一种检测土壤固有水吸力的方法
【专利摘要】本发明公开了一种检测土壤固有水吸力的方法，属于农业水土保持和农业工程领域。本发明以混合物质化学势的吉布斯函数为基础，推导出土壤水势ψS和含水量P的关系式，通过测定待测土壤的土壤水势ψS和相应时刻的含水量P，建立了土壤水势ψS和含水量P之间的数学模型，并确定模型中的参数，然后将含水量P＝0代入土壤水势ψS和含水量P的数学模型，即可获得土壤含水量为0时的土壤水势，定义土壤含水量为0时的土壤水势的绝对值为待测土壤的固有水吸力，本发明可为评判土壤保水力和作物灌溉提供科学数据。
【专利说明】
-种检测±壤固有水吸力的方法
技术领域
[0001] 本发明属于农业水±保持和农业工程领域，具体设及到一种检测±壤固有水吸力 的方法。
【背景技术】
[0002] ±壤含水量是影响作物生长的重要因素，因为±壤含水量的高低直接决定着±壤 水势的大小。作物生长过程中，±壤水势起着重要的作用。±壤水吸力是反映±壤吸水能力 的重要指标，不仅影响植物对水分的吸收，同时也会影响作物对养分的利用。
[0003] 目前，±壤含水量的监测方法有TDR法、中子法、丫射线法、烘干称重法、±壤电阻 法等;±壤水势的检测仪器主要有张力计、真空表和露点水势仪。±壤含水量的检测方法很 多，而且精度已经达到了很高的水平，但是±壤水势的检测方法相对要单一很多。张力计由 Ξ部分组成，多孔陶制杯、压力计及陶制杯和压力计的连接管;张力计是测量基质势的主要 方法，±壤水势是由溶质势、基质势、压力势等共同作用的结果，基质势是±壤众多±壤水 势成因之一，具有局限性，且张力计测定范围很小；薬振平等(薬振平，邵孝侯，张富仓，等. ±壤学与农作学[M].北京：中国水利水电出版社，2009:82-84.)在《±壤学与农作学》一书 中指出张力计的测定范围通常为-0.8~OMpa，不能检测±壤含水量低时的±壤水势；除此 之外，张力计的埋设方法也会对测量结果产生影响，所W精确度也较低。真空表原理和张力 计是相同的，所W精度也很低。
[0004] 露点水势仪是通过热电偶传感器来专口测量水势的仪器，在露点溫度下自动维持 热电偶结点溫度持续感应与控制电路，精确度很高，而且稳定;近年来，很多关于上壤水势 的研究都是W露点水势仪作为观测仪器;根据露点水势仪原理，待测±壤必须含有水分才 能进行检测，即无法准确检测含水量极低时±壤水势。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种检测±壤固有水吸力的方法，不仅构建 了±壤水势和含水量之间的关系模型，而且能获得不同±壤含水量为0时±壤的水势值;通 过±壤的固有水吸力，可W分析±壤的性质，了解±壤吸附水的能力，为深入了解±壤性质 提供技术支持。
[0006] 本发明是通过W下技术手段实现上述技术目的的。
[0007] -种检测±壤固有水吸力的方法，包括步骤：
[0008] 步骤1)，取野外或田间适量待测±壤样品，置于干净平整的台面摊薄，风干后去除 杂物，并将±壤样品娠碎；
[0009] 步骤2)，用环刀法检测±壤样品的田间持水量，记为C;
[0010] 步骤3)，取上述娠碎后的等质量的±壤样品两份，并标记为±壤样品A和8，向±壤 样品中加水，使其含水量达到±壤样品的田间持水量，拌和均匀，装入相同的容器；
[001。 步骤4)，将±壤样品A和B，同时放在同一环境下，使其连续失水；
[0012] 步骤5)，分别测定不同失水时刻±壤样品4的±壤水势及相应时刻±壤样品B 的含水量P，根据±壤样品4的±壤水势相的变化情况连续测量10~15组数据；
[0013] 步骤6)，根据步骤5)测得的数据，构建出待测±壤水势相和含水量P的数学模型（1 +P)4s = yo+kln(l+P)，y日和k为模型参数；
[0014] 步骤7)，依据待测±壤水势相和含水量P的数学模型，获取待测±壤样品的固有水 吸力。
[0015] 进一步，所述步骤3)中向±壤样品中加水，±壤与水的质量比为1: C。
[0016] 进一步，所述步骤6)中yo和k的值是通过±壤水势化和含水量P的数学模型（1+Ρ)Φ5 = yo+kln(l+P)拟合确定的。
