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一种测定土壤内部大孔隙结构参数的方法

阅读:1发布:2021-07-13

专利汇可以提供一种测定土壤内部大孔隙结构参数的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供一种测定 土壤 大孔隙结构参数的方法,包括步骤:1)用 采样 装置在土壤采样地点采样,将土壤样品密封;2)采样装置和土壤样品一同浸入 水 中12小时,然后置于粗砂中12小时;3)土壤样品上方保持固定高度的液面注水,记录土壤样品下方水流出的时间、速度和水量,直至水流出的速度为恒定值;4)计算土壤样品的大孔隙结构参数,并与水分下渗率进行关系拟合。本发明提出的方法,装置简单,保持定 水头 ,且可人为控制水头高度,分层取土样,环刀保证土壤结构的完整性,通过计算得到分层土壤大孔隙半径及 密度 ,并进行关系式拟合。,下面是一种测定土壤内部大孔隙结构参数的方法专利的具体信息内容。

1.一种测定土壤内部大孔隙结构参数的方法,包括步骤:
研究区位于鹫峰国家森林公园,地处北京西北郊区,地理坐标为东经116°28′,北纬
2
39°54′,公园面积811.173hm,最高海拔1153m,采样点位于海拔100m-400m的地方,选择
5个采样点,采样点状况为:
其中,海拔单位为m,枯落物厚度单位为cm,
选择无人工干扰的样地,用直径7cm,高10cm的环刀在采样地分层为0-10cm、10-20cm、
20-30cm、30-40cm、40-50cm,采集土壤样品,每层设置3个重复,环刀有上下两个盖子,下面的盖子有孔,里面垫有滤纸,采样后环刀上下盖上盖子;
将采集的环刀原状土放入槽中,浸水深度到环刀上面的盖子,静置12小时,使其充分吸水,以达到饱和;之后将饱和的环刀土样放于粗砂静置12小时,使其释水达到田间含水量;其中,土壤水分下渗量是试验装置中烧杯中的水量;
将环刀(2)去掉上面的盖子,上方接套一个直径7cm,高5cm环刀,即注水装置(1),在接口处用胶带粘住,防止漏水;支架(3)上放置一个漏斗(4),在环刀(2)下放置烧杯(5),通过漏斗(4)接水;向高5cm环刀内倒水,保持5cm液面高度,加满水至5cm液面高度时,开始计时,当土壤样品下部有水流出时,记录时间,并每隔20秒收集出流量,测定体积,直至水流流量达到稳定为止;
每个海拔取15个样,但是每层取3个样重复,层与层之间是不一样的,不进行均值计算,只有同一层的三个样进行均值计算;每个样在注水过程中,每20秒收集出流量,测定体积,得到土壤水分下渗率,通过Poiseulle方程结合水流方程的计算方法,计算得出对应于某一下渗率的大孔隙半径与密度,每一层的样可以得到多对这样的关系;
根据试验量算的下渗率及对应的大孔隙半径及密度,对下渗率及大孔隙结构进行量化关系拟合,自变量和因变量输入origin计算软件中,拟合得到函数关系式,通过对北京鹫峰区土壤大孔隙结构与下渗率进行量化关系,发现土壤水分下渗率,即土壤达到田间含水量后,表现为与大孔隙密度、大孔隙半径的函数关系式,其中下渗率与大孔隙密度成对数关系,与大孔隙半径呈指数关系,土壤下渗水分与大孔结构的关系如下:
3 -1
式中x1代表大孔隙密度,x2代表大孔隙半径,y代表下渗率,单位为cm ·s 。

