CN105510173B - 一种现场测定土壤含水量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在现场测定土壤含水量的方法，直接在大田作物下取土称重，通过公式得到监测数据。本发明包括标定标准容积干土重的步骤以及现场取土称重测量土壤含水量的步骤。本发明采用专用取土设备，在大田作物下采用钻进方式进行旋转取土，可以避免对原状土的震动破坏，钻孔对大田植被作物和土壤结构的影响最低，便于快速回填。另外，通过观察刻度杆可以精确定位环刀中心距离地面深度，能够精确采集土壤样品；现场取土称重方式还能有效避免土壤水分损失。本发明采用的方法精确测定了土壤含水量，能够避免仪器检测法和传统人工取土烘干法的种种缺陷。

Description

一种现场测定土壤含水量的方法

技术领域

本发明属于土壤墒情监测技术领域，涉及一种土壤含水量测定方法。

背景技术

土壤墒情监测是抗旱的重要基础工作，墒情监测要求测量墒情站土壤含水量，基本测量方法有人工取土烘干法和自动监测仪器法等。墒情自动监测仪器按照使用方法可分为固定埋设式和便携式，固定埋设式监测仪器所在位置的土壤结构和环境变化难以与大田保持同步，监测数据代表性较差。便携式监测仪器可直接在大田使用，但在干旱或土壤粘度较大时，难以插入土壤，容易损坏监测仪器，多次多点测量时监测仪器传感器与土壤接触程度难以保持一致，影响监测数据准确度。此外，墒情自动监测仪器安装后，还应与墒情站土壤建立新的率定公式，通过与人工取土烘干法得到的重量含水量进行对比分析，其监测数据误差小于规范要求时方可使用。而率定公式及对比观测分析过程中耗费大量人力和资金，耗时较长。相比仪器而言，人工取土烘干法的准确性较高。但人工取土烘干法耗时长，监测数据时效性较差，而且野外取样到室内烘干过程中土壤水分有一定损失，而且具体操作时烘干时间掌握尺度不一致，这些因素也会影响监测数据准确度。此外，现有人工取土方式会破坏环刀内原状土结构，影响测量数据的准确性。因此目前，尚缺乏一种准确度较高的土壤含水量测定方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种在现场测定土壤含水量的方法，直接在大田作物下取土称重，通过公式计算得到监测数据。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种现场测定土壤含水量的方法，包括如下步骤：

步骤一，标定标准容积干土重：

步骤1，使用若干个相同容积的环刀，在同一土壤深度分别钻取若干份土壤样品，取土过程如下：

步骤A，在采集位置地面处，将取土设备钻头向下令钻头底部接触地面，垂直缓慢旋转取土设备，边旋转边下压，通过观察刻度杆上的刻度确定钻进深度位置；

步骤B，当环刀达到采集深度后，旋转提出取土设备，所述旋转方向与步骤A取土设备旋转方向相同；

步骤C，使用削土刀分别探进钻头和定位座上的各切土口，切断环刀上下两端附近的土壤。

步骤D，分别旋转卸下钻头和环刀，使用削土刀削平环刀上下两端的土壤，完成一个深度土壤样品的采集；

步骤2，将取得的土壤样品盖上环刀底盖和顶盖带回室内，把揭开顶盖的环刀放入烘箱中烘干；

步骤3，取出烘干后的环刀及其内土壤样品，盖好顶盖放入干燥器中冷却至常温时称重，记录环刀+干土+底盖+顶盖的重量，除去干土擦净环刀，再次称量环刀+底盖+顶盖的重量，计算两次称量数据差得到标准容积环刀内干土重；

