一種檢測土壤固有水吸力的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種檢測土壤固有水吸力的方法，屬于農(nóng)業(yè)水土保持和農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域。本發(fā)明以混合物質(zhì)化學勢的吉布斯函數(shù)為基礎(chǔ)，推導出土壤水勢ψS和含水量P的關(guān)系式，通過測定待測土壤的土壤水勢ψS和相應時刻的含水量P，建立了土壤水勢ψS和含水量P之間的數(shù)學模型，并確定模型中的參數(shù)，然后將含水量P＝0代入土壤水勢ψS和含水量P的數(shù)學模型，即可獲得土壤含水量為0時的土壤水勢，定義土壤含水量為0時的土壤水勢的絕對值為待測土壤的固有水吸力，本發(fā)明可為評判土壤保水力和作物灌溉提供科學數(shù)據(jù)。
【專利說明】
-種檢測±壤固有水吸力的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)水±保持和農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，具體設(shè)及到一種檢測±壤固有水吸力 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] ±壤含水量是影響作物生長的重要因素，因為±壤含水量的高低直接決定著±壤 水勢的大小。作物生長過程中，±壤水勢起著重要的作用。±壤水吸力是反映±壤吸水能力 的重要指標，不僅影響植物對水分的吸收，同時也會影響作物對養(yǎng)分的利用。
[0003] 目前，±壤含水量的監(jiān)測方法有TDR法、中子法、丫射線法、烘干稱重法、±壤電阻 法等;±壤水勢的檢測儀器主要有張力計、真空表和露點水勢儀。±壤含水量的檢測方法很 多，而且精度已經(jīng)達到了很高的水平，但是±壤水勢的檢測方法相對要單一很多。張力計由 Ξ部分組成，多孔陶制杯、壓力計及陶制杯和壓力計的連接管;張力計是測量基質(zhì)勢的主要 方法，±壤水勢是由溶質(zhì)勢、基質(zhì)勢、壓力勢等共同作用的結(jié)果，基質(zhì)勢是±壤眾多±壤水 勢成因之一，具有局限性，且張力計測定范圍很?。凰a振平等(薬振平，邵孝侯，張富倉，等. ±壤學與農(nóng)作學[M].北京：中國水利水電出版社，2009:82-84.)在《±壤學與農(nóng)作學》一書 中指出張力計的測定范圍通常為-0.8~OMpa，不能檢測±壤含水量低時的±壤水勢；除此 之外，張力計的埋設(shè)方法也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，所W精確度也較低。真空表原理和張力 計是相同的，所W精度也很低。
[0004] 露點水勢儀是通過熱電偶傳感器來?？跍y量水勢的儀器，在露點溫度下自動維持 熱電偶結(jié)點溫度持續(xù)感應與控制電路，精確度很高，而且穩(wěn)定;近年來，很多關(guān)于上壤水勢 的研究都是W露點水勢儀作為觀測儀器;根據(jù)露點水勢儀原理，待測±壤必須含有水分才 能進行檢測，即無法準確檢測含水量極低時±壤水勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種檢測±壤固有水吸力的方法，不僅構(gòu)建 了±壤水勢和含水量之間的關(guān)系模型，而且能獲得不同±壤含水量為0時±壤的水勢值;通 過±壤的固有水吸力，可W分析±壤的性質(zhì)，了解±壤吸附水的能力，為深入了解±壤性質(zhì) 提供技術(shù)支持。
[0006] 本發(fā)明是通過W下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0007] -種檢測±壤固有水吸力的方法，包括步驟：
[0008] 步驟1)，取野外或田間適量待測±壤樣品，置于干凈平整的臺面攤薄，風干后去除 雜物，并將±壤樣品娠碎；
[0009] 步驟2)，用環(huán)刀法檢測±壤樣品的田間持水量，記為C;
[0010] 步驟3)，取上述娠碎后的等質(zhì)量的±壤樣品兩份，并標記為±壤樣品A和8，向±壤 樣品中加水，使其含水量達到±壤樣品的田間持水量，拌和均勻，裝入相同的容器；
[001。 步驟4)，將±壤樣品A和B，同時放在同一環(huán)境下，使其連續(xù)失水；
[0012] 步驟5)，分別測定不同失水時刻±壤樣品4的±壤水勢及相應時刻±壤樣品B 的含水量P，根據(jù)±壤樣品4的±壤水勢相的變化情況連續(xù)測量10~15組數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟6)，根據(jù)步驟5)測得的數(shù)據(jù)，構(gòu)建出待測±壤水勢相和含水量P的數(shù)學模型（1 +P)4s = yo+kln(l+P)，y日和k為模型參數(shù)；
