CN113008935A - 一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法 - Google Patents

一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法 Download PDF

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CN113008935A CN202110258166.3A CN202110258166A CN113008935A CN 113008935 A CN113008935 A CN 113008935A CN 202110258166 A CN202110258166 A CN 202110258166A CN 113008935 A CN113008935 A CN 113008935A
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李丽杰
任图生
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Abstract

本发明公开了属于土壤特性检测技术领域的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法。该原位测定装置包括椭圆形探针手柄，4根温度探针和1根加热探针、E型热电偶，加热丝，同轴电缆线和数据采集仪；所有探针平行排列、垂直固定在探针手柄一个端面的中央线上，五根探针的引线固定在另一端面上；测量时，将上述标定过的探针匀力插入土壤中，将同轴电缆，热电偶和加热丝引线分别与电缆测试仪、数据采集仪、直流电源以及继电器相连；数据采集仪在设定时间向加热探针提供25～30s热脉冲，并记录通过线性热源的电流及两侧探针的温度变化；本装置能高精度的准确测定非稳态条件下土壤含水量、热特性和电导率，对土壤扰动小、程序简单。

Description

一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法
技术领域
本发明属于土壤特性检测技术领域，特别涉及一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法。
背景技术
土壤水热动态以及土壤物理参数测定是研究土壤中物理、化学和生物过程的基础。但由于非稳态土壤的物理性质具有显著的时空变异性，特别是孔隙度变化，对其土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态、连续同时定位监测困难，缺乏相应有效的监测手段。
土壤含水量测定的技术有中子仪法、烘干法、TDR(Time Domain Reflectometry)技术和FDR(Frequency Domain Reflectometry)技术等。烘干法结果准确但对土壤破坏性大，中子仪设备昂贵且具有放射性，FDR方法测定精度不高，目前最常用的是TDR技术。TDR是一种测定物体空间位置和特性的电子遥感技术，可以实现含水量的定位动态监测。
土壤热特性的测定技术主要有稳态法和瞬态法两种。稳态法主要有利用平板热导率测定仪测定土壤热导率、利用热量杯技术测定热容量等，这类技术测定原理、仪器相对简单，但是在土壤中各种热交换过程不易控制；温度梯度导致水汽对流，影响测定结果；难以在田间应用。热脉冲技术作为一种瞬态法解决了这一问题，而且常用于多孔介质的热特性测定，在土壤学、食品学以及热力工程方面都有应用。但常见热脉冲技术的探头的体积较小，其测定范围较为受限。
土壤蒸发测定技术包括蒸渗仪法、微气象学法、动态气室法。蒸渗仪法精度较高，理论较为成熟，但微型蒸渗仪代表性较差，大型蒸渗仪昂贵、操作不方便；微气象学法主要包括波文比能量平衡法和涡度相关法，前者主要应用于作物冠层下的土壤水分蒸发，在半干旱地区的田间测量较为准确，而后者在小时和日尺度上的测量较准确，准确性易受探头和气象条件的影响；动态气室法需要结合红外气体分析仪，应用广泛，但所需仪器价格昂贵。而热脉冲技术可以在毫米尺度上同时、连续、定位获取土壤温度、热特性和水分蒸发速率，在研究土壤水热耦合传输和蒸发机理方面有很大优势。