步骤4，通过步骤2-3得到步骤1中取出的所有环刀干土重后，计算其平均值作为该墒情站标准容积的干土重w²；

步骤二，现场取土称重测量土壤含水量；

步骤1，采用取土设备，利用步骤A-D的方法在墒情站钻取相同容积的原状土，盖好底盖和顶盖；

步骤2，在取土现场使用电子天平称重；

步骤3，将称重后重量减去已知的环刀+底盖+顶盖的重量，得到湿土重w¹。

步骤4，采用以下公式计算土壤含水量：

式中：

ω——土壤重量含水量，百分数表示(％)；

w¹——湿土重量，单位为克(g)；

w²——干土重量，单位为克(g)。

进一步的，当土壤样品采集深度较大时，在取土过程中每钻进一段距离提出取土设备，使用推土杆顶出钻头和环刀内的土壤后继续钻进。

进一步的，所述烘箱温度设置在105℃±2℃，持续恒温至少24h。

进一步的，当土壤样品为黏性土壤时延长烘干时间5-12小时。

进一步的，所述取土设备包括钻头、环刀、定位座、刻度杆，所述环刀可拆卸式地连接在定位座底部，所述钻头可拆卸式地连接在环刀底部，所述定位座连接在刻度杆底部，所述刻度杆、定位座、环刀、钻头内均具有空腔且彼此连通，刻度杆内设有推土杆，推土杆底部连接有推土栓，推土杆能够在空腔内上下移动，所述推土杆和刻度杆能够通过固定装置连接，所述钻头侧面设有若干下切土口，所述下切土口高度低于或等于环刀下边缘高度，所述定位座侧面设有若干上切土口，所述上切土口高度高于或等于环刀上边缘高度。

进一步的，所述环刀上部设有若干上立柱，所述定位座侧面底部设有用于容纳上立柱的定位座卡口，所述环刀下部设有若干下立柱，所述钻头侧面顶部设有用于容纳下立柱的钻头卡口，所述定位座卡口和钻头卡口方向相反。

进一步的,所述钻头底部设有若干钻土切角。

进一步的，所述钻土切角连接有导土槽。

进一步的，所述推土杆上设有至少两个固定孔。

进一步的，所述固定装置包括插拔销。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明采用专用取土设备，在大田作物下采用钻进方式进行旋转取土，可以避免对原状土的震动破坏，钻孔对大田植被作物和土壤结构的影响最低，便于快速回填。另外，通过观察刻度杆可以精确定位环刀中心距离地面深度，能够精确采集土壤样品；现场取土称重方式还能有效避免土壤水分损失。因此，本发明采用的方法精确测定了土壤含水量，能够避免仪器检测法和传统人工取土烘干法的种种缺陷。

附图说明

图1为钻取标准容积原状土的取土设备总体结构示意图；

图2为钻取标准容积原状土的取土设备下端部分结构示意图；

图3为定位座和连接座结构示意图，其中(a)为纵向剖视图，(b)为俯视图；

图4为环刀结构示意图，其中(a)为外立面结构图，(b)为俯视图；

图5为钻头结构示意图，其中(a)为纵向剖视图，(b)为俯视图；

图6为钻取标准容积原状土的取土设备顶端部分结构示意图，其中(a)为插拔销插入下固定孔的状态示意图；(b)为(a)的俯视图；

图7为称重设备示意图。

附图标记列表：

10-环形钻头，11-钻土切角，12-导土槽，13-刃口，14-下切土口，15-钻头卡口，20-环刀，21-环刀中心线，22-下立柱，23-上立柱，30-定位座，31-卡口，32-上切土口，40-连接座，41-螺丝，50-刻度杆，51-突柱，52-刻度杆把手，53-插拔销，54-挡片，55-弹簧，60-推土杆，61-推土栓，62-推土杆把手，63-下固定孔，64-上固定孔。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

