一種測量土壤含水特性的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測量水分含量領(lǐng)域，具體涉及一種測量土壤含水特性的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在整個(gè)說明書中對于現(xiàn)有技術(shù)的任何討論都不代表承認(rèn)該現(xiàn)有技術(shù)是公知的或 形成本領(lǐng)域中普通常識(shí)的一部分。
[0003] 水分是一切作物賴以生存的基本條件，是土壤的一個(gè)重要組成部分，它影響土壤 的物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng)，而土壤的物理性質(zhì)和養(yǎng)分的 改變對農(nóng)作物的生長影響極大，若土壤供給植物的水分不足，將會(huì)嚴(yán)重限制植物生長，影響 其產(chǎn)量;相反，如果灌溉用水不斷增加，必將激化水資源的供需矛盾，也必將會(huì)使水資源平 衡問題進(jìn)一步惡化，將成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的障礙，此外，不合理的灌溉能引起土壤次生鹽 漬化問題。因此，通過研究土壤水分來制定灌溉計(jì)劃，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。
[0004] 目前均用"土壤有效水含量X 土壤虧缺百分比"來計(jì)算土壤水分虧缺值，但現(xiàn)有技 術(shù)中測定土壤水分虧缺值需要先計(jì)算調(diào)查土壤有效水含量，誤差較大;對于現(xiàn)有技術(shù)中對 土壤水分測定方法目前分為兩大類：
[0005] ①測量土壤的基質(zhì)勢，包括張力計(jì)法、露點(diǎn)儀測定法和電阻法等。目前，張力計(jì)已 成為測定土壤水勢的常規(guī)儀器，張力法是根據(jù)負(fù)壓管的負(fù)壓與土壤吸力呈對應(yīng)關(guān)系的原 理，操作簡單，可對原位土壤長期監(jiān)測，觀測成本也較低，但該方法受溫度影響大，而且在土 壤含水量低時(shí)容易失效；負(fù)壓管中的水進(jìn)入土壤會(huì)帶來誤差;具有滯后效應(yīng)，不能及時(shí)反 映土壤水分狀況。
[0006] ②直接測量土壤的含水量，包括質(zhì)量含水量和體積含水量，常規(guī)方法有（1)烘干 法:烘干法一直被認(rèn)為是最經(jīng)典、準(zhǔn)確的方法，是其他方法的基準(zhǔn)。該方法用烘箱對土壤進(jìn) 行烘干、用天平測量后，可直接計(jì)算出土壤重量含水量，而且成本也低，但烘干法為人工操 作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；需要取土擾動(dòng)測定點(diǎn)的土壤，不利用原位連續(xù)測定；（2)中子水分儀測定法： 該方法用中子水分儀進(jìn)行定位監(jiān)測，可對原位土壤進(jìn)行連續(xù)測定，不受土壤水狀態(tài)影響，測 定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高，不用破壞土壤，是測定土壤水分準(zhǔn)確、快捷的一種方法，但該方法測定 的慢中子數(shù)有賴于標(biāo)準(zhǔn)曲線轉(zhuǎn)化成含水率，標(biāo)定過程會(huì)帶來誤差;儀器有放射危害；（3)時(shí) 域反射儀(TDR)測定法:TDR法快速、準(zhǔn)確，可對原位土壤進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測，但TDR法的測定 值需要矯正，并且儀器價(jià)格昂貴；（4) γ射線法:該方法測量土壤水分快速、準(zhǔn)確，可對土壤 進(jìn)行連續(xù)的自動(dòng)監(jiān)測，但該方法的測定值受土壤干重影響大，僅適用于實(shí)驗(yàn)室測定。
[0007] 現(xiàn)有的測定土壤含水量最準(zhǔn)確的方法是烘干法，也是與本申請?zhí)岚缸罱咏募?術(shù)。烘干法需要在田間選定地點(diǎn)取土，用土盒帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行至少24小時(shí)105°C的烘干，然 后還要用天平稱重，才能計(jì)算出重量含水量。生產(chǎn)中一般要用到土壤容積含水量，而容積含 水量=重量含水量X 土壤容重，還需要測量土壤容重才能計(jì)算出容積含水量；國際上最通 用的表示土壤含水量的方法是將一定深度土層中的含水量換算成水層深度的mm表示，計(jì)算 公式為:水層厚度(mm) = 土層厚度(mm) X土壤容積含水量。
