积含水率的关系图。

图2是土壤电阻率与土壤石砾体积含量的关系图。

图3是土壤电阻率与土壤容重(土壤体积)的关系图。

图4是土壤电阻率与总孔隙度的关系图。

图5是土壤电阻率与体积含水率的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种用于石质山区土壤电阻率和土壤含水率的标定方法，具体按照以下步骤进行：

标定的技术方法：

在坡面电阻率测定的固定样线位置100cm处挖土壤剖面6～9个，调查土壤厚度，按机械层次(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm)用容积为100cm³环刀采集原状土用于测定土壤容重、孔隙度、毛管持水量，用长、宽、高为20cm×20cm×20cm的方形环刀取样测定石砾含量，每个环刀设置3个重复；同时按从土层0cm到下层100cm取土总重60kg，带回实验室风干过筛；将过筛后的细土分层平铺于体积均为0.5×0.5×0.4m³的三个有机玻璃箱子内，同时每个箱子均用塑料薄膜包裹封严，以防止漏水以及称重过程中土壤渗漏，初步称重箱子(带有薄膜)的重量，将各层土壤平均分配至三个箱子中，编号称重，分别用于土壤电阻率和水分、石砾、容重的关系标定；

采用多电极电阻仪法、初级转换电阻率成像系统(SyscalJuniorSwitchSystem)，包括24个电极和两条多接口的缆线，测定土壤电阻率；电阻率测定均按0.1m间距插入12根电极测定；

土壤电阻率和土壤含水量关系的控水校正：将过筛后的细土用电子天平称重，测定电阻率，然后将土壤洒水至饱和，称重并测定饱和时含水量；以后每隔3天对箱内土壤进行称重，同时测定土壤电阻率，直至箱子土壤完全干透为止；在这个子实验中无石砾含量，容重保持不变。

土壤电阻率和石砾体积含量的关系校正：将过筛后的细土装入箱子，测定电阻率；然后分别在箱子中随机放置体积总量为箱子总量5％、10％、15％、20％、30％、40％的石砾(石砾直径为1.5cm)。分别测定不同体积石砾含量下的土壤电阻率。在这个子实验中，土壤含水率和容重(孔隙度)不变。

土壤电阻率和土壤容重的关系校正：将过筛后的细土装入箱子，测定电阻率；然后分别将土壤压至原体积的4/5、7/10、3/5后，分别测定电阻率值。随着箱内土壤体积减小，容重增大，孔隙度减小，土壤的电阻率也发生变化。在这个子实验中，土壤的质量含水率和石砾总量不变。

通过室内模拟实验标定，获取仅有以土壤含水率(θ)和土壤电阻率(Ω)的标定关系方程式：θ＝f(Ω)，从而通过土壤电阻率获取坡面连续空间的土壤水分含量。通过2DElectricalResistivityTomography(ERT)分析软件可以得到土壤水分的时空分布及变化图。

实施例

1.基于土箱内标定实验的土壤电阻率和含水率关系

为了利用土壤电阻率测定值推求土壤含水率的坡面变化，采用云南磨盘山云南松林坡面土壤，进行了人为控制含水率、石砾含量、容重和孔隙度的实验。基于控制实验数据统计分析了土壤电阻率(Y，Ωm)和土壤体积含水率(X₁，v％)、土壤石砾体积含量(X₂，v％)、土壤容重(X₃，kg/m³)的数量关系。

首先分析了单个因素对土壤电阻率的影响，如图1-3。土壤体积含水率与土壤电阻率的关系为Y＝560.89e^-0.3935X1，R²＝0.94，表明土壤电阻率随着土壤含水率增加而逐渐减小；土壤石砾体积含量和电阻率的拟合关系为Y＝2741.3e^2.1599X2，R²＝0.82，表明土壤电阻率随着土壤石砾体积含量增加逐渐增大；土壤容重和电阻率的拟合关系为Y＝666.67e^1.1094X3，R²＝0.90，表明土壤电阻率随着土壤容重增大(土壤孔隙度减小)而增大。然后，建立了土壤电阻率和土壤体积含水率、石砾体积含量、土壤容重的多元回归方程：Y＝186.96e^-0.3935X1+913.77e^2.1599X2+222.23e^1.1094X3，R²＝0.89。可以利用这些关系类型来分析和解释野外数据的变化。