请参阅图1、图2、图3，本发明采用专用的钻取标准容积原状土的取土设备进行取土，尽可能不破坏土壤状态，取土设备结构从下至上包括钻头10、环刀20、定位座30、刻度杆50，其中，钻头10、环刀20均为圆筒形，图中，钻头10连接在环刀20底部，环刀20连接在定位座30底部，定位座30与刻度杆50连接，刻度杆50上具有刻度，可以标示环刀20钻进土壤的深度，定位座30顶端具有一连接座40，本例中连接座40与定位座30为一体结构。连接座40直径较定位座30小，其尺寸与刻度杆50相配合，连接座40内径等于或稍大于刻度杆50外径，采用4个螺丝41(也可以用其他紧固件)将连接座40连接在刻度杆50底部，四个螺丝41分为两组，每组为两个相对设置的螺丝，如图2所示，其中一组设置在连接座40上部，另一组设置在连接座40下部，且两组螺丝位置彼此交叉，经过两组不同高度、不同位置的螺丝固定后，令刻度杆50与定位座30之间的连接更为稳固，而且便于拆卸。必须说明的是，连接座40设计为优选方式，根据需要也可以不采用连接座40而直接将刻度杆50固定在定位座30上，也可以采用焊接，铆接等其他非拆卸方式。具体的说，定位座套接在环刀顶端外壁上，如图3(a)所示，定位座底部内径比中上部内径大，形成台阶面，定位座底部内径应大于或等于环刀外径，定位座中上部内径小于环刀外径，这样能够在将环刀安装在定位座底部时限定环刀顶部的位置，提高安装效率。刻度杆50为中空套管，内部具有空腔，刻度杆50内设有推土杆60，推土杆60底部连接有推土栓61，推土杆60能够在刻度杆50内上下移动，由于钻头、环刀、定位座内均具有空腔且这些空腔与刻度杆内的空腔连通，因此推土杆60底部能够通过这些空腔伸入定位座、环刀、钻头内推土。推土杆60和刻度杆50能够通过固定装置连接，这样可以在需要推土时松开固定装置令推土杆能够上下移动，而在其他状态紧固固定装置令推土杆与刻度杆固定连接。

由于环刀20需要取出，并考虑到取土设备要能够适应不同容积的取土需要，因此取土设备中环刀20和钻头10均设计为可拆卸型。具体的说，如图2、图4所示，环刀20上部设有突出于环刀20表面的上立柱23，图中，上立柱23为三个，高度相同，并沿环刀20周边均匀分布，相应的，在定位座30底部也设有三个定位座卡口31，定位座卡口31呈L形，其中一部分31-1与定位座30边缘交接，便于上立柱23自交接处滑入定位座卡口31中，另一部分31-2与定位座30底面平行，并沿逆时针方向延伸一段距离，便于上立柱23进一步旋入固定。上立柱23的数量可以根据需要调整，应至少设置两个，三个则较为稳固且用材较少，定位座卡口31的数量与上立柱23相同、位置一一对应。优选的，定位座卡口31到定位座底部之间的垂直距离加上环刀上立柱到环刀顶部之间距离，与定位座底部内径较大部分的高度相等，便于安装。

环刀20下部还设有突出于环刀20表面的下立柱22，图5中，下立柱22为三个，高度相同，并沿环刀20周边均匀分布。相应的，如图4所示，在钻头10顶部也设有三个钻头卡口15，钻头卡口15呈L形，其中一部分与钻头10顶部边缘交接，便于下立柱22自交接处滑入钻头卡口15中，另一部分与钻头10顶面平行，并沿顺时针方向延伸一段距离，便于下立柱22进一步旋入固定。下立柱22的数量可以根据需要调整，应至少设置两个，三个则较为稳固且用材较少，钻头卡口15的数量与下立柱22相同、位置一一对应。立柱和卡口固定方式固定方式简单、稳定，当旋转方向正确时，完全没有松脱可能，且拆卸方便，钻头卡口15和定位座卡口31的延伸方向相反，当旋转钻土时，取土设备各部件之间连接稳固。但必须说明的是，立柱和卡口固定方式仅仅为本取土设备的一种优选示例，本领域内技术人员也可以采用其他可拆卸式结构来连接钻头10和环刀20，环刀20和定位座30，例如卡簧、卡槽、弹性凸起和凹槽等常规结构。

