专利名称：土壤冻融过程中固态水含量及消长特征的测定方法
技术领域：
本发明属于农业生产技术领域。是一种监测土壤冻融过程中固液态水含量及其动态变化的方法。
背景技术：
东北黑土地区，大气降水是土壤水的唯一来源。降水总量基本能满足作物生长需求，但由于地处温带大陆性季风气候区内，年际间和年内各月份降水不均是春季干旱产生的主要原因。而黑土高度发育的季节性土壤冻层是作物生长前期的主要水分来源，在春季少雨年份则是作物赖以渡过旱期的重要凭借。虽然冻层对作物早期水分的供应作用巨大，但长期以来受到监测手段的限制，没有关于冻融过程区分固态水和液态水的可靠方法，所以对于冻融过程中土壤水含量的动态变化规律更无法深入研究。
本发明在探讨两种测水仪器原理基础上，配合使用，揭示冻融过程固、液态水含量及其动态消长规律。其特点是，使用国际上普遍公认的测定土壤水含量的仪器，进行组合配套使用；测定方法操作简便、精度较高；是本领域提出的首个方法。
目前国际上公认的、应用普遍的测量土壤水分含量的仪器有两种，其优缺点分述如下a.中子仪，中子仪是一种先进的野外测量土壤含水量的小型便携式仪器，测定原理是把一个快中子源和慢中子探测器置于套管中，埋入土内，其中的中子源(如镭、镅、铍)以很高的速度放射出快中子，这些快中子与水(土壤、冰)中的氢原子碰撞时，失去部分能量变成慢中子，土壤水越多，氢越多，产生的慢中子就越多，慢中子被探测到并显示出来。
优点是测量过程不用取样，不扰动被测介质，不受水分物理状态(固态、液态)的影响，快速、精确、测量稳定、深度不限。
b.时域反射仪(TDR)，英文全称是Time-Domain-Reflectometry。TDR的工作原理是，根据电磁波理论，电磁脉冲在导电介质中传播时，其传播速度与介质的介电常数有关，介电常数越大，传播时间越长。而土壤三相(固相、液相、气相)的介电常数不同，通常自由水的介电常数为80，土粒介电常数为2～4，空气介电常数为1，冰的介电常数为2.8，几种组分的介电常数差别巨大，电磁脉冲在土壤中平行的波导棒间传播的时间主要决定于水分的含量，可将TDR技术应用于结冰条件下土壤水分状况的测定。
优点是，测定具有较强的独立性，结果几乎与土壤性质、密度等无关；可以直接、快速、方便、可靠的进行测定。
两种仪器的缺点是中子仪仅能测定固态水与液态水的总含水量，TDR仪能测定液态水含量；两种仪器单独使用都无法测定固态水含量，因此固态水动态变化规律就无法揭示。
发明内容
本发明从以上技术背景出发，在分析两种测定水分仪器的原理基础上，针对单一的使用任何一种仪器都不能达到测定固态水的矛盾，通过多次科学试验，得出本发明。
本发明的目的是解决土壤冻融过程中固态水含量及消长特征的测定方法，其关键是将二中测水仪器放置在有效的测定空间内组合配套使用，通过中子仪测定结果与TDR测值进行差减得出冻融水含量，解决了单一仪器不能测得固态水的矛盾；再将其按照相同的时间间隔持续测定，还可以得出冻融水动态消长特征。并通过实践证实此种方法能获得十分满意的结果。其特点是操作简便、精度较高，是本领域提出的首个方法。具体测定步骤如下a.埋设中子管。于夏季选择有代表性地势较平坦的地块，用土钻钻眼至1.5～2m(根据不同需要选取深度)，将铝合金中子管插入钻眼中，敲打至2m，如中子管与钻眼间有孔隙，需用泥浆灌注，并在管口盖一个铝盒，防止进入雨水。
b.埋设TDR波导棒。在距中子管20cm范围内，平行中子管挖一竖直剖面，按由下至上的顺序竖直插入波导棒，如果波导棒长度为20cm，那么由下至上依次插入180～200cm、160～180cm、140～160cm、120～140cm……0～20cm，并将不同深度的电导线牵引到地面上，绑在一根架起的杆子上，防止老鼠啃咬。将挖出的土壤按发生学层次依次填回。
