WO2020082475A1 - 一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，涉及水土流失监测技术领域。包括：测定样点土壤表土层的原始磁化率Kb（S1）；测定磁性件置于表土层的最大磁化率Km（S2）；在样点土壤下方的预设深度埋设磁性件，形成磁层（S3）；测定磁层正上方表土层的第一磁化率K1（S4）；间隔预设时间后，测定磁层正上方表土层的第二磁化率K2（S5）；根据土壤层磁化率与土壤层厚度的转换方程，计算土壤层厚度变化值（S6）。基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，对样点土壤层扰动极小或无扰动，可快速、精确的得到测定结果，无需任何特殊的人工维护，样点土壤层代表性好，在土壤资源保护、水土流失监测科学研究与野外监测工作中具有较强的实用性。

Description

一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法

本申请要求在2018年10月23日提交中国专利局、申请号为201811237407.0、发明名称为“一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及水土流失监测技术领域，尤其涉及一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法。

背景技术

土壤侵蚀是一种严重的土壤退化过程，制约着世界范围内的农业土壤资源的可持续利用。土壤侵蚀测量的基本原理是直接或间接地监测不同时空尺度下因土壤侵蚀引发的土壤层厚度动态变化。土壤侵蚀的过程十分复杂，这一过程往往不容易进行定量化监测。作为直接测定土壤侵蚀量的方法，侵蚀针法通过测定侵蚀针顶端与土壤表面之间的距离，来测量表层土壤流失或堆积后的表土壤层厚度增加或减少量。具体指，在野外垂直于土壤表面，插入一根侵蚀针，一般是由金属制成、质地坚硬的笔直长针。随着土壤侵蚀现象的发生，侵蚀针所在监测点的土壤会流失或者堆积，相应地，土壤层厚度会发生改变(或减少或增加)。因此，在侵蚀现象发生的前后，利用深度测量尺分别测定侵蚀针到地表的垂直距离。两次测量所获取的垂直距离之差，即是对应土壤层厚度的变化量。

如图1所示为侵蚀针法的具体的测量过程。包括：(1)选定样地土壤剖面；(2)布设侵蚀针；(3)测前放置测量垫圈作为测量参考面；(4)利用深度测量尺测量从侵蚀针裸露在外的端部到测量垫圈上端的竖直距离；(5)比两次测量竖直距离的差值为样点土壤层厚度的变化量，直接反应该点的土壤侵蚀或堆积后的土壤层厚度变化量。

虽然侵蚀针法使用较为广泛，但是，由于侵蚀针局部需埋设在土壤层中，外露的部分会对空气、水的流动状态产生扰动，从而导致监测样点位置出现明显的土壤流失量偏差，随着侵蚀针在野外矗立的时间越久，这个误差越大。另外，裸露在外的侵蚀针部分，很容易受到外部环境的干扰，比如动物和人的活动、其他自然活动，从而使得侵蚀针法测量失效。

发明内容

本申请提供了一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，以解决现有技术土壤侵蚀测量工作无法有效开展、测量偏差大等问题。

一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，包括：

S1测定样点土壤表土层的原始磁化率Kb；

S2测定磁性件置于所述表土层的最大磁化率Km；

S3在所述样点土壤下方的预设深度埋设所述磁性件，形成磁层；

S4测定所述磁层正上方所述表土层的第一磁化率K1；

S5间隔预设时间后，测定所述磁层正上方所述表土层的第二磁化率K2；

S6根据土壤层磁化率与土壤层厚度的转换方程，计算土壤层厚度变化值。

可选的，在步骤S6中，所述转换方程为：

其中，K*的计算公式为：

式中，H为探头到所述磁层的距离，mm；K*为综合物质磁化率，无量纲；Kb为原始磁化率，无量纲；Km为最大磁化率，无量纲；K为所述探头测量的物质磁化率，无量纲。

可选的，所述磁性件的磁性强度范围为6000-10000，所述磁性件的厚度范围为0.5-1.5cm，所述磁性件埋设深度小于等于20cm。

可选的，在步骤S3中，埋设所述磁性件包括：挖填布设磁性件或剖面布设磁性件。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

与现有技术相比，本申请提供了一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，包括：测定样点土壤表土层的原始磁化率Kb；测定磁性件置于表土层的最大磁化率Km；在样点土壤下方的预设深度埋设磁性件，形成磁层；测定磁层正上方表土层的第一磁化率K1；间隔预设时间后，测定磁层正上方表土层的第二磁化率K2；根据土壤层磁化率与土壤层厚度的转换方程，计算土壤层厚度变化值。本申请在实施过程中，布设一个特制的人工磁性件，在土壤侵蚀发生前后，利用磁化率仪器探头分别测定磁层正上方的表土层的磁化率，通过土壤层磁化率与土壤层厚度的转换方程，获得磁层与探头之间的土壤层厚度参数，两次测定所获取的土壤层厚度数值之差，就反映了该样点土壤层的侵蚀或堆积量。本申请提供的基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，对样点土壤层扰动极小或无扰动，采用磁化率仪器可快速、精确的得到测定结果，并且由于磁性件埋设在土壤层内部，不会对土壤表土层产生干扰，在后续测量周期中无需任 何特殊的人工维护。另外，测量所需设备成本低，经久耐用，探头的测量范围大，使得样点土壤层更具代表性，在土壤资源保护、水土流失监测科学研究与野外监测工作中具有较强的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的侵蚀针法测量土壤层厚度的原理示意图。

