CN107741391A - 一种测量土壤孔隙率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量土壤孔隙率的方法，包括以下步骤：（1）选取测量土壤表面不同采样点（2）建立土壤孔隙度与电阻率的模型（3）测量当前土壤不同饱和度和孔隙度试验进行电阻率测试，对孔隙度与电阻率模型参数进行标定（4）测量土壤电阻率，通过孔隙度和电阻率模型得到当前土壤的孔隙度。该方法与取样测试相比，最大限度的保证了土壤不被破坏，保证了孔隙度测量的准确性。该方法可以在采样测量过程中不必破坏土壤原有结构，这可以最大限度地保留土壤的原始密度、含水量等要素，从根本上减少测量误差，另外，该方法操作简单，测量周期短，能满足工程中对于土壤孔隙度前后变化的检测需求。
Description
技术领域
本发明涉及农业工程领域，更具体的，涉及一种测量土壤孔隙率的方法领域。
背景技术
土壤孔隙度指的是土壤中除固体所占空间以外部分在总体中的比值，孔隙度的大小与土壤类型、质地、有机质含量有关，对土壤保水、营养成分转换、植物根系生长等有重要影响，研究表明深松土壤，打破土壤犁底层，使犁底层的土壤得到松动，调节土壤三相比，高土壤的孔隙度和透水、透气性能，少水土流失，利于农业生态环境保护，对提高农作物产量，尤其是深根系作物有非常显著的作用。
传统测量土壤孔隙度的方法有三种，即气压比重法、吸水法、容重换算法。
其中气压比重法是利用boyle-Mariotteshen定理。即用标准环刀选取土壤样本后，置于105℃烘干箱中24小时，随后送入气压比重计的气囊中抽气，将抽出的气体与大气压强之差在玻璃管连通器中直接显示，可转换为孔隙率。
容重换算法：即孔隙度=（1-土壤容重/土粒密度）*100%。该方法在确定土粒密度时较为费工费时。
吸水法，首先用环刀取样本土壤与环刀一起放置在含水的容器内，水位不高于环刀高度，经24小时浸泡后，进行称重，然后放在105℃烘箱中24小时，烘干图样再次称重可得容积饱和含水率。因为水的比重为1，故容积饱和含水率理论上直接等于孔隙率。
这三种方法不同程度地存在缺点，首先，在用环刀等工具进行土样选取过程中一定程度会破坏土壤的原始状态，尤其在深耕层取样；其次，测量周期较长，实时性不好。这些都会影响测试结果的准确性。
电阻率即是用来表示各种物质电阻特性的物理量，单位是Ω·m，利用温纳电阻率法，测得深松前后土壤中各测试点的土壤电阻率，研究表明土壤电阻率本身包含了反映土壤品质与物理性质的丰富信息，研究表明电阻率与土壤孔隙度之间可以建立数学关系，土壤里的电流传导是由潮气通过土壤微粒之间小孔而产生的。土壤的孔隙度越大，电阻率越小；粘土含量高的土壤要比沙质土壤有更高的孔隙度。利用电阻率与土体物理状态参数的定量关系来表征和测量某一物理特性，是一种无损、多维、多尺度的实时测量方法。研究表明，通过电阻率孔隙度模型可以较好的解决现有测量土壤孔隙度的方法中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量土壤孔隙率的方法，从而解决现有测量土壤孔隙度的方法中存在的破坏土壤原始状态、测量周期长等问题，提高测量结果的准确度，满足工程中对于土壤孔隙度前后变化的检测需求。
为实现上述目的，本发明提供一种通过测量土壤电阻率、含水率等指标，确定土壤孔隙的方法，该方法包含以下步骤：
1.一种测量土壤孔隙率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1. 测定样本土壤孔隙度，采用温纳法测量土壤电阻率，其中电阻率测量的公式为。其中为四极电阻中两测量点之间的电位差，I为正负极之间的电流，Am、An、Bm、Bn为两测量点分别距离两电源之间的距离；
S2. 建立土壤孔隙度与电阻率关系模型的计算公式，，式中φ为土壤孔隙度；Sr为土壤饱和度，%；K为与土壤特性有关的常数：m和n分别为模型待定常数；
S3. 测量采样土壤不同饱和度和孔隙度与电阻率的关系，通过测量样本土壤的孔隙度，饱和度，电阻率等参数从而对公式进行标定，确定m、n、K的值；
