專利名稱：一種土壤水分測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壤水分測定裝置，具體涉及一種利用微生物電化學(xué)工藝的土壤水分測定裝置，屬于土壤學(xué)科領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在地球系統(tǒng)中，地表土壤水分是陸地和大氣能量交換過程中的重要因子，對陸地表面蒸散、水的運(yùn)移、碳循環(huán)有很強(qiáng)的控制作用，是氣候、水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域衡量土壤干旱程度的重要指標(biāo)。土壤含水量的時空分布與變化對陸地-大氣間熱量平衡、陸面大氣環(huán)流和土壤溫度變化產(chǎn)生顯著的影響。大范圍的土壤水分的監(jiān)測是農(nóng)業(yè)過程研究和環(huán)境因子評價的重要組成部分，是灌溉管理和產(chǎn)量預(yù)報模式中的重要參量。因此，監(jiān)測土壤水分一直是人們十分關(guān)注的問題。經(jīng)典的土壤水分測定方法包括重量水分法、中子儀法、土壤濕度計法等。該方法可以準(zhǔn)確估測土體剖面的含水量，測定的土層較多，深度較大，但只能得到單點(diǎn)的數(shù)據(jù)，代表范圍有限，數(shù)據(jù)的實(shí)時性較差，人力財力消耗大，宏觀性得不到體現(xiàn)，采樣速度慢，數(shù)據(jù)得不到及時更新。而遙感技術(shù)可以迅速、大面積、多時相地獲取地面信息。因此，研究用遙感檢測土壤水分是十分重要而有意義的工作。目前成熟的土壤水分檢測方法有TDR (時域反射法)、 FDR (頻域反射法)，這些傳感器都只需要幾秒的時間就可以完成土壤水分的測定，但是由于其電路設(shè)計比較復(fù)雜，成本難以降低，應(yīng)用受到限制。此外傳感器都需要提供持續(xù)穩(wěn)定的電源，而在偏遠(yuǎn)的無人值守的野外地區(qū)，經(jīng)常性的去更換電池也是不可行的。微生物電化學(xué)裝置是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。不僅可從易生化降解的有機(jī)物中獲取電能，還可從一些難降解的有機(jī)物中獲取電能。其作用機(jī)理為有機(jī)物在陽極區(qū)附近被產(chǎn)電微生物氧化分解，產(chǎn)生的電子到陽極，再經(jīng)過外電路到達(dá)陰極，質(zhì)子通過水溶液傳遞到陰極，并與氧氣反應(yīng)生成水，從而完成整個化學(xué)氧化還原反應(yīng)，此過程中外電路會形成電流。現(xiàn)行的技術(shù)研究還多關(guān)注于其產(chǎn)電和底物降解能力，其他方面的研究還有待進(jìn)一步的探索。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明的技術(shù)目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單且成本較低、不需要提供外加電源的土壤水分測定裝置。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。一、一種土壤水分測定裝置，主要由陰極、陽極組、導(dǎo)線、電阻組成；其中通過導(dǎo)線將陰極、位于土壤中的陽極組以及電阻串聯(lián)起來形成一個回路，電阻介于陰極和陽極組之間。本發(fā)明所述的陽極組由固定條，連接件，土壤接觸孔，固定孔，電極和支架組成。具體地，用設(shè)置有固定孔的固定條將電極平壓于設(shè)置有土壤接觸孔的支架上，并通過連接件貫穿固定孔、支架和電極，以將電極固定于支架之上。本發(fā)明所述的陰極的電極材料是碳?xì)郑槐景l(fā)明所述的陽極組的電極材料是碳?xì)?。本發(fā)明所述的固定條和支架的材料是聚氯乙烯、或者硬度為60 95的塑料材料。二、利用本發(fā)明所述的土壤水分測定裝置測定土壤水分的方法。具體的應(yīng)用方法為
A、電極安裝
用設(shè)置有固定孔的固定條將電極平壓于設(shè)置有土壤接觸孔的支架上，并通過連接件貫穿固定孔、支架和電極，以將電極固定于支架之上；然后把此陽極組插入到土壤中，陰極直接放到土壤上；
B、電路連接
將陰極、陽極組和電阻用導(dǎo)線串聯(lián)在一起形成一個回路，且電阻介于陰極和陽極之