电导率测定一般由土壤电导率仪测定，该设备昂贵，且只能在室内使用同时需要提取土壤溶液来测定，不能用于田间连续定位测定电导率。对于容重的测定，使用最多的为环刀法，但对土壤破坏性大，测定过程费时费力。目前在CN203705381U的专利中探针可以实现含水量和容重的连续同时定位测定，其设计如下：长度为45mm，间距为8mm，直径为2mm，但该探头在应用过程中存在含水量测定精度低、容重测定偏差大，测定体积小及电导率无法测定等问题。因此缺乏一种技术可以实现同一位置、相同体积土壤上水热盐孔隙特性的连续定位动态监测。
鉴于非稳态土壤上水热电导特性的手段较为缺乏，本发明提出一种可以实现连续原位动态监测土壤水分、热特性、蒸发和孔隙度的技术-热脉冲时域反射仪探针技术，以及相应的数据分析方法。可以实现在土壤容重变化条件下，同时同体积获取土壤水热和电导性质数据。该技术自动化程度高，可操作性强。
发明内容
本发明的目的是提出一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法，其特征在于，所述土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置包括椭圆形探针手柄，五根探针、E型热电偶，加热丝，同轴电缆线和数据采集仪；其中采用了LoggerNet软件，PC-TDR软件和MATLAB软件；其中探针手柄由聚氯乙烯制作；五根探针平行排列、垂直固定在探针手柄一个端面的中央线上，五根探针的引线穿过手柄固定在另一端面上。
所述五根探针中有四根温度探针，包括1#温度探针、2#温度探针、3#温度探针和5#温度探针；其中，1#温度探针、2#温度探针为短探针；3#温度探针和5#温度探针为长探针；一根加热探针为4#加热探针，固定在3#温度探针和5#温度探针中间；其长度与3#温度探针和5#温度探针的长度相同。
所述五根探针都是由不锈钢管制成的钢针，其中1#温度探针、2#温度探针是不带尖端的不锈钢针，3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针是带尖端的不锈钢针；具体尺寸为：所有温度探针的直径d＝2mm，壁厚为0.25mm；加热探针的直径d＝2.38mm，壁厚为0.71mm；1#温度探针和2#温度探针的长度L均为40mm，以及1#温度探针和2#温度探针的间距z1；2#温度探针和3#温度探针的间距z2均为8mm；3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针的长度L均为70mm，该三根探针间的间距r均为10mm。
所述四根温度探针内分别嵌有E型热电偶，热电偶位置设在距离探针手柄35mm处；各热电偶的一端用焊锡焊接然后放入钢管中，探针头部最后灌入高热导率的树脂材料硬化固定；在3#温度探针和5#温度探针中间的4#加热探针内穿有由绝缘电阻丝制作的线性热源，同轴电缆线一端的中心铜线焊接在4#加热探针外的钢管上端部位，另一端与BNC接头焊接；同轴电缆外侧的铝镁合金屏蔽网分两股分别焊接在4#加热探针外侧的3#温度探针和5#温度探针的钢管上部；最后用聚氯乙烯环氧树脂将各探针按照设置间距与椭圆形手柄固定；同轴电缆线用于连接电缆测试仪，加热丝作为线性热源和直流电源连接，热电偶则与数据采集仪连接。
所述线性热源为绝缘镍铬合金电阻丝，直径为75μm，电阻丝规格为230.7Ωm-1，加热探针内部含电阻丝长度为280mm，制作时，将加热电阻丝按照加热针长度形成四折放入不锈钢管中。
所述利用土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置对土壤含水量、热特性和电导率的原位测定方法；包括：
步骤1，在原位测定之前需要对五根探针进行长度和间距的标定，标定过程如下：将探针垂直插入5g/L的琼脂中，用数据采集仪控制程序测定热特性，假定琼脂的热容与水的热容相等，用热传导方程拟合出探针间距，同时用电缆反射仪存取波形，使用MATLAB软件里的程序进行长度标定；