具体的说，钻头套接在环刀底端外壁上，如图5(a)所示，钻头顶部内径比中上部内径大，形成台阶面，钻头顶部内径应大于或等于环刀外径，钻头中下部内径小于环刀外径，这样能够在将钻头套接在环刀底部外壁时限定环刀底部的位置，提高安装效率。优选的，钻头卡口15到钻头顶部之间的垂直距离加上环刀下立柱到环刀底部之间的距离，与钻头顶部内径较大部分的高度相等，利于安装。钻头10底部设置有数个钻土切角11，图中，钻土切角11为3个，且沿钻头10周边均匀分布，切角内钻头内壁上设有刃口13，利于切削土壤，钻土切角11斜向设置，并连接有导土槽12，导土槽12设于钻头10外壁上，导土槽12便于将切口处多余的土壤导出，进一步利于钻头10对土壤的切削。本例中，钻土切角11向逆时针方向斜向延伸，这样旋转钻土时，钻土切角11设置利于钻头10迅速切入土壤，钻土切角11在钻头10表面的延伸方向与钻头卡口15在钻头10表面的延伸方向相反。

请参阅图5，环刀20中部具有环刀中心线21，该中心线为刻度零点位置，本例中，连接座40与定位座30交接处为刻度杆50刻度10cm处，这表示，连接座40与定位座30交接处在垂直方向上与环刀20中心线的距离为10cm，但这不应作为本发明的限制，环刀20高度、定位座30高度可能随着需要进行调整,因此连接座40与定位座30交接处所在刻度也可能改变。

如图3所示，在定位座30侧面设有上切土口32，便于伸入削土刀切断环刀20上端的土壤，显然，上切土口32的高度应高于环刀20上边缘或至少与环刀20上边缘相齐，图2中，上切土口32正好位于定位座卡口31上方，数量为三个，但这不应作为本发明的限制，我们可以根据需要调整上切土口32的位置和数量，但上切土口32应基本位于同一高度，便于切断土壤。在钻头10侧面设有下切土口14，便于伸入削土刀切断环刀20下端的土壤，下切土口14高度应低于环刀20下边缘或至少与环刀20上下缘相齐，同样的，下切土口14的位置和数量可以根据需要调整，但下切土口14应基本位于同一高度，便于切断土壤。

如图6所示，刻度杆50顶部具有刻度杆把手52，推土杆60顶部具有推土杆把手62，通过各自把手设计，可以方便地握持刻度杆50或推土杆60进行操作。由于推土杆60可在刻度杆50内滑动，连接推土杆60与刻度杆50的固定装置应是便于快速松开和固定的。本例中采用插拔销53与弹簧55、挡片54相配合作为固定装置，如图所示，固定装置包括固定在刻度杆把手52上的突柱51，突柱51内中空，刻度杆50上设有通孔，该通孔与突柱51连通，插拔销53插入中空突柱51内，插拔销53上设有弹簧55，弹簧55另一端设有挡片54，推土杆60上设有两个固定孔——上固定孔64和下固定孔63，两固定孔之间具有一定距离，当推土杆60上的固定孔与通孔相齐时，通过插拔销53插入通孔和固定孔中即可将推土杆60和刻度杆50固定在一起，当需要移动推土杆60的位置时，拔出插拔销53即可，操作极其方便。推土杆60底部连接有推土栓61，推土栓61优选为可拆卸的独立部件，可以根据需要选择不同大小，本例中推土栓61上设有螺孔，推土杆60底部具有与螺孔匹配的外螺纹，不同方向旋转即可安装或卸下推土栓61。推土栓直径较大，利于将设备内的土全部推出，考虑到推土栓需要在定位座、环刀、钻头中上下移动，因此推土栓的外径应略小于定位座、环刀、钻头的内径。当插拔销53伸入推土杆60下固定孔63时，此时推土栓61位于高位，即在定位座30之中，当插拔销53伸入推土杆60的上固定孔64时，推土栓61位于低位，即低于定位座30，这样在安装时便于连接推土栓61。

