CN105572056A - 一种测量土壤含水特性的装置及方法 - Google Patents

一种测量土壤含水特性的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量土壤含水特性的装置，包括测量装置和样品平台；所述测量装置包括压土板和推力表，所述样品平台中部设有样品凹坑，所述测量装置通过所述压土板对所述样品凹坑内的样品施加压力以获取待分析样品。一种测量土壤含水特性的方法，包括以下操作步骤：(1)在田间用土钻或者铁锹选定深度进行取土，获取待处理土样；(2)将土样放入样品平台，通过测量装置施压，得到待分析样品；(3)根据待分析样品的形貌估算土壤的含水特性。本发明的有益效果为：方便测量土壤水分，判断土壤水分亏缺值的方法，简单省时，测定结果准确，使用者可以通过快速判断土壤水分含量和土壤水分亏缺值，决定灌溉措施，从而高效利用水分。

Description

一种测量土壤含水特性的装置及方法
技术领域
本发明属于测量水分含量领域，具体涉及一种测量土壤含水特性的装置及方法。
背景技术
在整个说明书中对于现有技术的任何讨论都不代表承认该现有技术是公知的或形成本领域中普通常识的一部分。
水分是一切作物赖以生存的基本条件，是土壤的一个重要组成部分，它影响土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而土壤的物理性质和养分的改变对农作物的生长影响极大，若土壤供给植物的水分不足，将会严重限制植物生长，影响其产量；相反，如果灌溉用水不断增加，必将激化水资源的供需矛盾，也必将会使水资源平衡问题进一步恶化，将成为农业可持续发展的障碍，此外，不合理的灌溉能引起土壤次生盐渍化问题。因此，通过研究土壤水分来制定灌溉计划，对于农业生产具有重要意义。
目前均用“土壤有效水含量×土壤亏缺百分比”来计算土壤水分亏缺值，但现有技术中测定土壤水分亏缺值需要先计算调查土壤有效水含量，误差较大；对于现有技术中对土壤水分测定方法目前分为两大类：
①测量土壤的基质势，包括张力计法、露点仪测定法和电阻法等。目前，张力计已成为测定土壤水势的常规仪器，张力法是根据负压管的负压与土壤吸力呈对应关系的原理，操作简单，可对原位土壤长期监测，观测成本也较低，但该方法受温度影响大，而且在土壤含水量低时容易失效；负压管中的水进入土壤会带来误差；具有滞后效应，不能及时反映土壤水分状况。
②直接测量土壤的含水量，包括质量含水量和体积含水量，常规方法有(1)烘干法：烘干法一直被认为是最经典、准确的方法，是其他方法的基准。该方法用烘箱对土壤进行烘干、用天平测量后，可直接计算出土壤重量含水量，而且成本也低，但烘干法为人工操作，费时费力；需要取土扰动测定点的土壤，不利用原位连续测定；(2)中子水分仪测定法：该方法用中子水分仪进行定位监测，可对原位土壤进行连续测定，不受土壤水状态影响，测定数据准确性较高，不用破坏土壤，是测定土壤水分准确、快捷的一种方法，但该方法测定的慢中子数有赖于标准曲线转化成含水率，标定过程会带来误差；仪器有放射危害；(3)时域反射仪(TDR)测定法：TDR法快速、准确，可对原位土壤进行连续自动监测，但TDR法的测定值需要矫正，并且仪器价格昂贵；(4)γ射线法：该方法测量土壤水分快速、准确，可对土壤进行连续的自动监测，但该方法的测定值受土壤干重影响大，仅适用于实验室测定。
现有的测定土壤含水量最准确的方法是烘干法，也是与本申请提案最接近的技术。烘干法需要在田间选定地点取土，用土盒带到实验室进行至少24小时105℃的烘干，然后还要用天平称重，才能计算出重量含水量。生产中一般要用到土壤容积含水量，而容积含水量＝重量含水量×土壤容重，还需要测量土壤容重才能计算出容积含水量；国际上最通用的表示土壤含水量的方法是将一定深度土层中的含水量换算成水层深度的mm表示，计算公式为：水层厚度(mm)＝土层厚度(mm)×土壤容积含水量。
由于大面积范围实时土壤水分监测却是公认的难题，以上常规测量土壤水分的方法，有的费时，有的费力，还有的测量深度不够。同时，对于大部分农民来说，用常规的测量土壤水分方法来决定田间灌溉量很不方便，过度灌水和灌水不足的现象依然很严重。
发明内容
针对数值最准确的烘干法测定土壤含水量所存在的问题，本发明提供了一种方便测量土壤水分，判断土壤水分亏缺值的方法，简单省时，测定结果准确，使用者可以通过快速判断土壤水分含量和土壤水分亏缺值，决定灌溉措施，从而高效利用水分。
本发明所采用的技术方案为：
一种测量土壤含水特性的装置，包括测量装置和样品平台2；
