專利名稱：一種測定土壤內部大孔隙結構參數的方法
技術領域：
本發(fā)明屬材料的分析測定領域，具體來說涉及一種土壤的分析測定方法。
背景技術：
森林生態(tài)系統的涵養(yǎng)水源功能對減少山洪、泥石流等自然災害，保護生物多樣性及維護生態(tài)安全有著重要作用。森林植被通過其林冠、枯枝落葉、強大的根系對森林水文過程產生重要影響。森林土壤是形成森林植被水文功能的核心地帶，因此，森林土壤的水分動力過程是認識森林水文功能的一個重要環(huán)節(jié)。土壤大孔隙是描述土壤物理特征的一個重要指標。植物根系的穿插與腐爛，土壤動物活動、凍融及干濕交替作用、化學過程、人為活動等使土壤形成了相互連通的大孔隙。土壤大孔隙形狀具有多樣性，既有形狀不規(guī)則的裂隙和裂縫，也有近似圓柱的孔道。大孔隙可以提供優(yōu)先水流路徑，使得土壤水分不能與土體進行充分作用，而直接進入深層土壤中，對深層土壤水分的貯蓄產生重大影響。土壤大孔隙可明顯促進水分入滲，減少地表徑流，坡地土壤大孔隙又是調節(jié)壤中流的主要機制，因此，大孔隙對于生態(tài)水文的調節(jié)有著重要意義。關于大孔隙的定義仍存有爭議，本文選用Radulovich等測定大孔隙的方法，認為土壤大孔隙是指介于土壤田間含水量和飽和含水量的大孔隙。土壤大孔隙的研究目的是土壤調控，為減少地下水污染、控制養(yǎng)分和水分的流失提供技術指導。土壤大孔隙的存在會使土壤水分及溶質產生優(yōu)先運移現象，即產生優(yōu)先流。優(yōu)先流的存在會使水中的養(yǎng)分、鹽分快速流到根區(qū)以下，養(yǎng)分鹽分對植物的補充未必能達到預期效果，這不僅會造成農藥、化肥施用效果不明顯，還涉及到水環(huán)境污染的問題。當前還沒有定量化測定土壤大孔隙的研究裝置，且多數用的水分穿透曲線法只對土壤大孔隙半徑、密度等進行量化，未能提出土壤水分下滲與大孔隙半徑及密度的關系式，因此，本裝置基于定水頭環(huán)刀試驗，分層測定土壤大孔隙，并對土壤下滲水分與大孔隙半徑及密度進行擬合，建立相應的關系式，這能為土壤大孔隙水分運移的研究提供新的理論依據。

發(fā)明內容
針對現有技術存在的不足之處，本發(fā)明目的是提供一種定量化測定土壤大孔隙參數的方法，從而測定大孔隙結構。實現本發(fā)明目的的具體技術方案為:一種測定土壤大孔隙結構的方法，包括步驟:I)用采樣裝置在土壤采樣地點采樣；2)裝有土壤樣品的采樣裝置浸入水中12小時，然后置于粗砂中12小時；3) 土壤樣品上方保持固定的液面高度注水(注水的液面高度稱為水頭)，記錄土壤樣品下方水流出的時間、速度和水量，直至水流出的速度為恒定值；4)計算土壤樣品的大孔隙結構參數，并與水分下滲率進行關系擬合。
所述粗砂用室外常溫下的粗砂就可以。其中，所述步驟I)中的采樣裝置為規(guī)則幾何形狀的采樣裝置。規(guī)則幾何形狀包括矩形、正方形、圓形，容積易于計算。優(yōu)選為環(huán)狀采樣裝置，常用的是環(huán)刀(又稱環(huán)狀采樣器)。采樣裝置是一個空心的，取樣就是在空心裝置中裝滿土樣其中，所述采樣裝置包括上下二個蓋子，其中一個蓋子有孔；采樣之前，在有孔的蓋子內放置濾紙；采樣之后蓋上蓋子。浸在水中時蓋子是蓋著的，浸水深度就是到環(huán)刀上面蓋子的邊緣。在下一步驟(注水)之前去掉上面的蓋子。其中，所述步驟I)中，是在土壤采樣地點分層采樣，共分為垂直相連的3-10層，每層厚度一般取10-20cm。為了減小誤差，通常采3-5個平行樣。其中，所述步驟3)中，將土壤樣品固定在采樣裝置內注水。優(yōu)選地，所述步驟3 )中，將土壤樣品固定在采樣裝置內，所述采樣裝置上方固定一個投影形狀相同的注水裝置，所述注水裝置內的水保持固定的液面高度。