说明书全文

一种测定土壤内部大孔隙结构参数的方法

技术领域

[0001] 本发明属材料的分析测定领域,具体来说涉及一种土壤的分析测定方法。

背景技术

[0002] 森林生态系统的涵养源功能对减少山洪、泥石流等自然灾害,保护生物多样性及维护生态安全有着重要作用。森林植被通过其林冠、枯枝落叶、强大的根系对森林水文过程产生重要影响。森林土壤是形成森林植被水文功能的核心地带,因此,森林土壤的水分动过程是认识森林水文功能的一个重要环节。土壤大孔隙是描述土壤物理特征的一个重要指标。植物根系的穿插与腐烂,土壤动物活动、冻融及干湿交替作用、化学过程、人为活动等使土壤形成了相互连通的大孔隙。土壤大孔隙形状具有多样性,既有形状不规则的裂隙和裂缝,也有近似圆柱的孔道。大孔隙可以提供优先水流路径,使得土壤水分不能与土体进行充分作用,而直接进入深层土壤中,对深层土壤水分的贮蓄产生重大影响。土壤大孔隙可明显促进水分入渗,减少地表径流,坡地土壤大孔隙又是调节壤中流的主要机制,因此,大孔隙对于生态水文的调节有着重要意义。关于大孔隙的定义仍存有争议,本文选用Radulovich等测定大孔隙的方法,认为土壤大孔隙是指介于土壤田间含水量和饱和含水量的大孔隙。土壤大孔隙的研究目的是土壤调控,为减少地下水污染、控制养分和水分的流失提供技术指导。
[0003] 土壤大孔隙的存在会使土壤水分及溶质产生优先运移现象,即产生优先流。优先流的存在会使水中的养分、盐分快速流到根区以下,养分盐分对植物的补充未必能达到预期效果,这不仅会造成农药、化肥施用效果不明显,还涉及到水环境污染的问题。
[0004] 当前还没有定量化测定土壤大孔隙的研究装置,且多数用的水分穿透曲线法只对土壤大孔隙半径、密度等进行量化,未能提出土壤水分下渗与大孔隙半径及密度的关系式,因此,本装置基于定水头环刀试验,分层测定土壤大孔隙,并对土壤下渗水分与大孔隙半径及密度进行拟合,建立相应的关系式,这能为土壤大孔隙水分运移的研究提供新的理论依据。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的不足之处,本发明目的是提供一种定量化测定土壤大孔隙参数的方法,从而测定大孔隙结构。
[0006] 实现本发明目的的具体技术方案为:
[0007] 一种测定土壤大孔隙结构的方法,包括步骤:
[0008] 1)用采样装置在土壤采样地点采样;
[0009] 2)装有土壤样品的采样装置浸入水中12小时,然后置于粗砂中12小时;
[0010] 3)土壤样品上方保持固定的液面高度注水(注水的液面高度称为水头),记录土壤样品下方水流出的时间、速度和水量,直至水流出的速度为恒定值;
[0011] 4)计算土壤样品的大孔隙结构参数,并与水分下渗率进行关系拟合。
[0012] 所述粗砂用室外常温下的粗砂就可以。
[0013] 其中,所述步骤1)中的采样装置为规则几何形状的采样装置。规则几何形状包括矩形、正方形、圆形,容积易于计算。优选为环状采样装置,常用的是环刀(又称环状采样器)。采样装置是一个空心的,取样就是在空心装置中装满土样
[0014] 其中,所述采样装置包括上下二个盖子,其中一个盖子有孔;采样之前,在有孔的盖子内放置滤纸;采样之后盖上盖子。浸在水中时盖子是盖着的,浸水深度就是到环刀上面盖子的边缘。在下一步骤(注水)之前去掉上面的盖子。
[0015] 其中,所述步骤1)中,是在土壤采样地点分层采样,共分为垂直相连的3-10层,每层厚度一般取10-20cm。为了减小误差,通常采3-5个平行样。
[0016] 其中,所述步骤3)中,将土壤样品固定在采样装置内注水。
[0017] 优选地,所述步骤3)中,将土壤样品固定在采样装置内,所述采样装置上方固定一个投影形状相同的注水装置,所述注水装置内的水保持固定的液面高度。
[0018] 其中,所述步骤3)中液面的高度为2-10cm(水头)。优选为5cm。
[0019] 其中,所述步骤4)中结构参数包括大孔隙的数量、密度和半径。数量是土壤样品中大孔隙数量;密度是单位面积土壤样品中大孔隙的数量。
[0020] 步骤4)之后,拟合流出的水量和大孔隙结构参数之间函数关系,得到下渗率和大孔隙结构参数的关系式。拟合采用origin软件
[0021] 计算使用的公式为Poiseulle方程:
[0022] Q=πr4Δp/8ητL (1)和基本水流方程
[0023] Q=Av=πr2τL/t (2)联立得到孔隙半径计算式
[0024] r=τL(8η/[tΔp])1/2 (3)
[0025] 式中Q为单位流量(cm3﹒s-1);A为孔径面积(cm2);v为流速(cm﹒s-1);r为孔隙半径(cm);τ为水流实际路径与土柱长度的比值,范围在1.1-1.2之间;L为土样长度-1 -2(cm);η为水的粘滞系数(实验水温下的粘滞系数)(g﹒cm ﹒s );△P为压力水头(cm);
t为从第一次加水开始记时的时间(s)。τ的范围在1.1-1.2之间,根据完整的水的穿透曲线,即开始时τ为1.1,当水流达到稳定时为1.2,根据这两点可以建立τ与时间的线性关系,确定任意时间对应的τ值。对任意时间排水量进行观测,利用(3)式计算出相应的孔隙半径,将两个孔隙半径之间按照一定的间隔划分孔隙范围,其计算值则为范围的平均值。
[0026] 当间隔出流水量为Qo时,假设某个孔径的孔隙面积为A(cm2),水流速率为-1v(cm·s ),则与流量之间存在(4)式的关系:
[0027] Qo=nAv=nπ2τL/t (4)
[0028] 由此计算不同孔径范围的大孔隙数量n。
[0029] 本发明的有益效果在于:
[0030] 本发明提出的方法,装置简单,保持定水头,且可人为控制水头高度;分层取土样使样点更多、土壤更具代表性、拟合关系更可靠;环刀保证土壤结构的完整性,通过计算得到分层土壤大孔隙半径及密度,并进行关系式拟合。附图说明
[0031] 图1为本发明的方法中,注水步骤的装置图。图中,1为注水装置,2为环刀,3为支架,4为漏斗,5为烧杯。