所述测量装置包括压土板4和推力表1，所述推力表1包括表盘3及中心轴6，所述中心轴6一端连接所述表盘3，另一端竖直固定在所述压土板4上；
所述样品平台2中部设有样品凹坑5，所述测量装置通过所述压土板4对所述样品凹坑5内的样品施加压力以获取待分析样品。
所述压土板4上设有旋转接头7，所述旋转接头7与所述中心轴6旋接，以固定所述推力表1和压土板4。
所述压土板4及样品平台2均为长方体，所述压土板的长为20cm，宽为20cm，厚为2cm，所述样品平台的长为20cm，宽为20cm，厚为5cm。
所述样品凹坑(5)为半球形，其半径为4cm。
所述样品平台2为电木。
电木的化学名称叫酚醛塑料，它具有较高的机械强度、良好的绝缘性，耐热、耐腐蚀、不吸水、不导电、耐高温，原料来源丰富，合成工艺简单，价格便宜。
所述表盘3为指针表盘或数字表盘。
一种测量土壤含水特性的方法，包括以下操作步骤：
(1)在田间用土钻或者铁锹选定深度进行取土，获取待处理土样并判断土壤质地，分析土壤有效含水量；
土壤有效含水量也称土壤有效持水量(AvailableWater-holdingCapacity，简称AWC)，是指土壤中能被植物根系吸收的水分含量，通常是田间持水量(FieldCapacity，简称FC)和凋萎湿度(PermanentWiltingPoint，简称PWP)间的水分含量，目前尚无直接测量土壤有效含水量的方法，有效含水量主要是通过间接测量田间持水量以及凋萎湿度计算或者利用经验模型计算获得。由于测量田间持水量和凋萎湿度需要耗费大量的人力、物力、财力以及时间，人们多期望通过分析土壤有效含水量与其他理化性质之间相关性，建立经验模型来计算获得。根据中国不同地区，不同土壤类型和不同的剖面变化，白致威等基于统计方法建立了利用常规土壤理化性质计算AWC的线性回归式和非线性回归式：
线性拟合(回归式)：
AWC＝-20.359+25.730×DB+2.223×OM；R2＝0.643；P<0.001；
非线性拟合(回归式)：
AWC＝-80.227+96.749×DB-27.734×DB2+0.757×clay-0.009×clay2+3.328×OM-0.200×OM2；R2＝0.782；P<0.001；
注：公式中clay为砂粒含量(g/100g)，DB为土壤容重(g/cm3)，OM为土壤有机质含量(g/100g)。
上述模型的预测精度经验证为78.2％，此模型来自参考文献:白致威,段兴武,丁剑宏,刘刚,师小宁,冯德泰,韩絮.土壤有效含水量的经验估算模型─以黑土为例[J].中国农学通报,2015,31(20):153-159.
本申请根据上述模型通过大量实验计算不同土壤质地的土壤有效含水量，根据公式：土壤水分亏缺值＝土壤有效含水量*水分亏缺百分比，计算出土壤水分亏缺值并记录下各个待分析样品的形貌，将不同形貌的待分析样品与土壤有效含水量、土壤水分亏缺值、水分亏缺百分比一一对照，制定出土壤含水量状况的参考值判断表(见表2)，并作为后续土壤含水量百分比和水分亏缺值的分析依据。
(2)将待处理土样填充至样品凹坑5内；
(3)将测量装置竖直向下均匀用力推压样品平台2上的待处理土样，当推力表1的表盘3显示35N时，停止用力；
(4)翻转样品平台2，将土样倒扣在平板上，得到半球形待分析样品；
(5)观察半球形待分析样品的湿度和坚实度以及所述样品凹坑(5)上的水迹和散土情况即可估算出土壤含水量百分比和土壤水亏缺值；
(6)重复上述步骤3次以上，求取平均值。
步骤(2)中所述待处理土样的填充为充满所述样品凹坑5且高出所述样品平台2，0.9-1.1cm。
本发明的有益效果为：与最接近的烘干法相比，本发明结构简单，操作方便，短时间内即可得到准确数值，不需要烘干土样和测量土壤容重，根据24小时后的实验数据计算后才得到结果。只需要用土钻或者铁锹在田间取不同深度的土，利用本发明操作得到样品后并对比土壤含水量状况表来判断土壤有效含水量和水分亏缺值，简单省时，测定结果准确，使用者可以通过快速判断土壤水分含量和土壤水分亏缺值，决定灌溉措施，从而高效利用水分。
附图说明
图1是本发明测量土壤含水特性装置的结构示意图。
图中：1、推力表；2、样品平台；3、表盘；4、压土板；5、样品凹坑；6、中心轴；7、旋转接头。
具体实施方式
下面给出本发明的4个具体实施例，通过实施例对本发明进行具体描述。有必要此指出的是，本发明不局限于下述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种测量土壤含水特性的装置，包括测量装置和样品平台2；所述测量装置包括压土板4和推力表1，所述推力表1包括表盘3及中心轴6，所述中心轴6一端连接所述表盘3，另一端竖直固定在所述压土板4上；所述样品平台2中部设有样品凹坑5，所述测量装置通过所述压土板4对所述样品凹坑5内的样品施加压力以获取待分析样品。