間；
C、運(yùn)行裝置測定土壤水分
啟動土壤水分測定裝置，5 7天后，測定陽極組和陰極之間的電壓值；在測定土壤的水分時，事先控制土壤的水分含量，會得到不同的電壓值，以此得到的水分含量-電壓的計算公式，并以此標(biāo)定的公式自動計算出實(shí)際土壤的含水率。本發(fā)明的有益效果在于
(1)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的不同及優(yōu)勢在于本發(fā)明主要是利用土壤水分高低會影響到微生物電化學(xué)工藝的電壓輸出，來計算出土壤水分；
(2)本發(fā)明所述的土壤水分測定裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要太多的維護(hù)，建造和運(yùn)行成本
低；
(3)本發(fā)明所述的土壤水分測定裝置，其電壓信號是通過自身的微生物電化學(xué)氧化有機(jī)物而產(chǎn)生，因而是不需要提供外加能源的。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
其中，1-陰極；2-陽極組；3-電阻；4-導(dǎo)線。圖2陽極結(jié)構(gòu)的示意圖
其中，5-固定條；6- 土壤接觸孔；7-固定孔；8-支架；9-電極。圖3 土壤水分測定裝置測定沉積物水分的情況。圖4 土壤水分測定裝置測定林地水分的情況。
具體實(shí)施例方式下面通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。實(shí)施例1
本實(shí)施例說明本發(fā)明所述的一種土壤水分測定裝置具體結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方法以及工作原理。如圖1所示，本發(fā)明所述的土壤水分測定裝置，主要由陰極1、陽極組2、導(dǎo)線4、電阻3組成；其中通過導(dǎo)線4將陰極1、位于土壤中的陽極組2以及電阻3串聯(lián)起來形成一個回路，電阻3介于陰極1和陽極組2之間。如圖2所示，本發(fā)明所述的陽極組2由，固定條5，連接件(附圖2中未標(biāo)注)，土壤接觸孔6，固定孔7，電極9和支架8組成。具體地，用設(shè)置有固定孔7的固定條5將電極9 平壓于設(shè)置有土壤接觸孔6的支架8上，并通過連接件貫穿固定孔7、支架8和電極9，以將電極9固定于支架8之上，形成整個陽極組2。本發(fā)明所述的陰極1的電極材料是碳?xì)?；本發(fā)明所述的陽極組2的電極材料是碳?xì)帧１景l(fā)明所述的固定條5和支架8的材料是聚氯乙烯、或者硬度為60 95的塑料材料。運(yùn)行裝置測定土壤水分時，將陽極組2插入到土壤中，陰極1直接放到土壤上。安裝時裝置的陰極1和陽極組2，通過導(dǎo)線3和電阻4相連接，電阻4介于陽極組2和陰極1 之間。陽極組2附近的厭氧菌，以電極作為電子受體，不斷的將其土壤中有機(jī)物氧化，傳遞電子和質(zhì)子到陰極1從而形成電流。而隨著土壤中水分的變化，會影響到質(zhì)子的傳遞速度， 從而反饋到電壓信號上，以指示出土壤中水分的含量。實(shí)施例2
本實(shí)施例說明利用本發(fā)明所述的水分測定裝置測定沉積物水分的實(shí)驗(yàn)。取700 g的江蘇境內(nèi)太湖中的沉積物置于反應(yīng)器中，按實(shí)施例1所述的安裝方法將碳?xì)株枠O組裝入支架中并固定，插入到沉積物中。將陰極置于沉積物上，然后再加入一定 200 mL的水，當(dāng)微生物電化學(xué)裝置接好電阻后，在25°C的工作環(huán)境中運(yùn)行，5天馴化結(jié)束。 再補(bǔ)加200 mL的水，電壓迅速增加，并由于揮發(fā)而導(dǎo)致沉積物中水分的減少，從電壓信號上反映出水分下降的趨勢。然后用防水透氣膜封住反應(yīng)器口，防止水分揮發(fā)，控制反應(yīng)器中土壤水含量在不同的數(shù)值上，會分別得到相應(yīng)的電壓值。并回歸此數(shù)據(jù)得到公式Y(jié) = 0.42X -121.2，其中Y代表電壓值(mV)，X代表土壤水分含量(mL)。實(shí)施例3
