一種基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明涉及土壤物理領(lǐng)域，具體地講是一種基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量方 法。
[0002]
【背景技術(shù)】： 土壤時刻與外接進行能量與物質(zhì)的交換，土壤內(nèi)部空氣也在不停的運動，并不斷的與 外界大氣進行著交換。土壤導(dǎo)氣率是指單位面積單位時間上土壤通過的氣體數(shù)量，是反 映土壤特性對土壤空氣更新速率的綜合性影響指標。由于空氣與水分共同存在于土壤孔隙 中，土壤水分的變化必然導(dǎo)致土壤中空氣含量的變化，因此土壤空氣和水之間滲透性關(guān)系 緊密，通過導(dǎo)氣率的測定可以間接獲得給定土壤飽和導(dǎo)水率和非飽和導(dǎo)水率相關(guān)信息?？?慮到土壤導(dǎo)氣率的測量比導(dǎo)水率的測量省時、省力且對土壤結(jié)構(gòu)擾動極小，特別是在需要 大規(guī)模數(shù)據(jù)測量的大田土壤水力特征研究中，基于土壤導(dǎo)氣率的水力參數(shù)求解方法具有明 顯優(yōu)勢。
[0003] 土壤空氣來自于大氣，是土壤的重要組成部分，存在于土壤孔隙中，并不斷的在土 壤孔隙中運動，同時與大氣進行氣體交換。土壤空氣對作物種子發(fā)芽、出苗、后期成長與成 熟以及作物對養(yǎng)分吸收、及各種營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化都有重要的作用甚至是起決定性的作用。 同時土壤中的微生物的活動、物理和化學過程都有土壤空氣狀況直接有關(guān)。土壤空氣狀況 良好時，土壤中喜氧微生物活動和繁殖能力增強，土壤有機質(zhì)分解迅速且徹底，礦質(zhì)化明顯 加快，有利于作物對養(yǎng)分吸收利用。反之，土壤空氣狀況不良時，土壤中各種有利微生物活 動受到抑制，有機質(zhì)分解慢且不徹底，不利于作物對養(yǎng)分吸收，影響作物生長，最終導(dǎo)致作 物減產(chǎn)。因此，土壤空氣狀況對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極其重要，是影響土壤肥力的重要因素之一。
[0004] 國內(nèi)外學者提出不同的土壤導(dǎo)氣率測定模型與方法。根據(jù)模型供氣方式不同可分 為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩大類；根據(jù)測量過程中氣體運動邊界條件不同，分為一維和三維兩種 形式。一維測定方式通常為擾動土導(dǎo)氣率測量，將待測土樣處理后填裝進土柱管測量；三維 測量方式通常為原狀土導(dǎo)氣率測量，將測量儀器插入待測土樣中測量。一維和三維測量方 式通常又與穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)法相結(jié)合，稱一維或三維穩(wěn)態(tài)法、一維或三維瞬態(tài)法。傳統(tǒng)土壤導(dǎo)氣 率測量方法多為穩(wěn)態(tài)法，該方法在研究土體的一端持續(xù)施加穩(wěn)定氣壓，然后測量通過土體 的空氣數(shù)量，根據(jù)土壤空氣對流方程得出土壤導(dǎo)氣率。穩(wěn)態(tài)法測量技術(shù)成熟，試驗時需壓縮 機等相關(guān)設(shè)備提供穩(wěn)定氣壓，并用流量計等儀器測量通過土壤的空氣數(shù)量，試驗設(shè)備復(fù)雜 昂貴。瞬態(tài)測量方法是指通過記錄被測土樣密封端壓力動態(tài)變化，得到土樣密封端壓力隨 時間的變化關(guān)系，根據(jù)相關(guān)模型計算得出土壤導(dǎo)氣率。瞬態(tài)模型的優(yōu)勢是無需測量通過土 樣的空氣流量，試驗所需供氣壓力小，對土樣擾動小，但計算稍顯復(fù)雜。
[0005] 土壤導(dǎo)氣率野外測量中會受到一些實際的問題的困擾，比如利用于穩(wěn)態(tài)法時，由 于受蓄電池電量或者壓縮機容量的限制，特別是當測量透氣性良好土壤時，每次測量時用 氣量很大，須對設(shè)備反復(fù)的充電，很不方便，單位時間內(nèi)測量的樣點數(shù)目有限，導(dǎo)致測量效 率大打折扣。如何提高測量效率是土壤導(dǎo)氣率野外測量中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。
[0006] 本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的不足，而提供一種基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原 位測量方法；同時提供一種基于參照樣品導(dǎo)氣率的土壤導(dǎo)氣率計算模型；主要解決現(xiàn)有的 方法測量效率低的問題。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量方法，采用如下 裝置，該裝置包括供氣源，所述的供氣源通過左導(dǎo)氣軟管連接左導(dǎo)氣管，左導(dǎo)氣管和右導(dǎo)氣 管穿過橡皮塞與測筒相通連接，右導(dǎo)氣管通過右導(dǎo)氣軟管連接壓力計，橡皮塞與測筒密封 連接；其特殊之處在于，測量方法包括以下步驟： (1) 將內(nèi)徑為D (m)的測筒垂直打入到待測位置土壤表面一定的深度L2(m)處，在測筒 外表面涂抹石蠟或者凡士林，防止測筒與土壤之間漏氣； (2) 將直徑為D(m)、高度為Q (m)、導(dǎo)氣率為Kal (m2)的低滲透性參照樣品放置于測筒內(nèi) 土壤之上，在測筒內(nèi)壁涂抹石蠟或者凡士林，防止測筒與低滲透性參照樣品之間漏氣； (3) 利用供氣源向測筒供氣，當供氣流量達到某一穩(wěn)定直Q(m3/s)時，記錄下對應(yīng)的測 筒內(nèi)壓力值Λ P(pa)并停止供氣，該位置處土壤導(dǎo)氣率測量過程結(jié)束； (4) 利用模型計算被測土壤的導(dǎo)氣率Ka2(m2):