c.经过整个雨季，土壤紧实状况基本恢复，待到气温降到0℃以下就可以进行两种仪器的同时测定，并设定时间间隔(5天)，依次测定冬季结冻和春季化冻过程的冻融水交替特征。
d.同时监测气温和冻土深度情况，以便于对数据的综合说明。
e.数据处理与分析。中子仪测定值表示每层液态水固态水总的含量，其测定系列表示每层总水量的变化过程；TDR测定值表示每层的液态水含量，其测定系列表示液态水含量变化过程；中子仪测定值减去TDR测定值表示固体水的含量，其系测定列表示固态水含量的变化过程。
图1为3-6月份测定值。
具体实施方法2003年夏季，我们按上述方法在中国科学院东北地理与农业生态研究所海伦农业生态实验站埋设了TDR波导棒和中子管，2004年3月份开始每隔五天进行测定(TDR是芬兰Trace系统；CNC503DR型中子仪产自北京超能科技有限公司)，摘录部分数据见附图，以作证明和分析。
从附图中可以看出，从3月份到6月份两种方法测定水分含量逐渐趋近一致，每月份TDR测值与坐标轴围成的图形面积逐渐增大，说明2m土层内液态水含量逐渐增多；每月中子仪测值和TDR测值周围成地面积逐渐减小，说明2m土层内固态水含量逐渐减少；同时可使用差减法进行定量计算固态水、液态水含量；同时也可以看出，随着气温变暖，冻层的融化是从地面向地下逐渐过渡的，3月25号每层固态水含量还较多，4月25号0～40cm土层内的固态水含量基本融化，5月25号40～80cm土层的固态水基本融化，6月25号中子仪测定数值基本等同于TDR测定数值，是因为2004年海伦地区整个土体内冻土是在6月15号完全融通的，所以两种仪器测值均表示液态水含量，并基本相等。
另外，160～180cm的含水量在3～6月份无变化，而140～160cm是变化的底限，这种情况说明海伦地区冻层的最大深度是140～160cm，这与我们冻土器检测结果一致，更说明这种方法可靠性，也说明了本发明可以达到预计的理想效果。
权利要求
1.一种监测土壤冻融水含量及其动态变化过程的方法，其特征在于用中子仪测出固态水与液态水总的含量，用时域反射仪(TDR)测出液态水含量，用二者的差得出固态水含量；再将其按照相同的时间间隔持续测定，得出冻融水动态消长特征。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于采用了如下测定步骤a.选择代表性地块没设中子管至预设深度1.5～2m；b.在中子管附近分层埋设TDR波导棒，至中子管相同深度；c.待土层紧实程度基本恢复后，并且气温降至0℃以下，可以按一定时间间隔(5天)连续分层测定；d.同时监测气温和冻土深度等气象要素便于对数据综合分析；数据整理与分析。
全文摘要
本发明属于农业生产技术领域。是一种测定土壤冻融水含量及其动态变化的方法。东北地区季节性土壤冻层是作物早期水分供应的重要途径，长期以来受到监测工具的限制，未形成关于冻融过程区分固态水和液态水的可靠方法，因此对于冻融过程中土壤水含量的动态变化规律无办法进行深入地研究。本发明使用两种国际上普遍认可的测定土壤水含量的仪器，进行组合配套使用，能获得十分满意的结果，用以揭示冻融水含量及其动态消长规律，其特点是操作简便、精度较高。
文档编号G01N23/09GK1928552SQ20061001652
公开日2007年3月14日 申请日期2006年1月13日 优先权日2006年1月13日
发明者王风, 韩晓增, 苗淑杰, 李海波 申请人:中国科学院东北地理与农业生态研究所