一种基于稳态原理的土壤导气率原位测量方法
【专利说明】
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技术领域： 本发明涉及土壤物理领域，具体地讲是一种基于稳态原理的土壤导气率原位测量方 法。
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【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] 土壤空气来自于大气，是土壤的重要组成部分，存在于土壤孔隙中，并不断的在土 壤孔隙中运动，同时与大气进行气体交换。土壤空气对作物种子发芽、出苗、后期成长与成 熟以及作物对养分吸收、及各种营养物质的转化都有重要的作用甚至是起决定性的作用。 同时土壤中的微生物的活动、物理和化学过程都有土壤空气状况直接有关。土壤空气状况 良好时，土壤中喜氧微生物活动和繁殖能力增强，土壤有机质分解迅速且彻底，矿质化明显 加快，有利于作物对养分吸收利用。反之，土壤空气状况不良时，土壤中各种有利微生物活 动受到抑制，有机质分解慢且不彻底，不利于作物对养分吸收，影响作物生长，最终导致作 物减产。因此，土壤空气状况对农业生产极其重要，是影响土壤肥力的重要因素之一。
[0004] 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。
[0005] 土壤导气率野外测量中会受到一些实际的问题的困扰，比如利用于稳态法时，由 于受蓄电池电量或者压缩机容量的限制，特别是当测量透气性良好土壤时，每次测量时用 气量很大，须对设备反复的充电，很不方便，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野外测量中亟待解决的关键技术难题。
[0006] 本发明的目的是克服已有技术的不足，而提供一种基于稳态原理的土壤导气率原 位测量方法；同时提供一种基于参照样品导气率的土壤导气率计算模型；主要解决现有的 方法测量效率低的问题。
[0007] 本发明的技术方案是：一种基于稳态原理的土壤导气率原位测量方法，采用如下 装置，该装置包括供气源，所述的供气源通过左导气软管连接左导气管，左导气管和右导气 管穿过橡皮塞与测筒相通连接，右导气管通过右导气软管连接压力计，橡皮塞与测筒密封 连接；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，在测筒 外表面涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒与土壤之间漏气； (2) 将直径为D(m)、高度为Q (m)、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，在测筒内壁涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒与低渗透性参照样品之间漏气； (3) 利用供气源向测筒供气，当供气流量达到某一稳定直Q(m3/s)时，记录下对应的测 筒内压力值Λ P(pa)并停止供气，该位置处土壤导气率测量过程结束； (4) 利用模型计算被测土壤的导气率Ka2(m2):
上式中A表示直径为D的测筒的横截面积m2; #为空气粘滞系数，与所处环境温度T有 关，
；G为与有关的形状系数
；Q、D、 的含义同步骤（1) (2) (3); (5) 换到下一个测量点，重复步骤（1) (2) (3) (4)即可。
[0008] 进一步的，所述的计算被测土壤的导气率Ka2的模型为基于稳态原理的土壤导气 率原位测量模型： 已知低渗透性附加参照样品的导气率为Kal，设被测土壤的导气率为Ka2，当供气流量达 到稳定数值Q(m3/s)时，对应的测筒内空气压力值为Λ P(pa)，设此时低渗透性附加参照样 品上下表面的空气气压差为Λ Pi，作用在测筒内被测土壤上表面的压力与外围大气压的差 值为Λ P2，根据稳态导气率传输理论可得：
式（1) (2)中的Q、D、Lp L2的含义同前；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，
式（2)中G为与有关的形状系数i
由式（1) (2)可得：
[0009] 本发明所述的一种基于稳态原理的土壤导气率原位测量方法与已有技术相比具 有突出的实质性特点和显著进步：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；根据土壤空气传到基本理论，在对作用压力分解的基础上对待测土壤和低渗透 性参照样品，分别利用一维稳态和三维稳态导气理论求解，依据压力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。
[0010]
【附图说明】： 图1为本发明的装置测量连接示意图。
[0011]