所述压土板4上设有旋转接头7，所述旋转接头7与所述中心轴6旋接，以固定所述推力表1和压土板4。
所述压土板4及样品平台2均为长方体，所述压土板的长为20cm，宽为20cm，厚为2cm，所述样品平台的长为20cm，宽为20cm，厚为5cm。所述样品凹坑(5)为半球形，其半径为4cm，所述表盘3为指针表盘。
本测量土壤含水特性装置结构简单，易操作，体积小，易于携带，通过推力表控制对待分析样品施加的压力，提高了测定的精准度，快捷、高效、成本低，便于推广生产。
采用上述装置测量土壤含水特性，包括以下操作步骤：
(1)在中等粗质地(粗砂壤、细砂壤)的田间用土钻或者铁锹选定深度为150mm的土壤进行取土，根区范围为0-300mm，获取待处理土样，判断土壤质地，分析土壤有效含水量；
土样可在相同的土地区域，不同的深度多次选取测定，以便能够代表土壤水分实际状况。
(2)将待处理土样填充至样品凹坑5内，待处理土样的填充为充满样品凹坑5且高出样品平台0.9cm；
待处理土样所高出样品平台0.9-1.1cm的土样为倒锥形，首先确定待处理土样的体积一致，其次高出样品平台是为了使压土板可以对待处理土样施压，少于0.9cm则施压不完全，多于1.1cm则土样的体积难以控制。
(3)将测量装置竖直向下均匀用力推压样品平台2上的待处理土样，当推力表的表盘3显示35N时，停止用力；
利用测量装置对土样进行施压，土样最终受力均为35N，可保证待分析样品前期处理条件一致，减少估算误差。
(4)翻转样品平台2，将土样倒扣在平板上，得到半球形待分析样品；
(5)观察半球形待分析样品的湿度和坚实度以及所述样品凹坑(5)上的水迹和散土情况即可估算出土壤含水量百分比和土壤水亏缺值。
具体的操作步骤为：在田间用土钻取有代表性的新鲜土样，刮去土钻中的上部浮土，将土钻中部所需深度处的土壤，约20g，捏碎后观察土壤质地，根据表分析土壤有效含水量，然后迅速装入样品平台2的样品凹坑5内(或先将深色薄膜置于样品凹坑5内再填充待处理土样)，待处理土样充满样品凹坑5且高出样品平台2，0.9cm，将其带回室内，将样品平台2上擦拭干净，将测量装置竖直向下均匀用力推压样品平台2上的待处理土样，当推力表的表盘3显示35N时，停止用力；然后翻转样品平台2，将土样倒扣在硬塑料平板上，得到半球形待分析样品；观察半球形待分析样品的土壤质地，坚实、粗糙情况，水迹情况，松散土壤颗粒情况，及待处理样品与水沾在所述样品凹坑5上的情况，估计土壤含水量百分比和土壤水亏缺值。
观察结果为：半球形待分析样品轻微潮湿，形成一个弱的半球；深色，凹坑内壁没有水痕，土壤颗粒没有沾在凹坑内壁上。
对照表2即可得出本实施例土壤有效含水量的范围值为：33-43mm；土壤含水量百分比为：25-50％；土壤亏缺值为：33-18mm。
实施例2:
与实施例1不同的是，所述表盘3为数字表盘。
待处理样品取自450米深度的中等粗质地(粗砂壤、细砂壤)的土壤，根区范围为300-600mm，步骤2中待处理土样的填充为充满样品凹坑5且高出样品平台1.0cm。
观察结果为：半球形待分析样品轻微潮湿，形成一个弱的半球；深色，凹坑内壁没有水痕，土壤颗粒没有沾在凹坑内壁上。
对照表2即可得出本实施例土壤有效含水量的范围值为：33-43mm；土壤含水量百分比为：25-50％；土壤亏缺值为：33-18mm。
实施例3:
与实施例1不同的是，样品平台为电木，电木的化学名称叫酚醛塑料，它具有较高的机械强度、良好的绝缘性，耐热、耐腐蚀、不吸水、不导电、耐高温，原料来源丰富，合成工艺简单，价格便宜。
待处理样品取自750米深度的中等粗质地(粗砂壤、细砂壤)的土壤，根区范围为600-900mm；
观察结果为：半球形待分析样品潮湿，可形成一个半球，凹坑内壁沾有很少的水，深色。
对照表2即可得出本实施例土壤有效含水量的范围值为：38-53mm；土壤含水量百分比为：50-75％；土壤亏缺值为：28-10mm。
实施例4:
与实施例1不同的是，待处理样品取自1050米深度的中等粗质地(粗砂壤、细砂壤)的土壤，根区范围为900-1200mm。
观察结果为：半球形待分析样品潮湿，可形成一个半球，凹坑内壁沾有很少的水，深色。
对照表2即可得出本实施例土壤有效含水量的范围值为：38-53mm；土壤含水量百分比为：50-75％；土壤亏缺值为：28-10mm。