[0008] 由于大面積范圍實(shí)時(shí)土壤水分監(jiān)測卻是公認(rèn)的難題，以上常規(guī)測量土壤水分的方 法，有的費(fèi)時(shí)，有的費(fèi)力，還有的測量深度不夠。同時(shí)，對于大部分農(nóng)民來說，用常規(guī)的測量 土壤水分方法來決定田間灌溉量很不方便，過度灌水和灌水不足的現(xiàn)象依然很嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對數(shù)值最準(zhǔn)確的烘干法測定土壤含水量所存在的問題，本發(fā)明提供了一種方便 測量土壤水分，判斷土壤水分虧缺值的方法，簡單省時(shí)，測定結(jié)果準(zhǔn)確，使用者可以通過快 速判斷土壤水分含量和土壤水分虧缺值，決定灌溉措施，從而高效利用水分。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0011] -種測量土壤含水特性的裝置，包括測量裝置和樣品平臺(tái)2;
[0012] 所述測量裝置包括壓土板4和推力表1，所述推力表1包括表盤3及中心軸6,所述中 心軸6-端連接所述表盤3，另一端豎直固定在所述壓土板4上；
[0013] 所述樣品平臺(tái)2中部設(shè)有樣品凹坑5,所述測量裝置通過所述壓土板4對所述樣品 凹坑5內(nèi)的樣品施加壓力以獲取待分析樣品。
[0014]所述壓土板4上設(shè)有旋轉(zhuǎn)接頭7,所述旋轉(zhuǎn)接頭7與所述中心軸6旋接，以固定所述 推力表1和壓土板4。
[0015]所述壓土板4及樣品平臺(tái)2均為長方體，所述壓土板的長為20cm，寬為20cm，厚為 2cm，所述樣品平臺(tái)的長為20cm，寬為20cm，厚為5cm。
[0016] 所述樣品凹坑(5)為半球形，其半徑為4cm。
[0017] 所述樣品平臺(tái)2為電木。
[0018] 電木的化學(xué)名稱叫酚醛塑料，它具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的絕緣性，耐熱、耐腐 蝕、不吸水、不導(dǎo)電、耐高溫，原料來源豐富，合成工藝簡單，價(jià)格便宜。
[0019] 所述表盤3為指針表盤或數(shù)字表盤。
[0020] 一種測量土壤含水特性的方法，包括以下操作步驟：
[0021 ] (1)在田間用土鉆或者鐵鍬選定深度進(jìn)行取土，獲取待處理土樣并判斷土壤質(zhì)地， 分析土壤有效含水量；
[0022] 土壤有效含水量也稱土壤有效持水量(AvailableWater-holding Capacity，簡稱 AWC)，是指土壤中能被植物根系吸收的水分含量，通常是田間持水量(FieldCapacity，簡稱 FC)和凋萎濕度(Permanent WiltingPoint，簡稱PWP)間的水分含量，目前尚無直接測量土 壤有效含水量的方法，有效含水量主要是通過間接測量田間持水量以及凋萎濕度計(jì)算或者 利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算獲得。由于測量田間持水量和凋萎濕度需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力 以及時(shí)間，人們多期望通過分析土壤有效含水量與其他理化性質(zhì)之間相關(guān)性，建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)?型來計(jì)算獲得。根據(jù)中國不同地區(qū)，不同土壤類型和不同的剖面變化，白致威等基于統(tǒng)計(jì)方 法建立了利用常規(guī)土壤理化性質(zhì)計(jì)算AWC的線性回歸式和非線性回歸式：
[0023]線性擬合（回歸式）：
[0024] AffC = -20.359+25.730 X DB+2.223 X 0M ； R2 = 0.643 ； P<0.001 ；
[0025] 非線性擬合(回歸式）：
[0026] AWC = -80 · 227+96 · 749 XDB-27 · 734 X DB2+0 · 757 X clay-0 · 009 X clay2+3 · 328 X OM-0.200 X 0M2 ； R2 = 0.782 ； P<0.001；
[0027]注：公式中clay為砂粒含量(g/100g)，DB為土壤容重(g/cm3)，0M為土壤有機(jī)質(zhì)含 量(g/100g)〇