图2为本申请实施例提供的一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法的流程步骤图。

图3为本申请实施例提供的磁化率仪器测定磁层的原理示意图。

具体实施方式

请参考附图2，该图示出了本申请实施例提供的一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法的流程步骤。

一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，也可简称为磁层探测方法，是融合了地球物理学研究中的磁化率测量技术、常见物质磁性差异、土壤侵蚀规律三方面的土壤层厚度的快速测量方法，具体包括：

步骤S1：测定样点土壤表土层的原始磁化率Kb。

在正式测定之前，利用磁化率仪器首先对样点土壤表土层的原始磁化率Kb进行测定，该原始磁化率Kb也称背景表土层磁化率(K-background，简称Kb)。

步骤S2：测定磁性件置于表土层的最大磁化率Km。

将具有一定形状结构的磁性件放置在土壤层上表面，用磁化率仪器测定该磁性件，此时磁性件与探头的间距为零，能够得到最大磁化率Km(K-maximum，简称Km)。

步骤S3：在样点土壤下方的预设深度埋设磁性件，形成磁层。

将磁性件埋设在样点土壤下方，形成磁层，并以此作为参考面，其上表土层的磁化率与土壤剖面厚度为一一对应关系，当土壤剖面厚度越小，探头到磁层的距离越小，表土层的磁化率越大。因而，可通过磁化率的数值计算得到土壤剖面的厚度。

步骤S4：测定磁层正上方表土层的第一磁化率K1。

如图3所示，为磁化率仪器测定磁层的原理过程。两次土壤层厚度值的变化体现了土壤层的流失或堆积。此处第一磁化率K1指埋设好磁性件之后，利用磁化率仪器在土壤层侵蚀发生之前，首先记录一次表土层的磁化率，即第一磁化率K1，在后续测定周期内的其他磁化率数值与K1进行比较，计算得到不同时间段内，该处土壤层厚度的变化情况。

步骤S5：间隔预设时间后，测定磁层正上方表土层的第二磁化率K2。

此处第二磁化率K2具体为周期性样点测定阶段内进行的表土层的磁化率测定。根据实际需要，确定测定频率，如充分考虑环境因素，风沙、暴雨等特殊天气，不定期对样点土壤表土层的磁化率进行测定，或间隔固定周期进行测定。

步骤S6：根据土壤层磁化率与土壤层厚度的转换方程，计算土壤层厚度变化值。

土壤层磁化率与土壤层厚度关系可以用一个精确的指数型曲线表达，该指数型曲线可以概括为一个转换方程，且该转换方程中涉及的变量包括Kb、Km，以及埋设磁性件后表土层的磁化率，具体为K1或K2。

本申请实施例提供的测定方法中，磁化率仪器采用英国公司巴庭顿(Bartington)生产的MS2/磁化率仪，具体为MS2D电源与读数表、MS2D表面扫描探头、MS2D手柄；磁性件内含有磁铁矿粉、水泥、细沙等，通过混合凝固成型。具体的实施过程为：选定样点土壤，并测定该样点土壤的原始磁化率Kb；根据样点土壤的特点，制作合理的磁性件，包括磁性件的磁性强度、尺寸大小、数量，在将磁性件放置在样点土壤的上表面后，测定最大磁化率Km；根据样点土壤的特点，选择合适的方式将磁性件埋设在样点土壤的预设深度，该深度与MS2D探头探测范围相匹配，即保证MS2D探头能够探测到，并在读数表上显示磁化率，测定第一磁化率K1；根据实际需要，确定测定频率，后续测定测得的所有磁化率均称为第二磁化率K2；将Kb、Km、K1、K2代入转换方程中，得到的厚度差值，即为土壤层厚度的变化量，可以反映在预设时间内，土壤层侵蚀或堆积的程度。

本申请实施例提供的基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，具有以下优点：(1)单次土壤层厚度测定仅需1-2秒。所使用的磁化率仪器，为一款高品质、便携式的仪器，在测定过程中，可即时得到测定数据，耗时仅为1-2秒。(2)测定精度能够控制在2mm以内。(3)对样点土壤几乎不再扰动，因为在埋设磁性件后，经历少量扰动的土壤层会在自然条件下得到充分的恢复，再次达到原始状态。(4)免维护。由于磁性件、磁化率仪器均为经久耐用型设备，特别是磁性件在布设后，不需要进行任何人工维护。因而在整个测定周期内，几乎不需要对设备进行维护。(5)样点代表性好。本申请实施例采用的探头为圆环形，为一面状的测定范围，测量半径在15cm左右， 且磁性件埋设在土壤层内，对土壤层无扰动作用，不会造成测量的偏差。(6)磁性件的制作成本、磁化率仪器的购置成本均较低，使得实施本申请实施例提供的测定方法的总投资较小。