[0017] 更进一步，所述步骤6)中7〇为±壤含水量为0时的水势值，yo的绝对值用4so表示， 4so= |yo|，则相质示测定±壤的固有水吸力。
[001引本发明的有益效果是：
[0019] 1.由本发明获取的±壤的固有水吸力信息是待测±壤固有的，不受测定的溫度、 湿度等气候和生态因子的限制，测定的结果具有可比性。
[0020] 2.本发明获取的±壤的固有水吸力信息可W用来比较不同±壤的吸收水分能力。
[0021] 3.本发明的模型是依据混合物质化学势的吉布斯函数为基础推导出的±壤水势 公式的，是有着机理背景的模型，具有可靠性。应用该模型可W测定的水分含量范围大的± 壤水势，0-100 %的±壤水分含量都可W依据本发明测出它的水势;可W测定一般水势仪因 精度和灵敏度的限制难W测出的极低含水量(小于2%的含水量)的±壤水势。
[0022] 4.本发明的±壤的固有水吸力的测定方法、步骤和计算简单，费时少，利于普及。
【附图说明】
[0023] 图1为两种±壤的±壤水势和含水量之间关系的散点图。
[0024] 图中：▼-±样1实测数据，?-±样2实测数据。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不 仅限于此。
[00%]本发明是从镇江市滨江湿地采集的壤±和壤质黏±两种±样进行测定。
[0027]步骤1)，在滨江湿地取两种待测±壤样品20kg，一种是壤±记为±样1，另一种是 壤质黏±记为±样2,置于干净平整的台面摊薄，风干后去除杂物，并将±壤样品娠碎。
[002引步骤2)，用环刀法检测±样1和±样2的田间持水量，分别为Cl = 23.8 %和C2 = 35.4%。
[0029] 步骤3)，取娠碎后的±样1两份各化g，并标记为±壤样品A1、B1，分别向A1、B1中加 入1.19kg水，使其达到±样1的田间持水量，拌和均匀，装入相同的容器;±样2按同样的方 法进行处理，±样2的两份化g的样品标记为±壤样品A2、B2,分别向A2、B2中加入1.77kg水， 使其达到±样2的田间持水量。
[0030] 步骤4)，±壤样品41、42、81、82同时放在同一环境下，使其连续失水。
[0031] 步骤5)，分别测定不同失水时刻±壤样品41、42的±壤水势fcW及相应时刻±壤 样品B1、B2的含水量P，根据±壤样品41、42的±壤水势相的变化情况连续测量15组数据；
[0032] ±壤水势相的测定方法为:将露点水势仪的两个±壤水势探头分别插入步骤2)中 装入容器的±壤样品A1、A2内部8~10cm深处进行测定;±壤含水量P是通过测定相应时刻 ±壤样品B1、B2的质量来获取的。
[0033] 步骤6)，依据上述测得的±壤样品41、42的±壤水势相及相应时刻±壤样品B1和 B2的含水量P，构建待测±壤水势相和含水量P的数学模型，具体的构建过程为：
[0034] 由物质化学势的吉布斯函数u = AG〇+RT · InX，物质A、B的化学势UA，加分别表示 为：
[0035] ua=Ga+RT InXA (1)
[0036] 加 = Gb+RT In姑 （2)
[0037] 上述（1)、（2)式中，Ga、Gb分别是物质A和物质B的标准吉布斯自由能，Xa、Xb分别是 物质A和物质B的摩尔浓度，R为气体常数，T为环境溫度。
[0038] 因此，混合后系统的吉布斯自由能G可W用化学势表示成：
[0039] G = ua Xa+ub Xb (3)
[0040] 也即混合后系统的吉布斯自由能G为：
[0041] G=(Ga+RT lnXA)XA+(GB+RT In姑）姑 （4)
[0042] 含水±壤可看成±壤和水两种物质的混合系统，±壤水势是该系统的化学势，± 壤看成物质A，水看成物质B，因此(3)式可表示为：
[0043] 相二化 Xs+uw Xw (5)
[0044] 式中，相为±壤水势，115为±壤的化学势，uw为水的化学势，X沸Xw分别±壤和水的 浓度。
[0045] 因为(5)式中uw=0,因此(5)式可简化成：
[0046] 相=化 Xs (6)
[0047] 将±壤的化学势us = dG〇+RT . 1〇乂5及±壤的浓度Xs= ^惭表达式代入(6)式，可 得：