步骤2，将上述标定过的探针匀力插入土壤中，将同轴电缆，热电偶和加热丝引线分别与电缆测试仪、数据采集仪、直流电源以及继电器相连；数据采集仪在设定时间向中部探针提供25s热脉冲，并记录通过线性热源的电流以及两侧探针的温度变化；加热能量的大小根据土壤含水量调节，将数据采集器中的数据转移到计算机中，通过利用MATLAB软件对温度感应针监测得到的温度升高变化进行分析，结合基本的热传导理论，反求计算得出土壤的热特性；本专利中利用无限线性热源理论，可以求得土壤热容量(C)，热导率(l)和热扩散率(k)；土壤热特性的计算公式如下，
Figure BDA0002968810200000041
λ＝C×κ
其中，-Ei(-x)是指数积分函数；q′是每单位长度释放的加热量；t0是热脉冲加热时间，t是测定时间；r是4#加热探针和3#温度探针或者5#温度探针之间的距离；T(r,t)是在t时刻距离4#加热探针r位置的3#温度探针或者5#温度探针的计算温度值。通过上式T(r,t)与探针实际测定的温度值进行最小二乘法拟合计算得到土壤热特性(C、l、k)。
同时，利用PC-TDR软件自动分析电缆反射仪记录的完整TDR波形图像，计算土壤电导率并利用Topp等公式直接得到土壤含水量(θ)，土壤含水量计算公式如下，
θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka 2+4.3×10-6Ka 3
Figure BDA0002968810200000051
其中，Ka表示土壤介电常数，L表示3#温度探针、4#加热探针和5#温度探针的长度，L1和L2分别表示TDR波形图中的第一反射点和第二反射点。
土壤电导率(EC)计算公式如下，
Figure BDA0002968810200000052
Rs＝Rt-Rcable
Figure BDA0002968810200000053
Figure BDA0002968810200000054
Figure BDA0002968810200000055
其中，Kp是探针常数，Rs是实验样品阻抗，Rt是总的阻抗，Rcable包括电缆测试仪、连接器和同轴电缆电阻，Zc为同轴电缆的特征阻抗值，即所用电缆为75Ω；ρ∞代表电磁波反射信号稳定状态时的反射系数，v∞是稳定状态时反射信号的振幅，v0是主机发出信号的振幅，fT是温度系数，α为0.0191℃-1(Heimovaara等，1995)，常指计算25℃时的电导率。
通过1#温度探针和2#温度探针测定距离土壤表层0mm和8mm的温度T1和T2，以及根据3#温度探针、4#加热探针和5#温度探针测定数据计算得到的土壤C和l，可以进一步得到距离土壤表层8mm的土壤蒸发结果；土壤蒸发量(E)的计算公式如下，
Figure BDA0002968810200000061
Figure BDA0002968810200000062
Figure BDA0002968810200000063
Figure BDA0002968810200000064
其中，G1和G2分别表示为1#温度探针和2#温度探针处的土壤表层深度的热通量(Wm-2)，ΔS表示1#温度探针和2#温度探针之间土壤深度的热储量变化(W m-2)，Δz表示两个土层之间的距离，z1表示1#温度探针和2#温度探针之间的距离，z2表示2#温度探针和3#温度探针之间的距离，T1、T2、T3表示1#温度探针、2#温度探针和3#温度探针测定的温度，Tm表示一段土层在一段时间内的平均温度。
最后，利用土壤容积热容量与含水量的关系，进一步得到土壤容重(rb)数据，
Figure BDA0002968810200000065
其中，Cw为水的容积热容量(4.18MJ m-3K-1)，cs为土壤比热值。
所述直流电源，在田间使用时，用12V电池代替，同时安置太阳能板。
本发明的有益效果是本土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置能够准确测定非稳态条件下土壤含水量、热特性和电导率，测量精度较高。其次，该装置还可以自动测定土壤蒸发和土壤容重，可准确获取表层土壤蒸发和容重的动态变化。同时，本发明对土壤扰动小、自动化程度高，数据丰富，程序简单。本发明探针具有如下优点：
(1)探头长度大大增加，提高TDR测量含水量的准确性；
