CN111610131A - 一种土壤孔隙度无损测定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤孔隙度无损测定装置及其方法，第一玻璃容器和第二玻璃容器通过连通管相连通；第一玻璃容器上设有第一气压计、玻璃箱门和第一气孔，第一气孔通过第一橡胶真空泵管与外部的抽气泵连接，第一橡胶真空泵管上设有第一蝶阀；第二玻璃容器上设有第二气压计和第二气孔，第二气孔通过第二橡胶真空泵管与外部的抽气泵连接，第二橡胶真空泵管上设有第三蝶阀。本测定方法以克拉珀龙气体方程为基本原理，仅需气压计测得的压力进行公式换算即可得出孔隙度。本测定装置主要考虑容器的密封性和材料的热胀冷缩特性，具有构造简单、材料易寻、价格较低、操作简便的优势，可实现对任意形状的土壤样品在无损性的情况下连续测定，且结果可靠。

Description

一种土壤孔隙度无损测定装置及其方法

技术领域

本发明属于土壤实验装置技术领域，具体涉及一种土壤孔隙度无损测定装置及其方法。

背景技术

土壤中土粒或团聚体之间以及团聚体内部的空隙叫做土壤孔隙，它是容纳水分和空气的空间，是物质和能量交换的场所，也是植物根系伸展和土壤动物、微生物活动的地方。土壤孔隙度是指单位容积土壤中孔隙容积占整个土体容积的百分数，代表土壤中各种大小孔隙度的总和。土壤孔隙度不仅是评价土壤质量的重要指标之一，可以指导农业生产、植树造林等绿化工程实施等，还可用于测量和模拟土壤水力状态等性质。因此，准确便捷地测定土壤孔隙度具有十分重要的意义和作用。

目前测定土壤孔隙度的方法主要有传统实验法、现代物理学方法、图像分析法方法等，各种方法均有各自的优点和不足。

传统实验法主要以环刀法、蜡封法为代表。对于环刀法而言，测定工具简单易得，操作简便，但其结果的准确性受以下因素的影响。一是环刀取样得到土壤样品的规则性，实际计算中用环刀的体积代表土样的体积存在一定的误差；二是假设饱和水和毛管水各个部分的密度均为1.0g cm-3，但束缚水的密度通常大于1.0g cm-3，且在贴近土粒处可高达1.71g cm-3；三是土壤比重值一般采用常用值2.65g cm-3，但土壤比重一般在2.60-2.80gcm-3之间。因此，环刀法测得的土壤孔隙度在精度上存在不足。蜡封法一般用于测定一些不适用环刀取样的呈不规则形状的坚硬和易碎土壤的孔隙度，该方法的精度受土壤容重测定精度及土壤比重值的影响。一是测量过程中存在石蜡包裹不完全和石蜡填充孔隙等问题；二是计算过程中，土壤比重值一般采用常用值2.65g cm-3，和实际情况存在一定的差异；三是对于小团聚体(7～1mm)孔隙度测定的适用性有待考证。因此，蜡封法测定土壤孔隙度的结果也存在一定偏差。

总体而言，传统实验法通过对提取的样品进行实验室测试来获得孔隙度，其具有操作简单的优势，但测定结果受取样过程和计算过程参数的影响。

现代物理学方法包括温纳电阻率法、吸声测量法和热脉冲－时域反射技术原位测定法等，使用的仪器较为先进，价格也较为昂贵。温纳电阻率法需对土壤孔隙度和电阻率模型参数进行标定，即通过对已知饱和度和孔隙度的土壤进行电阻率测定，通过回归分析确定土壤电阻率与孔隙度计算公式的待定系数和常数，建立计算模型，该方法测定结果的准确度受限于所构建计算模型的精度。吸声测量法利用土壤具有的高吸声性能，通过统计分析，可用土壤平均吸声系数和体积湿度的函数来测定孔隙度，但是否适用于不同类型的土壤还有待考量，此外，考虑到不同样品厚度的吸声系数不同，需要重新建立函数也比较麻烦。热脉冲－时域反射技术原位测定法可实现原位动态监测，但测量精度受到多种因素影响，探针间距和加热过程中能量大小的不确定性是误差的最主要来源，尤其是探针入土时的摆动会导致探针间距变化而影响测定结果。

图像分析方法主要有应用SFS算法恢复土壤显微图像的三维结构测定法等。该方法可以较为客观准确地计算出土壤孔隙度，但是对设备要求较高，且所得显微图像灰度阈值的选取没有理想算法，一般凭借研究人员的经验，没有通用的标准。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤孔隙度无损测定装置及其方法，实现无损情况下对任意形状土壤样品进行孔隙度测定，且测定方法操作简单，所需装置容易获取，计算过程没有不确定参数。