虽然现有的测定土壤含水量最准确的方法是烘干法，也是与本申请提案最接近的技术，但是烘干法需要在田间选定地点取土，用土盒带到实验室进行至少24小时105℃的烘干，然后还要用天平称重，才能计算出重量含水量。生产中一般要用到土壤容积含水量，而容积含水量＝重量含水量×土壤容重，还需要测量土壤容重才能计算出容积含水量；国际上最通用的表示土壤含水量的方法是将一定深度土层中的含水量换算成水层深度的mm表示，计算公式为：水层厚度(mm)＝土层厚度(mm)×土壤容积含水量，这个过程十分繁琐，仅用来检测本发明的准确度。
下面应用烘干法对本发明的结果的准确度进行验证，因为现有的测定土壤含水量最准确的方法是烘干法，也是与本申请提案最接近的技术。但烘干法需要在田间选定地点取土，用土盒带到实验室进行至少24小时105℃的烘干，然后还要用天平称重，才能计算出重量含水量，生产中一般要用到土壤容积含水量，而容积含水量＝重量含水量×土壤容重，还需要测量土壤容重才能计算出容积含水量；国际上最通用的表示土壤含水量的方法是将一定深度土层中的含水量换算成水层深度的mm表示，计算公式为：水层厚度(mm)＝土层厚度(mm)×土壤容积含水量，较为麻烦。
根据上述150mm、450mm、750mm和1050mm四个不同深度的棉区土壤，每个深度均选取3个样品，每个样点每层土壤深度分别应用本发明和烘干法进行土壤有效含水量和土壤水分亏缺值的平均值，根据上述四个实施例中各个半球形的湿度、坚实度和所述样品凹坑(5)上的水迹和散土情况结合表2得出土壤有效含水量及土壤水分亏缺值，并用烘干法来验证本发明结果的准确性。
参照上述土壤水量状况的参考值表格及烘干法，得出测定结果如表1所示：
对照表2得出表1的结果，由表1可以看出，利用烘干法得到的根区土壤有效含水量、土壤水分亏缺值均落在本发明的估算范围值之内，利用本发明的装置操作得到样品后并对比土壤含水量状况表来判断土壤含水量和水分亏缺值，简单省时，测定结果准确，使用者可以通过快速判断土壤水分含量和土壤水分亏缺值，决定灌溉措施，从而高效利用水分。
表1
土壤含水量状况的参考值判断表：
表2。

Claims (8)

1.一种测量土壤含水特性的装置，其特征在于：包括测量装置和样品平台；
所述测量装置包括压土板(4)和推力表(1)，所述推力表(1)包括表盘(3)及中心轴(6)，所述中心轴(6)一端连接所述表盘(3)，另一端竖直固定在所述压土板(4)上；
所述样品平台(2)中部设有样品凹坑(5)，所述测量装置通过所述压土板(4)对所述样品凹坑(5)内的样品施加压力以获取待分析样品。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述压土板(4)上设有旋转接头(7)，所述旋转接头(7)与所述中心轴(6)旋接，以固定所述推力表(1)和压土板(4)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述压土板(4)及样品平台(2)均为长方体，所述压土板的长为20cm，宽为20cm，厚为2cm，所述样品平台的长为20cm，宽为20cm，厚为5cm。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述样品凹坑(5)为半球形，其半径为4cm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述表盘(3)为指针表盘或数字表盘。
6.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述样品平台(2)为电木。
7.一种测量土壤含水特性的方法，包括以下操作步骤：
(1)在田间用土钻或者铁锹选定深度进行取土，获取待处理土样；
(2)将待处理土样填充至样品凹坑(5)内；
(3)将测量装置竖直向下均匀用力推压样品平台(2)上的待处理土样，当推力表的表盘(5)显示35N时，停止用力；
(4)翻转样品平台(2)，将土样倒扣在平板上，得到半球形待分析样品；
(5)观察半球形待分析样品的湿度和坚实度以及所述样品凹坑(5)上的水迹和散土情况即可估算出土壤有效含水量和土壤水亏缺值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述待处理土样的填充为充满所述样品凹坑(5)且高出所述样品平台(2)0.9-1.1cm。
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