(2)加热探针直径加粗，减小土壤热容测定偏高的误差，同时减少了探头插入土壤时探针间距r的变化，大大减小了r值发生变化进而带来测定的不确定性也使探针更为稳固适合田间测定条件；探针采用一端带尖的钢管，减少探头对土壤的扰动且更容易插入土壤；
(3)设置不同位置和长度温度探针，可以得到距离表层不同距离的温度变化，得到距离土壤表层一定距离的土壤蒸发情况，同时较短的温度探针可以降低对土壤的扰动；
(4)探头的长度，直径和间距加大，大大提高了其测定体积，使结果更具有代表性。
附图说明
图1为土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置的探针示意图；图中a为探针外观图；b为探针结构剖面图。
图2为本探针与传统探针波形对比图；
图3为在不同质地探针测定含水量与烘干含水量关系图。
图4为在不同质地电导率随含水量变化图。
图5为本探针测定距离土壤表层8mm位置处的土壤水蒸发速率随时间变化关系。
图6为在不同质地探针测定容重与烘干容重关系。
具体实施方式
本发明提出一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法，下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置的探针结构示意图；图中a为探针外观图；b为探针结构剖面图。其中探针手柄由聚氯乙烯制作；为了获得表层土壤温度情况，1#温度探针、2#温度探针为短探针，是不带尖端的不锈钢针；放置在3#温度探针上方，以降低对土壤的扰动。3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针为长探针，是带尖端的不锈钢针，4#加热探针固定在3#温度探针和5#温度探针中间；放置在1#温度探针、2#温度探针的下方，形成五根探针平行排列、垂直固定在探针手柄一个端面的中央线上，五根探针的引线穿过手柄固定在另一端面上的结构。4#加热探针的长度与3#温度探针和5#温度探针的长度相同(如图1中b所示)。具体尺寸为：所有温度探针的直径d＝2mm，壁厚为0.25mm；加热探针的直径d＝2.38mm，壁厚为0.71mm；1#温度探针和2#温度探针的长度L均为40mm，以及1#温度探针和2#温度探针的间距z1；2#温度探针和3#温度探针的间距z2均为8mm；为满足线性热源的要求，探头间距相应增大，该三根探针间的间距r均为10mm。所述绝缘电阻丝直径为75μm，材料为镍铬电阻合金，电阻丝规格为230.7Ωm-1，电阻丝长度为280mm。同时，为了提高TDR探针测量含水量的准确性，增加探针长度，三根探针顶端与探针手柄之间的距离均为70mm。制作时，将加热电阻丝按照加热针长度弯成四折放入不锈钢管中。
该探针在使用之前需要进行长度和间距的标定，标定过程如下：将探针垂直插入5g/L的琼脂中，用数据采集仪控制程序测定热特性，假定琼脂的热容与水的热容相等，用热传导方程拟合出探针间距，同时用电缆反射仪存取波形使用MATLAB软件里的程序进行长度标定。
使用该探针的工作过程为：将该探针匀力插入土壤中，将同轴电缆，热电偶和加热丝引线分别与电缆测试仪、数据采集仪、直流电源(在田间使用时，用12V电池代替，同时安置太阳能板)以及继电器相连。数据采集仪在设定时间向中部探针提供25～30s热脉冲，并记录通过线性热源的电流以及温度探针的温度变化。加热能量的大小根据土壤含水量调节，将数据采集器中的数据转移到计算机中。通过利用MATLAB软件对温度感应针监测得到的温度升高变化进行分析，结合基本的热传导理论，反求计算得出土壤的热特性。利用无限线性热源理论，可以求得土壤热容量(C)，热导率(l)和热扩散率(k)。土壤热特性计算公式如下，
Figure BDA0002968810200000091
λ＝C×κ
其中，-Ei(-x)是指数积分函数；q′是每单位长度释放的加热量；t0是热脉冲加热时间，t是测定时间；r是4#加热探针和3#温度探针或者5#温度探针之间的距离；T(r,t)是在t时刻距离4#加热探针r位置的3#温度探针或者5#温度探针的计算温度值。通过上式T(r,t)与探针实际测定的温度值进行最小二乘法拟合计算得到土壤热特性(C、l、k)。
同时，利用PC-TDR软件自动分析电缆反射仪记录的完整TDR波形图像，计算土壤电导率并利用Topp等公式直接得到土壤含水量(θ)，土壤含水量计算公式如下，
θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka 2+4.3×10-6Ka 3
Figure BDA0002968810200000101
其中，Ka表示介电常数，L表示3#温度探针、4#加热探针、5#温度探针的长度，L1和L2分别表示TDR波形图中的第一反射点和第二反射点。
土壤电导率(EC)计算公式如下，
Figure BDA0002968810200000102
Rs＝Rt-Rcable
Figure BDA0002968810200000103
Figure BDA0002968810200000104
Figure BDA0002968810200000105
其中，Kp是探针常数，Rs是实验样品阻抗，Rt是总的阻抗，Rcable包括电缆测试仪、连接器和同轴电缆电阻，Zc为同轴电缆的特征阻抗值(本实验所用电缆为75Ω)，ρ∞代表电磁波反射信号稳定状态时的反射系数，v∞是稳定状态时反射信号的振幅，v0是主机发出信号的振幅，fT是温度系数，α为0.0191℃-1(Heimovaara等，1995)，通常计算25℃时的电导率。
通过1#温度探针和2#温度探针测定距离土壤表层0mm和8mm的温度T1和T2，以及根据3#温度探针、4#加热探针、5#温度探针测定数据计算得到的土壤C和l，可以进一步得到距离土壤表层8mm的土壤蒸发结果。土壤蒸发量(E)的计算公式如下，
Figure BDA0002968810200000111
Figure BDA0002968810200000112
Figure BDA0002968810200000113
Figure BDA0002968810200000114
其中，G1和G2分别为1#温度探针和2#温度探针处土壤表层深度的热通量(W m-2)，ΔS表示深度1#温度探针和2#温度探针处之间的热储量变化(W m-2)，Δz表示两个土层之间的距离，z1表示温度探针1#温度探针和2#温度探针之间的距离，z2表示2#温度探针和3#温度探针之间的距离，T1、T2、T3表示1#温度探针、2#温度探针和3#温度探针测定的温度，Tm表示一段土层和一段时间内的平均温度。
最后，利用土壤容积热容量与含水量的关系，进一步得到土壤容重(rb)数据，
Figure BDA0002968810200000115
其中，Cw为水的容积热容量(4.18MJ m-3K-1)，cs为土壤比热值。
图2是由PC-TDR软件直接读出的其反射系数随距离的变化图像。由图2可以明显看出，本探针的波形比传统探针的波形大，利用Topp公式计算含水量时需要知道土壤的介电常数(Ka)，而不同介质的介电常数不同会引起反射率的变化，通过读取图2曲线上的第一(L1)和第二个反射点(L2)，计算土壤表观介电常数。波形变大后L2的位置明显，可以降低读数误差，提高含水量测定准确性。可知本发明中的探针优于传统探针，所以只提供本发明中Thermo-TDR探针的实验结果。
图3是在不同质地上TDR技术测定含水量与烘干含水量关系，横坐标为烘干含水量，纵坐标为TDR技术测得含水量。结果表明本探针测定的含水量均匀的分布在1:1线附近，说明探针测定的含水量与烘干含水量值较为接近，而且均方根误差(RMSE)为0.01cm3 cm-3，说明含水量测定的准确度提高。
图4是在不同质地土壤不同含水量下电导率测定值。电导率可以不同程度反映土壤含水量、有机质、容重和孔隙度特征。土壤电导率主要依靠土壤溶液中离子传导的液相路径，因此随着含水量增加电导率呈增加趋势，本探针测定结果也与理论相符。
图5是本研究探针在砂壤土上测定距离土壤表层8mm位置处的土壤水蒸发速率随时间变化关系。结果表明，本探针测定的土壤水蒸发速率日变化规律比较明显，具体表现为从0点开始土壤水蒸发速率逐渐增大，至中午12点达最大值，随后又逐渐减小。该探针测定结果符合日尺度上土壤水蒸发速率的变化规律，测定结果较准确。
图6是不同质地土壤探针测定容重与烘干容重的关系图，由图中可以明显看出探针测得的容重均匀的分布在1:1线周围，且均在10％误差线，说明该探针能够测得准确地土壤容重。