其中，所述步驟3)中液面的高度為2-lOcm (水頭)。優(yōu)選為5cm。其中，所述步驟4)中結構參數包括大孔隙的數量、密度和半徑。數量是土壤樣品中大孔隙數量；密度是單位面積土壤樣品中大孔隙的數量。步驟4)之后，擬合流出的水量和大孔隙結構參數之間函數關系，得到下滲率和大孔隙結構參數的關系式。擬合采用origin軟件。 計算使用的公式為Poiseulle方程:Q= Ji Γ4Δρ/8 η τ L(I)和基本水流方程Q=Av= r2 τ L/t(2)聯立得到孔隙半徑計算式r= τ L(8 n/[tAp])1/2(3)式中Q為單位流量(cm3.s—1) ;A為孔徑面積(cm2) ;v為流速(cm.s-1) ;r為孔隙半徑(cm) ； τ為水流實際路徑與土柱長度的比值，范圍在1.1-1.2之間；L為土樣長度(cm) ; Π為水的粘滯系數(實驗水溫下的粘滯系數)(g.cm-1.s_2) ;ΛΡ為壓力水頭(cm)；t為從第一次加水開始記時的時間(S)。τ的范圍在1.1-1.2之間，根據完整的水的穿透曲線，即開始時τ為1.1，當水流達到穩(wěn)定時為1.2，根據這兩點可以建立τ與時間的線性關系，確定任意時間對應的τ值。對任意時間排水量進行觀測，利用(3)式計算出相應的孔隙半徑，將兩個孔隙半徑之間按照一定的間隔劃分孔隙范圍，其計算值則為范圍的平均值。當間隔出流水量為Q。時，假設某個孔徑的孔隙面積為A (cm2)，水流速率為V (cm.s—1)，則與流量之間存在⑷式的關系:Q0 = nAv = η π 2 τ L/t(4)由此計算不同孔徑范圍的大孔隙數量n。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提出的方法，裝置簡單，保持定水頭，且可人為控制水頭高度；分層取土樣使樣點更多、土壤更具代表性、擬合關系更可靠；環(huán)刀保證土壤結構的完整性，通過計算得到分層土壤大孔隙半徑及密度，并進行關系式擬合。


圖1為本發(fā)明的方法中，注水步驟的裝置圖。圖中，I為注水裝置，2為環(huán)刀，3為支架，4為漏斗，5為燒杯。
具體實施例方式以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實施例1研究區(qū)位于鷲峰國家森林公園，地處北京西北郊區(qū)。地理坐標為東經116° 28'，北緯39° 54'。公園面積811.173hm2，最高海拔1153m。采樣點位于海拔100m-400m的地方，選擇5個采樣點(采樣點基本狀況見表I )，選擇無人工干擾的樣地，用直徑7cm，高IOcm的環(huán)刀在采樣地分層(0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-50cm)采集土壤樣品，每層設置3個重復。環(huán)刀有上下兩個蓋子，下面的蓋子有孔，里面墊有濾紙。采樣后環(huán)刀上下蓋上蓋子。將采集的環(huán)刀原狀土放入水槽中，浸水深度到環(huán)刀上面的蓋子，靜置12小時，使其充分吸水，以達到飽和。之后將飽和的環(huán)刀土樣放于粗砂靜置12小時，使其釋水達到田間含水量之所以要浸水12小時，是要土壤充分吸水達到飽和含水量，釋水12小時是要土壤將重力水釋掉，土壤保持田間含水量的狀態(tài)(一般來說，12小時，土壤足以將重力水釋掉)，這樣才符合本專利申請文中大孔隙的定義。土壤水分下滲量是試驗裝置中燒杯中的水量。如圖1，將環(huán)刀2去掉上面的蓋子，上方接套一個直徑7cm，高5cm環(huán)刀(注水裝置I )，在接口處用膠帶粘住，防止漏水。