[0028]上述模型的預(yù)測精度經(jīng)驗(yàn)證為78.2 %，此模型來自參考文獻(xiàn)：白致威，段興武，丁 劍宏，劉剛，師小寧，馮德泰，韓絮.土壤有效含水量的經(jīng)驗(yàn)估算模型一以黑土為例[J].中國 農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015,31(20) :153-159·
[0029]本申請根據(jù)上述模型通過大量實(shí)驗(yàn)計(jì)算不同土壤質(zhì)地的土壤有效含水量，根據(jù) 公式:土壤水分虧缺值=土壤有效含水量*水分虧缺百分比，計(jì)算出土壤水分虧缺值并記錄 下各個(gè)待分析樣品的形貌，將不同形貌的待分析樣品與土壤有效含水量、土壤水分虧缺值、 水分虧缺百分比一一對照，制定出土壤含水量狀況的參考值判斷表(見表2)，并作為后續(xù)土 壤含水量百分比和水分萬缺值的分析依據(jù)。
[0030] (2)將待處理土樣填充至樣品凹坑5內(nèi)；
[0031] (3)將測量裝置豎直向下均勻用力推壓樣品平臺(tái)2上的待處理土樣，當(dāng)推力表1的 表盤3顯示35N時(shí)，停止用力；
[0032] (4)翻轉(zhuǎn)樣品平臺(tái)2,將土樣倒扣在平板上，得到半球形待分析樣品；
[0033] (5)觀察半球形待分析樣品的濕度和堅(jiān)實(shí)度以及所述樣品凹坑(5)上的水跡和散 土情況即可估算出土壤含水量百分比和土壤水虧缺值；
[0034] (6)重復(fù)上述步驟3次以上，求取平均值。
[0035]步驟(2)中所述待處理土樣的填充為充滿所述樣品凹坑5且高出所述樣品平臺(tái)2， 0·9-1·lcm〇
[0036] 本發(fā)明的有益效果為：與最接近的烘干法相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，短時(shí) 間內(nèi)即可得到準(zhǔn)確數(shù)值，不需要烘干土樣和測量土壤容重，根據(jù)24小時(shí)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算 后才得到結(jié)果。只需要用土鉆或者鐵鍬在田間取不同深度的土，利用本發(fā)明操作得到樣品 后并對比土壤含水量狀況表來判斷土壤有效含水量和水分虧缺值，簡單省時(shí)，測定結(jié)果準(zhǔn) 確，使用者可以通過快速判斷土壤水分含量和土壤水分虧缺值，決定灌溉措施，從而高效利 用水分。
【附圖說明】
[0037] 圖1是本發(fā)明測量土壤含水特性裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖中：1、推力表;2、樣品平臺(tái)；3、表盤;4、壓土板;5、樣品凹坑;6、中心軸;7、旋轉(zhuǎn) 接頭。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面給出本發(fā)明的4個(gè)具體實(shí)施例，通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要此 指出的是，本發(fā)明不局限于下述最佳實(shí)施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下都可得出其他各 種形式的產(chǎn)品，但不論在其形狀或結(jié)構(gòu)上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的 技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0040] 實(shí)施例1
[0041] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種測量土壤含水特性的裝置，包括測量裝置和樣品平 臺(tái)2;所述測量裝置包括壓土板4和推力表1，所述推力表1包括表盤3及中心軸6,所述中心軸 6-端連接所述表盤3,另一端豎直固定在所述壓土板4上;所述樣品平臺(tái)2中部設(shè)有樣品凹 坑5,所述測量裝置通過所述壓土板4對所述樣品凹坑5內(nèi)的樣品施加壓力以獲取待分析樣 品。
[0042]所述壓土板4上設(shè)有旋轉(zhuǎn)接頭7，所述旋轉(zhuǎn)接頭7與所述中心軸6旋接，以固定所述 推力表1和壓土板4。
[0043]所述壓土板4及樣品平臺(tái)2均為長方體，所述壓土板的長為20cm，寬為20cm，厚為 2cm，所述樣品平臺(tái)的長為20cm，寬為20cm，厚為5cm。所述樣品凹坑(5)為半球形，其半徑