[0014] 步驟7)，依據(jù)待測±壤水勢相和含水量P的數(shù)學模型，獲取待測±壤樣品的固有水 吸力。
[0015] 進一步，所述步驟3)中向±壤樣品中加水，±壤與水的質(zhì)量比為1: C。
[0016] 進一步，所述步驟6)中yo和k的值是通過±壤水勢化和含水量P的數(shù)學模型（1+Ρ)Φ5 = yo+kln(l+P)擬合確定的。
[0017] 更進一步，所述步驟6)中7〇為±壤含水量為0時的水勢值，yo的絕對值用4so表示， 4so= |yo|，則相質(zhì)示測定±壤的固有水吸力。
[001引本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 1.由本發(fā)明獲取的±壤的固有水吸力信息是待測±壤固有的，不受測定的溫度、 濕度等氣候和生態(tài)因子的限制，測定的結(jié)果具有可比性。
[0020] 2.本發(fā)明獲取的±壤的固有水吸力信息可W用來比較不同±壤的吸收水分能力。
[0021] 3.本發(fā)明的模型是依據(jù)混合物質(zhì)化學勢的吉布斯函數(shù)為基礎(chǔ)推導出的±壤水勢 公式的，是有著機理背景的模型，具有可靠性。應用該模型可W測定的水分含量范圍大的± 壤水勢，0-100 %的±壤水分含量都可W依據(jù)本發(fā)明測出它的水勢;可W測定一般水勢儀因 精度和靈敏度的限制難W測出的極低含水量(小于2%的含水量)的±壤水勢。
[0022] 4.本發(fā)明的±壤的固有水吸力的測定方法、步驟和計算簡單，費時少，利于普及。
【附圖說明】
[0023] 圖1為兩種±壤的±壤水勢和含水量之間關(guān)系的散點圖。
[0024] 圖中：▼-±樣1實測數(shù)據(jù)，?-±樣2實測數(shù)據(jù)。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不 僅限于此。
[00%]本發(fā)明是從鎮(zhèn)江市濱江濕地采集的壤±和壤質(zhì)黏±兩種±樣進行測定。
[0027]步驟1)，在濱江濕地取兩種待測±壤樣品20kg，一種是壤±記為±樣1，另一種是 壤質(zhì)黏±記為±樣2,置于干凈平整的臺面攤薄，風干后去除雜物，并將±壤樣品娠碎。
[002引步驟2)，用環(huán)刀法檢測±樣1和±樣2的田間持水量，分別為Cl = 23.8 %和C2 = 35.4%。
[0029] 步驟3)，取娠碎后的±樣1兩份各化g，并標記為±壤樣品A1、B1，分別向A1、B1中加 入1.19kg水，使其達到±樣1的田間持水量，拌和均勻，裝入相同的容器;±樣2按同樣的方 法進行處理，±樣2的兩份化g的樣品標記為±壤樣品A2、B2,分別向A2、B2中加入1.77kg水， 使其達到±樣2的田間持水量。
[0030] 步驟4)，±壤樣品41、42、81、82同時放在同一環(huán)境下，使其連續(xù)失水。
[0031] 步驟5)，分別測定不同失水時刻±壤樣品41、42的±壤水勢fcW及相應時刻±壤 樣品B1、B2的含水量P，根據(jù)±壤樣品41、42的±壤水勢相的變化情況連續(xù)測量15組數(shù)據(jù)；
[0032] ±壤水勢相的測定方法為:將露點水勢儀的兩個±壤水勢探頭分別插入步驟2)中 裝入容器的±壤樣品A1、A2內(nèi)部8~10cm深處進行測定;±壤含水量P是通過測定相應時刻 ±壤樣品B1、B2的質(zhì)量來獲取的。
[0033] 步驟6)，依據(jù)上述測得的±壤樣品41、42的±壤水勢相及相應時刻±壤樣品B1和 B2的含水量P，構(gòu)建待測±壤水勢相和含水量P的數(shù)學模型，具體的構(gòu)建過程為：
[0034] 由物質(zhì)化學勢的吉布斯函數(shù)u = AG〇+RT · InX，物質(zhì)A、B的化學勢UA，加分別表示 為：
[0035] ua=Ga+RT InXA (1)
[0036] 加 = Gb+RT In姑 （2)
[0037] 上述（1)、（2)式中，Ga、Gb分別是物質(zhì)A和物質(zhì)B的標準吉布斯自由能，Xa、Xb分別是 物質(zhì)A和物質(zhì)B的摩爾濃度，R為氣體常數(shù)，T為環(huán)境溫度。
[0038] 因此，混合后系統(tǒng)的吉布斯自由能G可W用化學勢表示成：
[0039] G = ua Xa+ub Xb (3)
[0040] 也即混合后系統(tǒng)的吉布斯自由能G為：
[0041] G=(Ga+RT lnXA)XA+(GB+RT In姑）姑 （4)
[0042] 含水±壤可看成±壤和水兩種物質(zhì)的混合系統(tǒng)，±壤水勢是該系統(tǒng)的化學勢，± 壤看成物質(zhì)A，水看成物質(zhì)B，因此(3)式可表示為：