S4. 测量被测土壤的电阻率，饱和度指标，得到当前土壤孔隙度的值，根据公式，将步骤S3中的m、n、k参数及电阻率带入公式，求出土壤孔隙度。
采用本发明所述的土壤孔隙率的方法可以在采样测量过程中不必破坏土壤原有结构，这可以最大限度地保留土壤的原始密度、含水量等要素，从根本上减少测量误差，另外，该方法操作简单，测量周期短，能满足工程中对于土壤孔隙度前后变化的检测需求。
附图说明
图1为采用温纳法测量土壤电阻率的测试点与电源之间的位置关系示意图。
图2为该测量方法的流程图。
图中，A和B为电源、M和N为测量点。
具体实施方式
以下为本发明的较佳实施方式，但并不因此而限定本发明的保护范围。
如图所示，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因传统方法在测量土壤孔隙度时，存在破坏土壤原始状态的情况，影响测量精度。本发明适合测量在土壤深松前后土壤孔隙度的变化情况；包括。
S1，取土壤样本，一般选取至少400mm×400mm以上的土壤样本。
S2，利用温纳法，测量土壤电阻率，设置电源AB、并在土壤样本上选取两点M、N作为测试点。通常温纳法的四个电极距离选为等距离，以方便计算，其原理如下公式所示
M点的电位为，其中UM为M点的电位，AM为测量点M点到电源A的距离，BM为测量点M到电源B的距离，I为点电流源电流，ρ为电阻率；
N点的电位为，其中UN为N点的电位，AN为测量点Ｎ点到电源A的距离，BＮ为测量点N到电源B的距离，I为点电流源电流，ρ为电阻率；
由此得出，MN之间的电位差其中为测量点MN 之间的电位差；
则电阻率的公式为：
式中k为电极排列系数。k=2π·a， a为相邻电极间的间距；
式中k为电极排列系数。k=2π·a， a为相邻电极间的间距；
其中为四极电阻中测量点M和N之间的电位差，I为正负极之间的电流，AN为测量点N点到电源A的距离，BN为测量点N点到电源B的距离。
S3，利用阿尔奇建立的土壤电阻率模型：
其中φ为土壤孔隙度；W为土壤含水率；e为土粒密度，通常取2.65g/cm3，K为与土壤特性有关的常数：m和n分别为模型待定常数。
S4，利用土壤水分测试设备、比重测试设备测量土壤的含水率、土粒密度，并存储记录。
S5，通过测试土壤孔隙度，土壤含水率，对孔隙度与电阻率模型参数进行标定，通过回归分析，确定m，n，K的值，确定样本土壤的土壤孔隙度—电阻率模型。
S6，通过四级电阻法测量土壤电阻率ρ，即可得到当前土壤孔隙度φ的大小。
本发明涉及的测量土壤孔隙率的方法，通过测量土壤的电阻率饱和度等指标，来确定土壤孔隙度的变化情况，主要应用于评价深松机、深耕犁等松土设备在使用前后对土壤孔隙度的影响水平。采用方法可以在采样测量过程中不必破坏土壤原有结构，这可以最大限度地保留土壤的原始密度、含水量等要素，从根本上减少测量误差，另外，该方法操作简单，测量周期短，能满足工程中对于土壤孔隙度前后变化的检测需求。
以上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 (1)
1.一种测量土壤孔隙率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1. 测定样本土壤孔隙度，采用温纳法测量土壤电阻率，其中电阻率测量的公式为；其中为四极电阻中两测量点之间的电位差，I为正负极之间的电流，Am、An、Bm、Bn为两测量点分别距离两电源之间的距离；
S2. 建立土壤孔隙度与电阻率关系模型的计算公式，，式中φ为土壤孔隙度；Sr为土壤饱和度，%；K为与土壤特性有关的常数：m和n分别为模型待定常数；
S3. 测量采样土壤不同饱和度和孔隙度与电阻率的关系，通过测量样本土壤的孔隙度，饱和度，电阻率等参数从而对公式进行标定，确定m、n、K的值；
S4. 测量被测土壤的电阻率，饱和度指标，得到当前土壤孔隙度的值，根据公式，将步骤S3中的m、n、k参数及电阻率带入公式，求出土壤孔隙度。
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