本发明在室内进行了实验验证，利用不同质地不同容重一系列含水量的装填土柱上进行实验。实验结果表明，改进后的Thermo-TDR探针不仅提高了TDR含水量测定的准确性，大大增加了测定体积，使测定结果更具有代表性，同时也解决了Thermo-TDR探针测得热特性偏差的问题，同时可以测得准确的土壤电导率，土壤蒸发和容重。

Claims (8)

1.一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置，其特征在于，所述土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置包括椭圆形探针手柄，五根探针、E型热电偶，加热丝，同轴电缆线和数据采集仪；采用了LoggerNet软件，PC-TDR软件和MATLAB软件；其中探针手柄由聚氯乙烯制作；五根探针平行排列、垂直固定在探针手柄一个端面的中央线上，五根探针的引线穿过手柄固定在另一端面上；
所述五根探针中有四根温度探针，包括1#温度探针、2#温度探针、3#温度探针和5#温度探针；其中，1#温度探针、2#温度探针为短探针；3#温度探针和5#温度探针为长探针；一根加热探针为4#加热探针，固定在3#温度探针和5#温度探针中间；其长度与3#温度探针和5#温度探针的长度相同。
2.根据权利要求1所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置，其特征在于，所述五根探针都是由不锈钢管制成的钢针，其中1#温度探针、2#温度探针是不带尖端的不锈钢针，3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针是带尖端的不锈钢针；具体尺寸为：所有温度探针的直径d＝2mm，壁厚为0.25mm；加热探针的直径d＝2.38mm，壁厚为0.71mm；1#温度探针和2#温度探针的长度L均为40mm，以及1#温度探针和2#温度探针的间距z1；2#温度探针和3#温度探针的间距z2均为8mm；3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针的长度L均为70mm，该三根探针间的间距r均为10mm。
3.根据权利要求2所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置，其特征在于，所述四根温度探针内分别嵌有E型热电偶，热电偶位置设在距离探针手柄35mm处；各热电偶的一端用焊锡焊接然后放入钢管中，探针头部最后灌入高热导率的树脂材料硬化固定；在3#温度探针和5#温度探针中间的4#加热探针内穿有由绝缘电阻丝制作的线性热源，同轴电缆线一端的中心铜线焊接在4#加热探针外的钢管上端部位，另一端与BNC接头焊接；同轴电缆外侧的铝镁合金屏蔽网分两股分别焊接在4#加热探针两侧的3#温度探针和5#温度探针的钢管上部；最后用聚氯乙烯环氧树脂将各探针按照设置间距与椭圆形手柄固定；同轴电缆线用于连接电缆测试仪，加热丝作为线性热源和直流电源连接，热电偶则与数据采集仪连接；所述线性热源为绝缘镍铬合金电阻丝，直径为75μm，电阻丝规格为230.7Ωm-1，加热探针内部含电阻丝长度为280mm，制作时，将加热电阻丝按照加热针长度形成四折放入不锈钢管中；所述直流电源，在田间使用时，用12V电池代替，同时安置太阳能板。
4.根据权利要求1所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置对土壤含水量、热特性和电导率的原位测定方法；其特征在于，包括：
步骤1，在原位测定之前需要对五根探针进行长度和间距的标定，标定过程如下：将探针垂直插入5g/L的琼脂中，用数据采集仪控制程序测定热特性，假定琼脂的热容与水的热容相等，用热传导方程拟合出探针间距，同时用电缆反射仪存取波形，使用MATLAB软件里的程序进行长度标定；
步骤2，将上述标定过的探针匀力插入土壤中，将同轴电缆，热电偶和加热丝引线分别与电缆测试仪、数据采集仪、直流电源以及继电器相连；数据采集仪在设定时间向中部探针提供25s热脉冲，并记录通过线性热源的电流以及两侧探针的温度变化；加热能量的大小根据土壤含水量调节，将数据采集器中的数据转移到计算机中，通过利用MATLAB软件对温度感应针监测得到的温度升高变化进行分析，结合基本的热传导理论，反求计算得出土壤的热特性；本专利中利用无限线性热源理论，可以求得土壤热容量(C)，热导率(l)和热扩散率(k)。