支架3上放置一個漏斗4，在環(huán)刀2下放置燒杯5，通過漏斗4接水。向高5cm環(huán)刀(注水裝置I)內倒水，保持5cm液面高度(水頭)，加滿水至5cm液面高度時，開始計時，當土壤樣品下部有水流出時，記錄時間，并每隔2 O秒收集出流量，測定體積，直至水流流量達到穩(wěn)定為止(水流出的速度達到恒定值)。每個海拔取15各樣，但是每層取3個樣(重復)，層與層之間是不一樣的，不進行均值計算，只有同一層的三個樣進行均值計算。每個樣在注水過程中，每20秒收集出流量，測定體積，得到土壤水分下滲率，通過Poiseulle方程結合水流方程的計算方法，計算得出對應于某一下滲率的大孔隙半徑與密度，每一層的樣可以得到多對這樣的關系。根據試驗量算的下滲率及對應的大孔隙半徑及密度，對下滲率及大孔隙結構進行量化關系擬合。自變量和因變量輸入origin計算軟件中，擬合得到函數關系式。表I采樣點基本狀況
權利要求
1.一種測定土壤內部大孔隙結構參數的方法，包括步驟: 1)用采樣裝置在土壤采樣地點采樣； 2)裝有土壤樣品的采樣裝置浸入水中12小時，然后置于粗砂中12小時； 3)土壤樣品上方保持固定的液面高度注水，記錄土壤樣品下方水流出的時間、速度和水量，直至水流出的速度為恒定值； 4)計算土壤樣品的大孔隙結構參數，并與水分下滲率進行關系擬合。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟I)中的采樣裝置為規(guī)則幾何形狀的采樣裝置，優(yōu)選為環(huán)狀采樣裝置。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述采樣裝置包括上下二個蓋子，其中一個蓋子有孔；采樣之前，在有孔的蓋子內放置濾紙；采樣之后蓋上蓋子。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟I)中，是在土壤采樣地點分層采樣，共分為垂直相連的3-10層，每層厚度10-20cm。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中，土壤樣品位于采樣裝置內，所述采樣裝置上方固定一個投影形狀相同的注水裝置，所述注水裝置內的水保持固定高度的液面。
6.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中液面的高度為2-lOcm。
7.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟4)中結構參數包括大孔隙的數量、密度和半徑。
全文摘要
本發(fā)明提供一種測定土壤大孔隙結構參數的方法，包括步驟1)用采樣裝置在土壤采樣地點采樣，將土壤樣品密封；2)采樣裝置和土壤樣品一同浸入水中12小時，然后置于粗砂中12小時；3)土壤樣品上方保持固定高度的液面注水，記錄土壤樣品下方水流出的時間、速度和水量，直至水流出的速度為恒定值；4)計算土壤樣品的大孔隙結構參數，并與水分下滲率進行關系擬合。本發(fā)明提出的方法，裝置簡單，保持定水頭，且可人為控制水頭高度，分層取土樣，環(huán)刀保證土壤結構的完整性，通過計算得到分層土壤大孔隙半徑及密度，并進行關系式擬合。
文檔編號G01N15/08GK103163054SQ20131005134
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月16日 優(yōu)先權日2013年2月16日
發(fā)明者牛健植, 武曉麗, 謝寶元, 余新曉, 李想, 趙玉麗, 李嬌 申請人:北京林業(yè)大學