本发明通过以下具体技术方案实现土壤孔隙度的测定：

本发明提供的一种土壤孔隙度无损测定装置具体结构为：一种土壤孔隙度无损测定装置，其包括第一玻璃容器，第二玻璃容器和连通管，所述第一玻璃容器和第二玻璃容器均放置在支撑板上，均为密封独立的玻璃容器，第一玻璃容器和第二玻璃容器之间通过连通管相连通，连通管上设有第二蝶阀；所述第一玻璃容器上设有第一气压计、玻璃箱门和第一气孔，所述玻璃箱门与第一玻璃容器的连接处均匀嵌入硅橡胶用于密封，所述第一气孔通过第一橡胶真空泵管与外部的抽气泵连接，所述第一橡胶真空泵管上设有第一蝶阀；所述第二玻璃容器上设有第二气压计和第二气孔，所述第二气孔通过第二橡胶真空泵管与外部的抽气泵连接，所述第二橡胶真空泵管上设有第三蝶阀。

作为优选，所述第一玻璃容器的体积为第二玻璃容器体积的一半。

作为优选，所述连通管为PVC材质。

作为优选，所述支撑板为塑料材质。

作为优选，所述玻璃箱门上还装有箱门手柄。

使用上述土壤孔隙度无损测定装置测定土壤孔隙度的方法包括以下步骤：

S1：先关闭第二蝶阀，将第一玻璃容器通过第一蝶阀用外加的抽气泵抽成真空后，关闭第一蝶阀，等第二气压计与外界大气压保持一致时关闭第三蝶阀，此时读取第二玻璃容器上第二气压计的压力读数P₀₁，接着打开第二蝶阀，当第一气压计和第二气压计稳定且读数相同时，读取平衡压力P₁；

S2：将风干后的原状土样平放在滤纸上，并一同放入第一玻璃容器中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器和第二玻璃容器连通前第二玻璃容器的压力P₀₂和连通后的平衡压力P₂；

S3：将烘干后的原状土样平放在滤纸上，用凝固液体立即紧贴着原状土样表面均匀密封，以确保密封性，待凝固液体裹挟着原状土样凝固成固体后，将该凝成的固体连同滤纸一同放入第一玻璃容器中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器和第二玻璃容器连通前第二玻璃容器的压力P₀₃和连通后的平衡压力P₃；

S4：将凝固液体凝成的固体从原状土样表面剥离后平放在滤纸上，将凝固液体凝成的固体擦净干燥，连同滤纸一同放入第一玻璃容器中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器和第二玻璃容器连通前第二玻璃容器的压力P₀₄和连通后的平衡压力P₄；

S5：通过如下公式计算土壤孔隙度

作为优选，所述凝固液体是无流动性的液体，不会流入土样内部。

进一步的，所述凝固液体为琼脂凝胶、磷酸锌水门汀胶状物和熟石膏浆状物中的一种。

本发明不仅可以避开传统实验法的缺陷，且仅需气压计测得的压力即可求得孔隙度，而且任意形状的土壤样品都可以在该容器中测定。所需的大部分材料构造简单、费用较低，只需外加凝固液体和抽气泵，维修成本低、使用时间长、无二次污染，并且可以连续测定多个土壤样品的孔隙度。

附图说明

图1是本发明测定装置的构成示意图。

图中附图标记为：第一玻璃容器1，第二玻璃容器2，第一气压计3，第二气压计4，连通管5，硅橡胶6，玻璃箱门7，箱门手柄8，支撑板9，第一蝶阀10，第一橡胶真空泵管11，第二蝶阀12，第三蝶阀13，第二橡胶真空泵管14。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的土壤孔隙度无损测定装置包括第一玻璃容器1，第二玻璃容器2和连通管5，第一玻璃容器1和第二玻璃容器2均放置在支撑板9上，均为密封独立的玻璃容器，第一玻璃容器1和第二玻璃容器2之间通过连通管5相连通，连通管5上设有第二蝶阀12。其中，连通管5可以为PVC材质，支撑板9可以为塑料材质。

第一玻璃容器1上设有第一气压计3、玻璃箱门7和第一气孔，玻璃箱门7与第一玻璃容器1的连接处均匀嵌入硅橡胶6用于密封，第一气孔通过第一橡胶真空泵管11与外部的抽气泵连接，第一橡胶真空泵管11上设有第一蝶阀10。玻璃箱门7上还装有箱门手柄8，以方便开启和闭合玻璃箱门7。