上式中A表示直徑為D的測筒的橫截面積m2; #為空氣粘滯系數(shù)，與所處環(huán)境溫度T有 關(guān)，
；G為與有關(guān)的形狀系數(shù)
；Q、D、 的含義同步驟（1) (2) (3); (5) 換到下一個測量點，重復(fù)步驟（1) (2) (3) (4)即可。
[0008] 進一步的，所述的計算被測土壤的導(dǎo)氣率Ka2的模型為基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣 率原位測量模型： 已知低滲透性附加參照樣品的導(dǎo)氣率為Kal，設(shè)被測土壤的導(dǎo)氣率為Ka2，當供氣流量達 到穩(wěn)定數(shù)值Q(m3/s)時，對應(yīng)的測筒內(nèi)空氣壓力值為Λ P(pa)，設(shè)此時低滲透性附加參照樣 品上下表面的空氣氣壓差為Λ Pi，作用在測筒內(nèi)被測土壤上表面的壓力與外圍大氣壓的差 值為Λ P2，根據(jù)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)氣率傳輸理論可得：
式（1) (2)中的Q、D、Lp L2的含義同前；為空氣粘滯系數(shù)，與所處環(huán)境溫度T有關(guān)，
式（2)中G為與有關(guān)的形狀系數(shù)i
由式（1) (2)可得：
[0009] 本發(fā)明所述的一種基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量方法與已有技術(shù)相比具 有突出的實質(zhì)性特點和顯著進步：通過引入已知導(dǎo)氣率的低滲透性參照樣品，在同樣的供 氣壓力下能夠有效降低氣體的流量，從而大為減少在土壤導(dǎo)氣率測量過程中的用氣量，達 到同樣的用氣量條件下顯著增加測量樣本數(shù)目的目的，從而有效提高了野外土壤導(dǎo)氣率的 測量效率；根據(jù)土壤空氣傳到基本理論，在對作用壓力分解的基礎(chǔ)上對待測土壤和低滲透 性參照樣品，分別利用一維穩(wěn)態(tài)和三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)氣理論求解，依據(jù)壓力守恒原理得到基于參 照樣品導(dǎo)氣率的土壤導(dǎo)氣率計算模型，為本方法的應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。
[0010]
【附圖說明】： 圖1為本發(fā)明的裝置測量連接示意圖。
[0011]
【具體實施方式】： 為了更好地理解與實施，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步 詳細描述。以下實施例僅用于解釋本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0012] 實施例1，參見圖1，根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的空氣壓縮機1做為供氣源，空氣壓縮 機1上安裝壓縮機充電開關(guān)2、儲氣瓶壓力指示表3、儲氣并閥門4、減壓閥5和氣體流量計 6 ;將空氣壓縮機1的儲氣瓶通過左導(dǎo)氣軟管連接左導(dǎo)氣管8,左導(dǎo)氣管8和右導(dǎo)氣管7穿 過橡皮塞9與測筒10相通連接，將右導(dǎo)氣管7通過右導(dǎo)氣軟管連接壓力計11，壓力計11為 U型管壓力計，橡皮塞9與測筒10密封連接； 采用上述裝置，基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量模型為： 已知低滲透性參照樣品的導(dǎo)氣率為Kal，設(shè)待測土壤的導(dǎo)氣率為Ka2，設(shè)低滲透性參照 樣品上下表面的大氣壓力差為Λ Pi，作用在測筒內(nèi)土壤表面的壓力與外圍大氣壓的差值為 Λ P2，根據(jù)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)氣率傳輸理論可得：
式（1) (2)中的〇、0、1^、1^的含義同步驟（1)(2)(3);::||為空氣粘滯系數(shù)，與所處環(huán) 境溫度T有關(guān)，
式（2)中G為與有關(guān)的形狀系數(shù) 由式（1) (2)可得：

采用上述裝置和基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量模型，基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣 率原位測量方法如下： 將內(nèi)徑為D (m)的測筒7垂直打入到待測位置土壤表面一定的深度L2(m)處，在測 筒7外表面涂抹石蠟或者凡士林，防止測筒7與土壤之間漏氣；將直徑為D(m)、高度為 Q (m)、導(dǎo)氣率為Kal(m2)的低滲透性7參照樣品12放置于測筒7內(nèi)土壤之上，在測筒7內(nèi) 壁涂抹石蠟或者凡士林，防止測筒7與低滲透性7參照樣品之間漏氣；利用供氣源向測筒 供氣，當供氣流量達到某一穩(wěn)定直Q(m3/s)時，記錄下對應(yīng)的測筒7內(nèi)壓力值Λ P(pa)并 停止供氣，該位置處土壤導(dǎo)氣率測量過程結(jié)束；利用模型計算被測土壤的導(dǎo)氣率Ka2(m2):
上式中A表示直徑為D的低滲透性附加參照樣品的橫截面積m2; //為空氣粘滯系數(shù)， 與所處環(huán)境溫度T有關(guān)，.