5.根据权利要求1所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置对土壤含水量、热特性和电导率的原位测定方法；其特征在于，土壤热特性的计算公式如下，
Figure FDA0002968810190000031
λ＝C×κ
其中，-Ei(-x)是指数积分函数；q′是每单位长度释放的加热量；t0是热脉冲加热时间，t是测定时间；r是4#加热探针和3#温度探针或者5#温度探针之间的距离；T(r,t)是在t时刻距离4#加热探针r位置的3#温度探针或者5#温度探针的计算温度值。通过上式T(r,t)与探针实际测定的温度值进行最小二乘法拟合计算得到土壤热特性(C、l、k)。
6.根据权利要求1所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置对土壤含水量、热特性和电导率的原位测定方法；其特征在于，利用PC-TDR软件自动分析电缆反射仪记录的完整TDR波形图像，计算土壤电导率并利用Topp等公式直接得到土壤含水量(θ)，土壤含水量计算公式如下，
θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka 2+4.3×10-6Ka 3
Figure FDA0002968810190000032
其中，Ka表示土壤介电常数，L表示3#温度探针、4#加热探针和5#温度探针的长度，L1和L2分别表示TDR波形图中的第一反射点和第二反射点。
7.根据权利要求1所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置对土壤含水量、热特性和电导率的原位测定方法；其特征在于，土壤电导率(EC)计算公式如下，
Figure FDA0002968810190000041
Rs＝Rt-Rcable
Figure FDA0002968810190000042
Figure FDA0002968810190000043
Figure FDA0002968810190000044
其中，Kp是探针常数，Rs是实验样品阻抗，Rt是总的阻抗，Rcable包括电缆测试仪、连接器和同轴电缆电阻，Zc为同轴电缆的特征阻抗值，即所用电缆为75Ω；ρ∞代表电磁波反射信号稳定状态时的反射系数，v∞是稳定状态时反射信号的振幅，v0是主机发出信号的振幅，fT是温度系数，α为0.0191℃-1，常指计算25℃时的电导率。
8.根据权利要求1所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置对土壤含水量、热特性和电导率的原位测定方法；其特征在于，通过1#温度探针和2#温度探针测定距离土壤表层0mm和8mm的温度T1和T2，以及根据3#温度探针、4#加热探针和5#温度探针测定数据计算得到的土壤C和l，可以进一步得到距离土壤表层8mm的土壤蒸发结果；土壤蒸发量(E)的计算公式如下，
Figure FDA0002968810190000045
Figure FDA0002968810190000046
Figure FDA0002968810190000047
Figure FDA0002968810190000048
其中，G1和G2分别表示为1#温度探针和2#温度探针处的土壤表层深度的热通量(W m-2)，ΔS表示1#温度探针和2#温度探针之间土壤深度的热储量变化(W m-2)，Δz表示两个土层之间的距离，z1表示1#温度探针和2#温度探针之间的距离，z2表示2#温度探针和3#温度探针之间的距离，T1、T2、T3表示1#温度探针、2#温度探针和3#温度探针测定的温度，Tm表示一段土层在一段时间内的平均温度；
最后，利用土壤容积热容量与含水量的关系，进一步得到土壤容重(rb)数据，
Figure FDA0002968810190000051
其中，Cw为水的容积热容量(4.18MJ m-3K-1)，cs为土壤比热值。
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