第二玻璃容器2上设有第二气压计4和第二气孔，第二气孔通过第二橡胶真空泵管14与外部的抽气泵连接，第二橡胶真空泵管14上设有第三蝶阀13。

为了确保气体能够均匀布满整个容器，第一玻璃容器1的体积为第二玻璃容器2体积的一半。由于玻璃的热膨胀系数较小，在通常测量的自然条件下几乎没有形状变化，可以忽略不计，因此采用玻璃容器，可以使等温膨胀顺利进行。玻璃容器均放在支撑板上便于移动且不易破碎，每次测定一个土壤样品时，应先在第一玻璃容器1中放置合适大小的细薄滤纸，该滤纸的体积可以忽略不计。玻璃箱门7边缘应均匀嵌入硅橡胶6以保证第一玻璃容器1的密封性。

此外，测定第一玻璃容器1和第二玻璃容器2连通前压力数值时，应使第二气压计4稳定后再读取；测定第一玻璃容器1和第二玻璃容器2连通后压力数值时，应使第一气压计3和第二气压计4均稳定且一致后再读取。

土壤孔隙度无损测定装置的测定方法步骤及工作原理如下：

土壤孔隙度无损测定装置的测定方法步骤为：

S1：先关闭第二蝶阀12，将第一玻璃容器1通过第一蝶阀10用外加的抽气泵抽成真空后，关闭第一蝶阀10，等第二气压计4与外界大气压保持一致时关闭第三蝶阀13，此时读取第二玻璃容器2上第二气压计4的压力读数P₀₁，接着打开第二蝶阀12，当第一气压计3和第二气压计4稳定且读数相同时，读取平衡压力P₁。

S2：将风干后的原状土样平放在滤纸上，并一同放入第一玻璃容器1中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器1和第二玻璃容器2连通前第二玻璃容器2的压力P₀₂和连通后的平衡压力P₂。

S3：将烘干后的原状土样平放在滤纸上，用凝固液体立即紧贴着原状土样表面均匀密封，以确保密封性，待凝固液体裹挟着原状土样凝固成固体后，将该凝成的固体连同滤纸一同放入第一玻璃容器1中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器1和第二玻璃容器2连通前第二玻璃容器2的压力P₀₃和连通后的平衡压力P₃。

该凝固液体是无流动性的液体，不会流入土样内部。凝固液体可以为琼脂凝胶、磷酸锌水门汀胶状物和熟石膏浆状物中的一种。

S4：将凝固液体凝成的固体从原状土样表面剥离后平放在滤纸上，将凝固液体凝成的固体擦净干燥，连同滤纸一同放入第一玻璃容器1中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器1和第二玻璃容器2连通前第二玻璃容器2的压力P₀₄和连通后的平衡压力P₄；

S5：通过如下公式计算土壤孔隙度

土壤孔隙度无损测定装置的工作原理为：

根据克拉珀龙气体方程，当某一已知压力P₁和已知体积V₁的气体(气体质量一定)，作等温膨胀到另一未知体积V₂时，其压力变为P₂，则：P₁×V₁＝V₂×P₂。

第一，测定密闭装置的总体积V，即含第一玻璃容器1、第二玻璃容器2和连通管5的体积，也就是之后放入固体前后的总气体和固体的总体积。即将第二玻璃容器2，保持第二玻璃容器2和连通管5相连并充满气体，第二玻璃容器2和连通管5总体积为V₂，第一玻璃容器1真空，测定第二玻璃容器2的压力P₀₁，此时两容器不通；再将两个容器相通，测定平衡压力P₁，则密闭装置的总体积：

V＝(V₂×P₀₁)/P₁ (1)

第二，测定土粒体积V_S：将风干后的原状土样放入第一玻璃容器1中，再按照第一步的步骤，分别测定连通前的压力P₀₂和平衡后的压力P₂，而此时的风干土中含有极少部分水，主要是吸湿水，附着于土粒表面且不能以液态水自由移动，其体积可忽略不计，因此土粒的体积：

V_S＝V-(V₂×P₀₂)/P₂ (2)

第三，测定表面密封的原状土体积V_y。

将烘干后的原状土样，此时只包括孔隙的土粒，不含水分，用凝固液体，此时内部液体没有流动性，不会流入土壤内部，如调好的琼脂凝胶、磷酸锌水门汀胶状物、熟石膏浆状物等，立即紧贴着土样表面均匀密封并加厚以确保密封性，待凝固成固体后，然后放入第一玻璃容器1中，再按照第一步的步骤，分别测定连通前的压力P₀₃和平衡后的压力P₃，则表面密封的原状土体积：