【具体实施方式】： 为了更好地理解与实施，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。以下实施例仅用于解释本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0012] 实施例1，参见图1，根据设计要求选择合适的空气压缩机1做为供气源，空气压缩 机1上安装压缩机充电开关2、储气瓶压力指示表3、储气并阀门4、减压阀5和气体流量计 6 ;将空气压缩机1的储气瓶通过左导气软管连接左导气管8,左导气管8和右导气管7穿 过橡皮塞9与测筒10相通连接，将右导气管7通过右导气软管连接压力计11，压力计11为 U型管压力计，橡皮塞9与测筒10密封连接； 采用上述装置，基于稳态原理的土壤导气率原位测量模型为： 已知低渗透性参照样品的导气率为Kal，设待测土壤的导气率为Ka2，设低渗透性参照 样品上下表面的大气压力差为Λ Pi，作用在测筒内土壤表面的压力与外围大气压的差值为 Λ P2，根据稳态导气率传输理论可得：
式（1) (2)中的〇、0、1^、1^的含义同步骤（1)(2)(3);::||为空气粘滞系数，与所处环 境温度T有关，
式（2)中G为与有关的形状系数 由式（1) (2)可得：
采用上述装置和基于稳态原理的土壤导气率原位测量模型，基于稳态原理的土壤导气 率原位测量方法如下： 将内径为D (m)的测筒7垂直打入到待测位置土壤表面一定的深度L2(m)处，在测 筒7外表面涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒7与土壤之间漏气；将直径为D(m)、高度为 Q (m)、导气率为Kal(m2)的低渗透性7参照样品12放置于测筒7内土壤之上，在测筒7内 壁涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒7与低渗透性7参照样品之间漏气；利用供气源向测筒 供气，当供气流量达到某一稳定直Q(m3/s)时，记录下对应的测筒7内压力值Λ P(pa)并 停止供气，该位置处土壤导气率测量过程结束；利用模型计算被测土壤的导气率Ka2(m2):
上式中A表示直径为D的低渗透性附加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，.
；G为与#有关的形状系数
;Q、D、A P、Q、L2的含义同前；）换到下一个测量点，重复 上述步骤即可。
【主权项】
1. 一种基于稳态原理的土壤导气率原位测量方法，采用如下装置，该装置包括供气源， 所述的供气源通过左导气软管连接左导气管（8)，左导气管（8)和右导气管（7)穿过橡皮塞 (9)与测筒（10)相通连接，右导气管（7)通过右导气软管连接压力计（11)，橡皮塞（9)与测 筒（10)密封连接；其特征在于，测量方法包括以下步骤： (1) 将内径为D (m)的测筒（7)垂直打入到待测位置土壤表面一定的深度L2(m)处，在 测筒（7)外表面涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒（7)与土壤之间漏气； (2) 将直径为D (m)、高度为L1 (m)、导气率为Kal (m2)的低渗透性参照样品（12)放置于 测筒（7)内土壤之上，在测筒（7)内壁涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒（7)与低渗透性参照 样品（12)之间漏气； (3) 利用供气源向测筒（7)供气，当供气流量达到某一稳定直Q(m3/s)时，记录下对应 的测筒（7)内空气压力值Λ P(pa)并停止供气，该位置处土壤导气率测量过程结束； (4) 利用以下模型计算被测土壤的导气率Ka2On2):上式中A表示直径为D的测筒的横截面积m2; 0为空气粘滞系数，与所处环境温度T 有关，：；G为与：有关的形状系数Λ Ρ、Ι^、L2的含义同步骤（1) (2) (3); (5) 换到下一个测量点，重复步骤（1) (2) (3) (4)即可。2. 根据权利要求1所述的一种基于稳态原理的土壤导气率原位测量方法，其特征在 于，所述的计算被测土壤导气率Ka2的模型为基于稳态原理的土壤导气率原位计算模型： 已知低渗透性附加参照样品的导气率为Kal，设被测土壤的导气率为Ka2，当供气流量达 到稳定数值Q(m3/s)时，对应的测筒内空气压力值为Λ P(pa)，设此时低渗透性附加参照样 品上下表面的空气气压差为Λ P1，作用在测筒内被测土壤上表面的压力与外围大气压的差 值为Λ P2，根据稳态导气率传输理论可得：式（1) (2)中的Q、DhLpL2的含义同权利要求1中步骤（1) (2) (3); ·为空气粘滞 系数，与所处环境温度T有关，式（2)中G为与有关的形状系数I由式（1) (2)可得：
【专利摘要】本发明公开了一种基于稳态原理的土壤导气率原位测量方法，其特点是，通过引入已知导气率的低渗透性附加参照样品，在同样的供气压力下能够大幅度降低气体流量，从而有效提高了野外土壤导气率的测量效率；根据土壤空气传到基本理论，依据压力守恒原理得到基于低渗透性附加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。
【IPC分类】G01N15/08, G01N7/10
【公开号】CN105352845
【申请号】CN201510798205
【发明人】张振华, 杨润亚
【申请人】张振华
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月19日