具体实施方式

[0032] 以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
[0033] 实施例1
[0034] 研究区位于鹫峰国家森林公园,地处北京西北郊区。地理坐标为东经116°28′,2
北纬39°54′。公园面积811.173hm,最高海拔1153m。采样点位于海拔100m-400m的地方,选择5个采样点(采样点基本状况见表1),选择无人工干扰的样地,用直径7cm,高10cm的环刀在采样地分层(0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-50cm)采集土壤样品,每层设置3个重复。环刀有上下两个盖子,下面的盖子有孔,里面垫有滤纸。采样后环刀上下盖上盖子。
[0035] 将采集的环刀原状土放入水槽中,浸水深度到环刀上面的盖子,静置12小时,使其充分吸水,以达到饱和。之后将饱和的环刀土样放于粗砂静置12小时,使其释水达到田间含水量
[0036] 之所以要浸水12小时,是要土壤充分吸水达到饱和含水量,释水12小时是要土壤将重力水释掉,土壤保持田间含水量的状态(一般来说,12小时,土壤足以将重力水释掉),这样才符合本专利申请文中大孔隙的定义。土壤水分下渗量是试验装置中烧杯中的水量。
[0037] 如图1,将环刀2去掉上面的盖子,上方接套一个直径7cm,高5cm环刀(注水装置1),在接口处用胶带粘住,防止漏水。支架3上放置一个漏斗4,在环刀2下放置烧杯5,通过漏斗4接水。向高5cm环刀(注水装置1)内倒水,保持5cm液面高度(水头),加满水至5cm液面高度时,开始计时,当土壤样品下部有水流出时,记录时间,并每隔20秒收集出流量,测定体积,直至水流流量达到稳定为止(水流出的速度达到恒定值)。
[0038] 每个海拔取15各样,但是每层取3个样(重复),层与层之间是不一样的,不进行均值计算,只有同一层的三个样进行均值计算。每个样在注水过程中,每20秒收集出流量,测定体积,得到土壤水分下渗率,通过Poiseulle方程结合水流方程的计算方法,计算得出对应于某一下渗率的大孔隙半径与密度,每一层的样可以得到多对这样的关系。
[0039] 根据试验量算的下渗率及对应的大孔隙半径及密度,对下渗率及大孔隙结构进行量化关系拟合。自变量和因变量输入origin计算软件中,拟合得到函数关系式。
[0040] 表1采样点基本状况
[0041]编号 海拔m 坡位 主要植被类型 枯落物厚度cm
1 90 下坡 矮型草本 0.0
2 110 上坡 矮型草本及灌丛 0.0
3 230 上坡 元宝枫、侧柏 2.0-4.0
[0042]4 300 下坡 元宝枫 1.0
5 310 上坡 元宝枫 1.0
[0043] 通过对北京鹫峰区土壤大孔隙结构与下渗率进行量化关系,发现土壤水分下渗率(土壤达到田间含水量后)表现为与大孔隙密度、大孔隙半径的函数关系式,其中下渗率与大孔隙密度成对数关系,与大孔隙半径呈指数关系,见表2。
[0044] 表2土壤下渗水分与大孔结构的关系
[0045]样地类型 拟合关系式 R2
样地1 Y=0.00629×Ln(x1)+0.06677×EXP(x2)-0.1203 0.722
样地2 Y=0.00502×Ln(x1)+0.0834×EXP(x2)-0.1353 0.927
样地3 Y=0.00658×Ln(x1)+0.0886×EXP(x2)-0.1521 0.641
样地4 Y=0.00698×Ln(x1)+0.0813×EXP(x2)-0.1472 0.823
样地5 Y=0.01526×L(x1)+0.16055×EXP(x2)-0.3004 0.907
所有样地 y=0.01027×Ln(x1)+0.11554×EXP(x2)-0.2121 0.668
3 -1
[0046] 注:式中x1代表大孔隙密度,x2代表大孔隙半径,y代表下渗率cm ·s 。
[0047] 以上测定方法也适用于其他环境条件的土壤,并得出拟合关系。对于同样地质条件的土壤,其数学关系近似,因此,通过本发明的方法,对于不同地质条件土壤拟合得到的关系,对土壤优先流运移研究、农药污染治理等具有指导意义。
[0048] 以上所公开或要求的实施例在不超过现有公开的实验手段的范围内可以制出或实施。本发明优选的实施方式所描述的所有的产物和/或方法,明白地指那些不违反本发明的概念、范围和精神的可以用于该产物和/或实验方法以及接下来的步骤。对所述的工艺中技术手段的所有的改动和改进,均属于本发明权利要求定义的概念、范围和精神。
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