V_y＝V-(V₂×P₀₃)/P₃ (3)

第四，测定土表密封凝固体的体积V_m。将密封凝固体从原状土表面剥离，洗净干燥，然后放入第一玻璃容器1中，再按照第一步的步骤，分别测定连通前的压力P₀₄和平衡后的压力P₄，则表面密封凝固体体积：

V_m＝V-(V₂×P₀₄)/P₄ (4)

式(2)代入式(1)即为土粒体积：

式(3)-式(4)即为原状土样的体积：

式(6)-式(5)即为土壤孔隙体积：

式(7)/式(6)即为土壤孔隙度：

本土壤孔隙度无损测定装置，不仅耐高温，也能在低温下进行测定，可以连续测定土壤样品，简单可靠，且无污染。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种土壤孔隙度无损测定装置，其特征在于，包括第一玻璃容器(1)，第二玻璃容器(2)和连通管(5)，所述第一玻璃容器(1)和第二玻璃容器(2)均放置在支撑板(9)上，均为密封独立的玻璃容器，第一玻璃容器(1)和第二玻璃容器(2)之间通过连通管(5)相连通，连通管(5)上设有第二蝶阀(12)；所述第一玻璃容器(1)上设有第一气压计(3)、玻璃箱门(7)和第一气孔，所述玻璃箱门(7)与第一玻璃容器(1)的连接处均匀嵌入硅橡胶(6)用于密封，所述第一气孔通过第一橡胶真空泵管(11)与外部的抽气泵连接，所述第一橡胶真空泵管(11)上设有第一蝶阀(10)；所述第二玻璃容器(2)上设有第二气压计(4)和第二气孔，所述第二气孔通过第二橡胶真空泵管(14)与外部的抽气泵连接，所述第二橡胶真空泵管(14)上设有第三蝶阀(13)。

2.根据权利要求1所述的土壤孔隙度无损测定装置，其特征在于，所述第一玻璃容器(1)的体积为第二玻璃容器(2)体积的一半。

3.根据权利要求1所述的土壤孔隙度无损测定装置，其特征在于，所述连通管(5)为PVC材质。

4.根据权利要求1所述的土壤孔隙度无损测定装置，其特征在于，所述支撑板(9)为塑料材质。

5.根据权利要求1所述的土壤孔隙度无损测定装置，其特征在于，所述玻璃箱门(7)上还装有箱门手柄(8)。

6.一种使用权利要求1～5任一所述土壤孔隙度无损测定装置的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：先关闭第二蝶阀(12)，将第一玻璃容器(1)通过第一蝶阀(10)用外加的抽气泵抽成真空后，关闭第一蝶阀(10)，等第二气压计(4)与外界大气压保持一致时关闭第三蝶阀(13)，此时读取第二玻璃容器(2)上第二气压计(4)的压力读数P₀₁，接着打开第二蝶阀(12)，当第一气压计(3)和第二气压计(4)稳定且读数相同时，读取平衡压力P₁；

S2：将风干后的原状土样平放在滤纸上，并一同放入第一玻璃容器(1)中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器(1)和第二玻璃容器(2)连通前第二玻璃容器(2)的压力P₀₂和连通后的平衡压力P₂；

S3：将烘干后的原状土样平放在滤纸上，用凝固液体立即紧贴着原状土样表面均匀密封，以确保密封性，待凝固液体裹挟着原状土样凝固成固体后，将该凝成的固体连同滤纸一同放入第一玻璃容器(1)中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器(1)和第二玻璃容器(2)连通前第二玻璃容器(2)的压力P₀₃和连通后的平衡压力P₃；

S4：将凝固液体凝成的固体从原状土样表面剥离后平放在滤纸上，将凝固液体凝成的固体擦净干燥，连同滤纸一同放入第一玻璃容器(1)中，按照步骤S1的操作方法，分别测定第一玻璃容器(1)和第二玻璃容器(2)连通前第二玻璃容器(2)的压力P₀₄和连通后的平衡压力P₄；

S5：通过如下公式计算土壤孔隙度

7.根据权利要求6所述的测定方法，其特征在于，所述凝固液体是无流动性的液体，不会流入土样内部。

8.根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于，所述凝固液体为琼脂凝胶、磷酸锌水门汀胶状物和熟石膏浆状物中的一种。

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