[0043] 相二化 Xs+uw Xw (5)
[0044] 式中，相為±壤水勢，115為±壤的化學勢，uw為水的化學勢，X沸Xw分別±壤和水的 濃度。
[0045] 因為(5)式中uw=0,因此(5)式可簡化成：
[0046] 相=化 Xs (6)
[0047] 將±壤的化學勢us = dG〇+RT . 1〇乂5及±壤的濃度Xs= ^慚表達式代入(6)式，可 得：
[004引
（7)
[0049] (7)式可變換成：
[0化0] (l+P)its=MdG〇+MRTlnM-RTM ln(l+P) (8)
[0051] 式中，恥為待測±壤水勢，單位為MPa;P為待測±壤含水量，單位為％，(16〇為±壤的 標準自由能;Μ為摩爾濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)。
[0052 ]令y 日=MdGo+MRT InM，k = -RTM，則（8)式可變成：
[0053] (l+P)its = yo+kln(l+P) (9)
[0054] 將(9)式中的（l+P)4sWf(x)代替，ln(l+P)用X表示，則(9)式可寫成：
[0055] f(x)=y〇+kx (10)
[0056] 通過f(x)和X的數(shù)學模型f(x)=yo+kx擬合確定yo和k的值。
[0057] 用Sigmaplotl2.5對兩種±樣的±壤水勢和含水量P的關(guān)系進行作圖，如圖1所 示；由Excel對f(x)和X的關(guān)系進行擬合，擬合效果及方程如表1所示。
[0058] 表1兩種±樣±壤水勢與含水量之間的擬合效果及方程
[0化9]
[0060] 步驟7)，將上述擬合確定的參數(shù)y日代入公式(9)，當P = 0時，4s = yo;即y日表示±壤 含水量為0時，±壤水勢值的大小;該值的絕對值I yo I表示±壤的固有水吸力相〇,反映了± 壤固有的對水的吸附能力。
[0061] 從表1可W看出，兩種±壤的yo值是不同的，±樣1和±樣2的固有水吸力分別為 3.683MPa和4.485MPa，說明±樣1對水分的吸附能力要低于±樣2，也即壤±的固有水吸力 比壤質(zhì)黏±的固有水吸力要小，運與水分含量相同時，黏±水吸力大于壤±的水吸力的事 實是相符的。
[0062] W上對本發(fā)明所提供的一種檢測±壤固有水吸力的方法進行了詳細介紹，本文應 用了具體個例對本發(fā)明的原理和實施方式進行了闡述，所要說明的是，W上所述僅為本發(fā) 明的較佳實施例而已，并不用W限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修 改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種檢測土壤固有水吸力的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1)，取野外或田間適量待測土壤樣品，置于干凈平整的臺面攤薄，風干后去除雜 物，并將土壤樣品碾碎； 步驟2 )，用環(huán)刀法檢測土壤樣品的田間持水量，記為C; 步驟3)，取上述碾碎后的等質(zhì)量的土壤樣品兩份，并標記為土壤樣品A和B，向土壤樣品 中加水，使其含水量達到土壤樣品的田間持水量，拌和均勻，裝入相同的容器； 步驟4)，將土壤樣品A和B，同時放在同一環(huán)境下，使其連續(xù)失水； 步驟5)，分別測定不同失水時刻土壤樣品A的土壤水勢如以及相應時刻土壤樣品B的含 水量P，根據(jù)土壤樣品A的土壤水勢如的變化情況連續(xù)測量10~15組數(shù)據(jù)； 步驟6)，根據(jù)步驟5)測得的數(shù)據(jù)，構(gòu)建出待測土壤水勢如和含水量P的數(shù)學模型（1+Ρ)φ5 = yo+kln(l+P)，yo和k為模型參數(shù)； 步驟7 )，依據(jù)待測土壤水勢如和含水量P的數(shù)學模型，獲取待測土壤樣品的固有水吸力。2. 如權(quán)利要求1所述一種檢測土壤固有水吸力的方法，其特征在于，所述步驟3)中向土 壤樣品中加水，土壤與水的質(zhì)量比為1:C。3. 如權(quán)利要求1所述一種檢測土壤固有水吸力的方法，其特征在于，所述步驟6)中yo和k 的值是通過土壤水勢如和含水量P的數(shù)學模型（l+P)its=yQ+kln( 1+P)擬合確定的。4. 如權(quán)利要求1所述一種檢測土壤固有水吸力的方法，其特征在于，所述步驟6)中y〇為 土壤含水量為〇時的水勢值，y〇的絕對值用如〇表示，即如〇= |yo|，則如〇表示測定土壤的固有 水吸力。
【文檔編號】G01N33/24GK105823864SQ201610125465
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月4日
【發(fā)明人】吳沿友, 胡林生, 邢德科, 于睿, 吳沿勝, 黎明鴻
【申請人】江蘇大學