[004引
（7)
[0049] (7)式可变换成：
[0化0] (l+P)its=MdG〇+MRTlnM-RTM ln(l+P) (8)
[0051] 式中，恥为待测±壤水势，单位为MPa;P为待测±壤含水量，单位为％，(16〇为±壤的 标准自由能;Μ为摩尔浓度转换系数。
[0052 ]令y 日=MdGo+MRT InM，k = -RTM，则（8)式可变成：
[0053] (l+P)its = yo+kln(l+P) (9)
[0054] 将(9)式中的（l+P)4sWf(x)代替，ln(l+P)用X表示，则(9)式可写成：
[0055] f(x)=y〇+kx (10)
[0056] 通过f(x)和X的数学模型f(x)=yo+kx拟合确定yo和k的值。
[0057] 用Sigmaplotl2.5对两种±样的±壤水势和含水量P的关系进行作图，如图1所 示；由Excel对f(x)和X的关系进行拟合，拟合效果及方程如表1所示。
[0058] 表1两种±样±壤水势与含水量之间的拟合效果及方程
[0化9]
[0060] 步骤7)，将上述拟合确定的参数y日代入公式(9)，当P = 0时，4s = yo;即y日表示±壤 含水量为0时，±壤水势值的大小;该值的绝对值I yo I表示±壤的固有水吸力相〇,反映了± 壤固有的对水的吸附能力。
[0061] 从表1可W看出，两种±壤的yo值是不同的，±样1和±样2的固有水吸力分别为 3.683MPa和4.485MPa，说明±样1对水分的吸附能力要低于±样2，也即壤±的固有水吸力 比壤质黏±的固有水吸力要小，运与水分含量相同时，黏±水吸力大于壤±的水吸力的事 实是相符的。
[0062] W上对本发明所提供的一种检测±壤固有水吸力的方法进行了详细介绍，本文应 用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，W上所述仅为本发 明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修 改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种检测土壤固有水吸力的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1)，取野外或田间适量待测土壤样品，置于干净平整的台面摊薄，风干后去除杂 物，并将土壤样品碾碎； 步骤2 )，用环刀法检测土壤样品的田间持水量，记为C; 步骤3)，取上述碾碎后的等质量的土壤样品两份，并标记为土壤样品A和B，向土壤样品 中加水，使其含水量达到土壤样品的田间持水量，拌和均匀，装入相同的容器； 步骤4)，将土壤样品A和B，同时放在同一环境下，使其连续失水； 步骤5)，分别测定不同失水时刻土壤样品A的土壤水势如以及相应时刻土壤样品B的含 水量P，根据土壤样品A的土壤水势如的变化情况连续测量10~15组数据； 步骤6)，根据步骤5)测得的数据，构建出待测土壤水势如和含水量P的数学模型（1+Ρ)φ5 = yo+kln(l+P)，yo和k为模型参数； 步骤7 )，依据待测土壤水势如和含水量P的数学模型，获取待测土壤样品的固有水吸力。2. 如权利要求1所述一种检测土壤固有水吸力的方法，其特征在于，所述步骤3)中向土 壤样品中加水，土壤与水的质量比为1:C。3. 如权利要求1所述一种检测土壤固有水吸力的方法，其特征在于，所述步骤6)中yo和k 的值是通过土壤水势如和含水量P的数学模型（l+P)its=yQ+kln( 1+P)拟合确定的。4. 如权利要求1所述一种检测土壤固有水吸力的方法，其特征在于，所述步骤6)中y〇为 土壤含水量为〇时的水势值，y〇的绝对值用如〇表示，即如〇= |yo|，则如〇表示测定土壤的固有 水吸力。
【文档编号】G01N33/24GK105823864SQ201610125465
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月4日
【发明人】吴沿友, 胡林生, 邢德科, 于睿, 吴沿胜, 黎明鸿
【申请人】江苏大学