一种土壤导气率原位高效测量方法
【专利说明】
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技术领域： 本发明涉及土壤物理技术领域，具体地讲是一种土壤导气率原位高效测量方法。
[0002]
【背景技术】： 土壤时刻与外接进行能量与物质的交换，土壤内部空气也在不停的运动，并不断的与 外界大气进行着交换。土壤导气率是指单位面积单位时间上土壤通过的气体数量，是反 映土壤特性对土壤空气更新速率的综合性影响指标。由于空气与水分共同存在于土壤孔隙 中，土壤水分的变化必然导致土壤中空气含量的变化，因此土壤空气和水之间渗透性关系 紧密，通过导气率的测定可以间接获得给定土壤饱和导水率和非饱和导水率相关信息。考 虑到土壤导气率的测量比导水率的测量省时、省力且对土壤结构扰动极小，特别是在需要 大规模数据测量的大田土壤水力特征研究中，基于土壤导气率的水力参数求解方法具有明 显优势。
[0003] 国内外学者提出不同的土壤导气率测定模型与方法。根据模型供气方式不同可分 为稳态法和瞬态法两大类；根据测量过程中气体运动边界条件不同，分为一维和三维两种 形式。一维测定方式通常为扰动土导气率测量，将待测土样处理后填装进土柱管测量；三维 测量方式通常为原状土导气率测量，将测量仪器插入待测土样中测量。一维和三维测量方 式通常又与稳态、瞬态法相结合，称一维或三维稳态法、一维或三维瞬态法。传统土壤导气 率测量方法多为稳态法，该方法在研究土体的一端持续施加稳定气压，然后测量通过土体 的空气数量，根据土壤空气对流方程得出土壤导气率。稳态法测量技术成熟，试验时需压缩 机等相关设备提供稳定气压，并用流量计等仪器测量通过土壤的空气数量，试验设备复杂 昂贵。瞬态测量方法是指通过记录被测土样密封端压力动态变化，得到土样密封端压力随 时间的变化关系，根据相关模型计算得出土壤导气率。瞬态模型的优势是无需测量通过土 样的空气流量，试验所需供气压力小，对土样扰动小，但计算稍显复杂。
[0004] 土壤导气率原位测量中会受到一些实际的问题的困扰，比如利用于瞬态法时，当 测量透气性良好土壤时，每次测量用气量很大，须用打气筒或者其他供气源对储气筒连续 的供气，非常耗电或者消耗体力，单位时间内测量的样点数目有限，导致测量效率大打折 扣。如何提高测量效率是土壤导气率原位测量中亟待解决的关键技术难题。
[0005]
【发明内容】
： 本发明的目的是克服已有技术的不足，而提供一种土壤导气率原位高效测量方法；主 要解决现有的土壤导气率原位测量效率低的问题。
[0006] 本发明的技术方案是：一种土壤导气率原位高效测量方法，采用如下装置，装置包 括供气源，供气源通过导气软管连通储气筒上的第一导气管，储气筒上的另一支第二导气 管通过导气软管连通测筒上的第三导气管，测筒上另一支第四导气管通过软管连通气压测 量计；所述的第一导气管和第二导气管穿过密封在储气筒上的第一橡皮塞与储气筒相通， 第三导气管和第四导气管穿过密封在测筒上的第二橡皮塞与测筒相通；其特殊之处在于， 测量方法包括以下步骤： 1)将内径为D (m)的测筒垂直打入到待测位置土壤表面一定的深度L2(m)处，打入之 前在测筒外表面均匀涂抹石蜡或者凡士林，以防止测筒与土壤之间存在漏气的缝隙； 2) 将直径为D (m)、高度为(m)、已知导气率为Kal (m2)的低渗透性参照样品放置于测 筒内土壤之上，并在测筒内壁均匀涂抹一薄层石蜡或者凡士林，防止测筒与低渗透性参照 样品之间存在漏气的缝隙； 3) 利用供气源向测筒供气，当气压测量计测定的测筒内相对压强(测筒内空气压强减 去外界大气压）达到某一预定值Λ P (pa)时停止供气； 4) 停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒内空气压强的变化，按照先疏 后密的原则记录测筒压强P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒内空气的压强接近大气 压时，停止观测；
5) 以时间t为因变量，测筒的相对压强(测筒内空气压强减去外界大气压即P(t)-Patni) 的自然对数值Ln (P(t)-PaJ为自变量，以二者确定的直线斜率作为被测土壤的空气传导 特征参数S ; 6) 将得到的空气传导特征参数S代入公式 即可计算土 壤的导气率Ka2(m2)，公式中V是储气筒和测筒内空间所占的容积m3, A表示直径为D 的低渗透性参照样品的横截面积m2; 为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，
D ;代表周围的大气压力，_p ;G为与f有关 的形状系1
;0、厶？山山的含义同步骤8、13; g换到下一个测量点，重复步骤1) 一6)即可测算下一个位置处的土壤导气率。
[0007] 进一步的，所述的计算土壤的导气率采用的土壤导气率计算模型为： 利用供气源向测筒供气，当气压测量计测定的测筒内相对压强(测筒内空气压强减去 外界大气压）达到某一预定值Λ P(pa)时停止供气；停止供气同时开始计时，并观测气压测 量计所测测筒内空气压强的变化，按照先疏后密的原则记录测筒内空气压强P(t)变化过 程对应的累积时间t，当测筒内的空气压强接近外界大气压时，停止观测；以时间t为因变 量，测筒内空气相对压强(测筒内空气压强减去外界大气压即P(t)_Patni)的自然对数值In (P(t)_PaJ为自变量，以二者确定的直线斜率作为被测土壤的空气传导特征参数S;已知 低渗透性参照样品的导气率为Kal，设被测土壤的导气率为Ka2，设测量过程中低渗透性参照 样品所对应的供气空间体积为I，被测土壤对应的供气空间体积为V2，根据瞬态导气率传 输理论可得：
式（1) (2)中的各有关参数的含义同前； 式（2)中G为与
有关的形状系数
由式（1)可得：
[0008] 本发明的一种土壤导气率原位高效测量方法和已有技术相比具有突出的实质性 特点和显著进步：1、通过引入已知导气率的低渗透性参照样品，在同样的供气压力下能够 有效降低气体的流量，从而大为减少在土壤导气率测量过程中的用气量，达到同样的用气 量条件下显著增加测量样本数目的目的，从而有效提高了野外土壤导气率的测量效率；2、 根据土壤空气传到基本理论，在对供应气体体积分解的基础上对待测土壤和低渗透性参照 样品，分别利用一维瞬态和三维瞬态导气理论，依据体积守恒原理得到基于参照样品导气 率的土壤导气率计算模型，为本方法的应用奠定了坚实的理论基础。
[0009]
【附图说明】： 图1为本发明的测量装置的连接示意图。
[0010]
【具体实施方式】： 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例仅 用于说明本发明，并非用来限制本发明的范围。
[0011] 实施例1，参见图1，供气源1采用打气筒，打气筒的气门嘴2通过导气软管连通储 气筒3上的第一导气管5,储气筒3上的另一支第二导气管4通过导气软管连通测筒7上 的第三导气管10,测筒7上另一支第四导气管11通过软管连通气压测量计8 ;第一导气管