本實(shí)施例說明利用微生物電化學(xué)工藝的裝置測定林地土壤水分的實(shí)驗(yàn)。取600 g的土壤來自于林地，并置于反應(yīng)器中，按實(shí)施例1所述的安裝方法將碳?xì)株枠O裝入支架中并固定，插入到土壤中。將陰極置于土壤上，然后再加入200 mL水，當(dāng)微生物電化學(xué)裝置接好電阻后，在25°C的工作環(huán)境中運(yùn)行，6天馴化結(jié)束后。再補(bǔ)加200 mL的水，電壓迅速增加，并由于揮發(fā)而導(dǎo)致土壤中水分的減少，從電壓信號上反映出水分下降的趨勢。然后用防水透氣膜封住反應(yīng)器口，防止水分揮發(fā)，控制反應(yīng)器中土壤水含量在不同的數(shù)值上，會分別得到相應(yīng)的電壓值。并回歸此數(shù)據(jù)得到公式Y(jié) =0. 53X -151. 1，其中Y代表電壓值(mV)，X代表土壤水分含量(mL)。
權(quán)利要求
1.一種土壤水分測定裝置，主要由陰極(1)、陽極組(2)、導(dǎo)線(4)、電阻(3)組成；其中通過導(dǎo)線(4)將陰極(1)、位于土壤中的陽極組(2)以及電阻(3)串聯(lián)起來形成一個回路，電阻(3)介于陰極(1)和陽極組(2)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水分測定裝置，其特征在于所述的陽極組(2)由固定條(5)，連接件，土壤接觸孔(6)，固定孔(7)，電極(9)和支架(8)組成；其中，用設(shè)置有固定孔(7 )的固定條(5 )將電極(9 )平壓于設(shè)置有土壤接觸孔(6 )的支架(8 )上，并通過連接件貫穿固定孔(7)、支架(8)和電極(9)，以將電極(9)固定于支架(8)之上，形成整個陽極組 (2)。
3 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的土壤水分測定裝置，其特征在于所述的陰極(1)的電極材料是碳?xì)帧?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的土壤水分測定裝置，其特征在于所述的陽極組(2)的電極(9)的材料是碳?xì)帧?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的土壤水分測定裝置，其特征在于所述的固定條(5)和支架(8)的材料是聚氯乙烯、或者硬度為60 95的塑料材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水分測定裝置測定土壤水分的方法A、電極安裝用設(shè)置有固定孔(7)的固定條(5)將電極(9)平壓于設(shè)置有土壤接觸孔(6)的支架(8) 上，并通過連接件貫穿固定孔(7)、支架(8)和電極(9)，以將電極(9)固定于支架(8)之上， 形成整個陽極組(2)；然后把此陽極組(2)插入到土壤中，陰極(1)直接放到土壤上；B、電路連接將陰極(1)、陽極組(2)和電阻(3)用導(dǎo)線(4)串聯(lián)在一起形成一個回路，且電阻(3)介于陰極(1)和陽極組(2)之間；C、運(yùn)行裝置測定土壤水分啟動土壤水分測定裝置，5 7天后，測定陽極組(2)和陰極(1)之間的電壓值；在測定土壤的水分時，事先控制土壤的水分含量，會得到不同的電壓值，以此得到的水分含量-電壓的計算公式，并以此標(biāo)定的公式自動計算出實(shí)際土壤的含水率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土壤水分測定裝置，屬于土壤學(xué)科領(lǐng)域。本裝置主要由陰極、陽極、導(dǎo)線、電阻組成，其中陽極還包括固定條，土壤接觸孔，固定孔，電極，支架；其中通過導(dǎo)線將位于水相中的陰極、位于土壤中的陽極以及電阻串聯(lián)起來形成一個回路，電阻介于陰極和陽極之間。本發(fā)明在陽極成功掛上生物膜后，即可用于土壤中水分的測定。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單且成本較低、不需要提供外加電源，具備良好的經(jīng)濟(jì)效益及應(yīng)用前景。
文檔編號G01N27/327GK102175730SQ20111003690
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月13日
發(fā)明者宋天順, 江和龍 申請人:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所