本申请实施例提供的基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，可应用于土壤资源保护、水土流失监测科学研究与野外监测工作中。具体地，本申请实施例提供的测定方法可应用在(1)基于水蚀的室内、野外土壤侵蚀实验小区的土壤流失量或堆积量的快速测定。(2)基于水蚀的土壤侵蚀野外环境中的土壤流失量或堆积量的长期定位监测工作中。(3)基于风蚀的土壤侵蚀野外环境中的土壤流失量或堆积量的长期定位监测工作中。

本申请实施例提供的测定方法特别适合在偏远地区开展土壤侵蚀研究与监测工作时对土壤流失量与堆积量的快速测定。

可选的，在步骤S6中，转换方程为：

其中，K*的计算公式为：

式中，H为探头到磁层的距离，mm；K*为综合物质磁化率，无量纲；Kb为原始磁化率，无量纲；Km为最大磁化率，无量纲；K为探头测量的物质磁化率，无量纲。

式中，K代表的物质磁化率具体是指K1、K2，转换方程中通过K1、K2计算得到的H1、H2的差值△H就是在预设时间后该样点土壤的厚度变化值，能够反应样点土壤的流失量或堆积量。

可选的，磁性件的磁性强度范围为6000-10000，磁性件的厚度范围为0.5-1.5cm，磁性件埋设深度小于等于20cm。

本申请实施例提供的基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，磁性件的磁性强度范围为6000-10000，磁性件的覆盖面积根据样点土壤的特点决定，而磁性件的形状可以为圆饼状、板状、网状、或其他层状规则形状，厚度范围0.5-1.5cm，优选1.0cm，埋设在样点土壤的深度不超过20cm，以保证磁层能够被探头探测到。

可选的，在步骤S3中，埋设磁性件包括：挖填布设磁性件或剖面布设磁性件。

选择更为合适的埋设方式埋设磁性件，比如野外土壤，沙质土层具有易破碎的特 点，宜采用挖填布设方式，在施工过程中，对样点土壤进行挖掘后，埋设磁性件，使磁性件与原土壤层上表面平行，其后用原土壤将磁性件覆盖，由于砂质土层在自然条件下，可快速、充分恢复到原始状态，因此，挖填布设可认为对原始土壤层无扰动，不会影响测定结果。

对于小区(土壤侵蚀实验小区，简称小区)，也可采用挖掘布设方式。

对于壤质土层，具有一定的固结性，可采用剖面布设方式，在施工过程中，取样点土壤附近的土壤进行挖掘，如样点土壤的范围为30cm×30cm，则在任意紧邻样点土壤范围一侧挖出一块侧壁，以该侧壁为底面，朝向样点土壤、并平行于土壤上表面挖掘具备一定厚度、大小与磁性件相匹配的孔洞，然后将磁性件置于其中，如此，对样点土壤完全无扰动，能够得到非常准确的土壤层厚度变化量。

本申请实施例提供的基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，通过在土壤层内部埋设磁层，并通过土壤层磁化率与土壤层厚度转换方程，可快速、精确的得到土壤层厚度变化量，该方法对原始土壤无扰动，样点土壤代表性好，在测定周期内无维修费用支出，且实施测定的设备投资少，在土壤资源保护、水土流失监测科学研究与野外监测工作中具有较好的实用性，特别适合在偏远地区开展土壤侵蚀研究测量、土壤层监测工作时对土壤流失量与堆积量的快速测量。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (3)

1. 一种基于磁化率测量土壤层厚度的测定方法，其特征在于，包括：

   S1测定样点土壤表土层的原始磁化率Kb；

   S2测定磁性件置于所述表土层的最大磁化率Km；

   S3在所述样点土壤下方的预设深度埋设所述磁性件，形成磁层；

   S4测定所述磁层正上方所述表土层的第一磁化率K1；

   S5间隔预设时间后，测定所述磁层正上方所述表土层的第二磁化率K2；

   S6根据土壤层磁化率与土壤层厚度的转换方程，计算土壤层厚度变化值。
2. 根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在步骤S6中，所述转换方程为：

   

   其中，K*的计算公式为：

   

   式中，H为探头到所述磁层的距离，mm；K*为综合物质磁化率，无量纲；Kb为原始磁化率，无量纲；Km为最大磁化率，无量纲；K为所述探头测量的物质磁化率，无量纲。
3. 根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述磁性件的磁性强度范围为6000-10000，所述磁性件的厚度范围为0.5-1.5cm，所述磁性件埋设深度小于等于20cm。

   根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在步骤S3中，埋设所述磁性件包括：挖填布设磁性件或剖面布设磁性件。

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