；G為與#有關(guān)的形狀系數(shù)
;Q、D、A P、Q、L2的含義同前；）換到下一個測量點，重復(fù) 上述步驟即可。
【主權(quán)項】
1. 一種基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量方法，采用如下裝置，該裝置包括供氣源， 所述的供氣源通過左導(dǎo)氣軟管連接左導(dǎo)氣管（8)，左導(dǎo)氣管（8)和右導(dǎo)氣管（7)穿過橡皮塞 (9)與測筒（10)相通連接，右導(dǎo)氣管（7)通過右導(dǎo)氣軟管連接壓力計（11)，橡皮塞（9)與測 筒（10)密封連接；其特征在于，測量方法包括以下步驟： (1) 將內(nèi)徑為D (m)的測筒（7)垂直打入到待測位置土壤表面一定的深度L2(m)處，在 測筒（7)外表面涂抹石蠟或者凡士林，防止測筒（7)與土壤之間漏氣； (2) 將直徑為D (m)、高度為L1 (m)、導(dǎo)氣率為Kal (m2)的低滲透性參照樣品（12)放置于 測筒（7)內(nèi)土壤之上，在測筒（7)內(nèi)壁涂抹石蠟或者凡士林，防止測筒（7)與低滲透性參照 樣品（12)之間漏氣； (3) 利用供氣源向測筒（7)供氣，當供氣流量達到某一穩(wěn)定直Q(m3/s)時，記錄下對應(yīng) 的測筒（7)內(nèi)空氣壓力值Λ P(pa)并停止供氣，該位置處土壤導(dǎo)氣率測量過程結(jié)束； (4) 利用以下模型計算被測土壤的導(dǎo)氣率Ka2On2):上式中A表示直徑為D的測筒的橫截面積m2; 0為空氣粘滯系數(shù)，與所處環(huán)境溫度T 有關(guān)，：；G為與：有關(guān)的形狀系數(shù)Λ Ρ、Ι^、L2的含義同步驟（1) (2) (3); (5) 換到下一個測量點，重復(fù)步驟（1) (2) (3) (4)即可。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量方法，其特征在 于，所述的計算被測土壤導(dǎo)氣率Ka2的模型為基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位計算模型： 已知低滲透性附加參照樣品的導(dǎo)氣率為Kal，設(shè)被測土壤的導(dǎo)氣率為Ka2，當供氣流量達 到穩(wěn)定數(shù)值Q(m3/s)時，對應(yīng)的測筒內(nèi)空氣壓力值為Λ P(pa)，設(shè)此時低滲透性附加參照樣 品上下表面的空氣氣壓差為Λ P1，作用在測筒內(nèi)被測土壤上表面的壓力與外圍大氣壓的差 值為Λ P2，根據(jù)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)氣率傳輸理論可得：式（1) (2)中的Q、DhLpL2的含義同權(quán)利要求1中步驟（1) (2) (3); ·為空氣粘滯 系數(shù)，與所處環(huán)境溫度T有關(guān)，式（2)中G為與有關(guān)的形狀系數(shù)I由式（1) (2)可得：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于穩(wěn)態(tài)原理的土壤導(dǎo)氣率原位測量方法，其特點是，通過引入已知導(dǎo)氣率的低滲透性附加參照樣品，在同樣的供氣壓力下能夠大幅度降低氣體流量，從而有效提高了野外土壤導(dǎo)氣率的測量效率；根據(jù)土壤空氣傳到基本理論，依據(jù)壓力守恒原理得到基于低滲透性附加參照樣品導(dǎo)氣率的土壤導(dǎo)氣率計算模型，為本方法的應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。
【IPC分類】G01N15/08, G01N7/10
【公開號】CN105352845
【申請?zhí)枴緾N201510798205
【發(fā)明人】張振華, 楊潤亞
【申請人】張振華
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月19日