2.基于云南松林坡面实测数据的土壤电阻率和含水率关系

电阻率(Y，Ωm)受很多土壤特征影响，如总孔隙度(X₁)、体积含水率(X₂)、石砾体积含量(X₃)、容重(X₄)、饱和度(X₅)等土壤物理特性和温度及根系含量等，综合利用在2012年的4～5月份在云南松林坡面的纵向和横向样线上野外实际测定的电阻率和土壤特征数据，对坡面电阻率与多项相关土壤特征进行逐步回归分析，得到Y＝60.04X₁ ^0.964X₂ ^-0.816，R²＝0.61，且检验呈极显著性相关；这表明土壤电阻率与土壤总孔隙度和土壤体积含水率相关最紧密，图4、图5所示，尤其与体积含水率相关较好，说明通过测定坡面电阻率推求土壤含水率的坡面变化是可行的。

图4、5华北落叶松林坡面电阻率(Ωm)与土壤总孔隙度(％)、体积含水率(％)的关系图。通过采用电阻仪对土壤电阻率的测定表明利用多电极电阻仪测定坡面的土壤电阻率后转化计算土壤含水率，是开展土壤含水率空间连续分布非破坏性研究的一个较适合的技术手段。通过土壤电阻率和土壤含水率的准确标定，测定土壤电阻率这比土钻法、时域反射仪测定的土壤水分时空变异研究更为方便和深入。

Claims (1)

1.一种用于石质山区土壤电阻率和土壤含水率的标定方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

标定的技术方法：

在坡面电阻率测定的固定样线位置100cm处挖土壤剖面6～9个，调查土壤厚度，按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm的机械层次用容积为100cm³环刀采集原状土用于测定土壤容重、孔隙度、毛管持水量，用长、宽、高为20cm×20cm×20cm的方形环刀取样测定石砾含量，采集的原状土采集三个用于测定各指标，达到三次重复的目的；同时按从土层0cm到下层100cm取土总重60kg，风干过筛；将过筛后的细土分层平铺于体积均为0.5×0.5×0.4m³的三个有机玻璃箱子内，同时每个箱子均用塑料薄膜包裹封严，初步称重箱子的重量，将各层土壤平均分配至三个箱子中，编号称重，分别用于土壤电阻率和水分、石砾、容重的关系标定；

采用多电极电阻仪法、初级转换电阻率成像系统，包括24个电极和两条多接口的缆线，测定土壤电阻率；电阻率测定均按0.1m间距插入12根电极测定；

土壤电阻率和土壤含水量关系的控水校正：将过筛后的细土用电子天平称重，测定电阻率，然后将土壤洒水至饱和，称重并测定饱和时含水量；以后每隔3天对箱内土壤进行称重，同时测定土壤电阻率，直至箱子土壤完全干透为止；在这个子实验中无石砾含量，容重保持不变；

土壤电阻率和石砾体积含量的关系校正：将过筛后的细土装入箱子，测定电阻率；然后分别在箱子中随机放置体积总量为箱子总量5％、10％、15％、20％、30％、40％的石砾，石砾直径为1.5cm；分别测定不同体积石砾含量下的土壤电阻率；实验中，土壤含水率和容重不变；

土壤电阻率和土壤容重的关系校正：将过筛后的细土装入箱子，测定电阻率；然后分别将土壤压至原体积的4/5、7/10、3/5后，分别测定电阻率值；随着箱内土壤体积减小，容重增大，孔隙度减小，土壤的电阻率也发生变化；实验中，土壤的质量含水率和石砾总量不变；

通过室内模拟实验标定，获取仅有以土壤含水率和土壤电阻率的标定关系方程式：θ＝f(Ω)，从而通过土壤电阻率获取坡面连续空间的土壤水分含量；通过分析软件可以得到土壤水分的时空分布及变化图。