取土之前先要安装取土设备，首先根据需要采集土壤样品的容积大小，选择对应型号的定位座30、环刀20、钻头10、推土栓61。将定位座30与刻度杆50连接，通过连接座40上4个螺丝将定位座与刻度杆固定在一起。刻度杆中预先安装有推土杆，拔出刻度杆50把手52上的插拔销53，将推土杆60下压，推土杆末端螺杆部分露出定位座30底部，插入插拔销53固定推土杆60。将推土杆底部伸入推土栓61中心孔中旋紧连接。再拔出插拔销53，拉起推土杆60至下定位孔63时，插入插拔销53，固定推土杆60位置，此时推土杆位于定位座中。将环刀20通过定位座卡口31与定位座30固定，各环刀上立柱进入定位座卡口31中，固定后环刀上立柱位于定位座卡口31延伸部分末端，将环形钻头10通过钻头卡口15与环刀20固定，固定后环刀下立柱位于钻头卡口15延伸部分末端。

以下将详细阐述采用上述取土设备进行取土并测定土壤含水量的过程：

步骤一，标定标准容积干土重：

步骤1，使用3个相同容积的环刀，在同一土壤深度分别钻取3份土壤样品，取土过程如下：

步骤A，采用取土设备取土时，以土壤样品采集位置地面为标记，将取土设备钻头向下，令钻头尽量垂直于采集位置地面，钻头底部轻轻抵住地面，然后顺时针垂直缓慢旋转(前述顺时针方向的观察角度为从上至下观察，即从刻度杆50方向向钻头10方向观察，以下凡涉及到方向的均与此观察角度相同)取土设备，边旋转边下压，通过观察刻度杆上的刻度确定钻进深度位置。需要说明的是，上述顺时针旋转方向与钻头上的钻土切角延伸方向相关，由于钻土切角方向有可能随着需要进行变化，因此旋转方向也会相应改变，例如，当钻土切角延伸方向为顺时针方向时，钻土旋转应为逆时针方向。

步骤B，当环刀达到采集深度后，顺时针旋转提出取土设备。

步骤C，使用削土刀分别探进钻头和定位座的3个切土口，切断环刀上下两端附近的土壤。

步骤D，逆时针转动分别卸下钻头和环刀，使用削土刀削平环刀上下两端的土壤，完成一个深度土壤样品的采集。

此外，当土壤样品采集深度较大时，在取土过程中每钻进一段距离如5～10cm应提出取土设备，使用推土杆顶出钻头和环刀内的土壤后继续钻进，当钻孔深度达到预定深度时采用上述取土步骤采集土壤样品。

步骤2，将取得的土壤样品盖上环刀底盖和顶盖带回室内，把揭开顶盖的环刀放入烘箱中，烘箱温度应设置在105℃±2℃，持续恒温24h。若是黏性土壤可适当延长烘干时间约5-12小时，防止烘干不彻底。

步骤3，环刀及其内土壤样品烘干后取出，盖好顶盖放入干燥器中冷却至常温时称重，称重时在感量0.01g的天平上进行，记录环刀+干土+底盖+顶盖的重量，除去干土擦净环刀，再次称量环刀+底盖+顶盖的重量，两次称量数据差即为标准容积环刀内干土重。

步骤4，得到3个环刀干土重后，计算其平均值作为该墒情站标准容积的干土重w²。

步骤二，现场取土称重测量土壤含水量。

步骤1，采用取土设备，利用上述步骤A-D的方法在墒情站用环刀钻取相同容积的原状土，盖好底盖和顶盖。

步骤2，在取土现场使用电子天平称重，称重设备如图7所示，本步骤中使用的电子天平的最大称量2000g，感量不小于0.01g，电子天平带有220V电源适配器，由直流供电设备提供电源。

步骤3，将称重后重量减去已知的环刀+底盖+顶盖的重量，即得到湿土重w¹。

步骤4，采用以下公式计算土壤含水量：

式中：

ω——土壤重量含水量，百分数表示(％)；

w¹——湿土重量，单位为克(g)；

w²——干土重量，单位为克(g)。

相同土壤质地、相同容积的土壤重量含水量与湿土重量也可用下述公式表达：

这说明，在同一墒情站，土壤质地相同容积相同的土壤，其重量含水量即为同体积干土重量的倒数乘以湿土重量减1后乘以100％。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种现场测定土壤含水量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，标定标准容积干土重：

步骤1，使用若干个相同容积的环刀，在同一土壤深度分别钻取若干份土壤样品，取土过程如下：

步骤A，在采集位置地面处，将取土设备钻头向下令钻头底部接触地面，垂直缓慢旋转取土设备，边旋转边下压，通过观察刻度杆上的刻度确定钻进深度位置；

所述取土设备包括钻头、环刀、定位座、刻度杆，所述环刀可拆卸式地连接在定位座底部，所述钻头可拆卸式地连接在环刀底部，所述定位座连接在刻度杆底部，所述刻度杆、定位座、环刀、钻头内均具有空腔且彼此连通，刻度杆内设有推土杆，推土杆底部连接有推土栓，推土杆能够在空腔内上下移动，所述推土杆和刻度杆能够通过固定装置连接，所述钻头侧面设有若干下切土口，所述下切土口高度低于或等于环刀下边缘高度，所述定位座侧面设有若干上切土口，所述上切土口高度高于或等于环刀上边缘高度；

步骤B，当环刀达到采集深度后，旋转提出取土设备，所述旋转方向与步骤A取土设备旋转方向相同；

步骤C，使用削土刀分别探进钻头和定位座上的各切土口，切断环刀上下两端附近的土壤；

步骤D，分别旋转卸下钻头和环刀，使用削土刀削平环刀上下两端的土壤，完成一个深度土壤样品的采集，所述旋转方向与步骤A旋转方向相反；

步骤2，将取得的土壤样品盖上环刀底盖和顶盖带回室内，把揭开顶盖的环刀放入烘箱中烘干；

步骤3，取出烘干后的环刀及其内土壤样品，盖好顶盖放入干燥器中冷却至常温时称重，记录环刀+干土+底盖+顶盖的重量，除去干土擦净环刀，再次称量环刀+底盖+顶盖的重量，计算两次称量数据差得到标准容积环刀内干土重；

步骤4，通过步骤2-3得到步骤1中取出的所有环刀干土重后，计算其平均值作为该墒情站标准容积的干土重w₂；

步骤二，现场取土称重测量土壤含水量；

步骤1，采用取土设备，利用步骤A-D的方法在墒情站钻取相同容积的原状土，盖好底盖和顶盖；

步骤2，在取土现场使用电子天平称重；

步骤3，将称重后重量减去已知的环刀+底盖+顶盖的重量，得到湿土重w₁；

步骤4，采用以下公式计算土壤含水量：

式中：

ω——土壤重量含水量，百分数表示(％)；

w₁——湿土重量，单位为克(g)；

w₂——干土重量，单位为克(g)。

2.根据权利要求1所述的现场测定土壤含水量的方法，其特征在于：当土壤样品采集深度较大时，在取土过程中每钻进一段距离提出取土设备，使用推土杆顶出钻头和环刀内的土壤后继续钻进。

3.根据权利要求1或2所述的现场测定土壤含水量的方法，其特征在于：所述烘箱温度设置在105℃±2℃，持续恒温至少24h。

4.根据权利要求3所述的现场测定土壤含水量的方法，其特征在于：当土壤样品为黏性土壤时延长烘干时间。

5.根据权利要求1所述的现场测定土壤含水量的方法，其特征在于：所述环刀上部设有若干上立柱，所述定位座侧面底部设有用于容纳上立柱的定位座卡口，所述环刀下部设有若干下立柱，所述钻头侧面顶部设有用于容纳下立柱的钻头卡口，所述定位座卡口和钻头卡口方向相反。

6.根据权利要求1或5所述的现场测定土壤含水量的方法，其特征在于：所述钻头底部设有若干钻土切角。

7.根据权利要求6所述的现场测定土壤含水量的方法，其特征在于：所述钻土切角连接有导土槽。

8.根据权利要求1所述的现场测定土壤含水量的方法，其特征在于：所述推土杆上设有至少两个固定孔。

9.根据权利要求1或8所述的现场测定土壤含水量的方法，其特征在于：所述固定装置包括插拔销。