土壤含水率的比色測定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種土壤含水率的比色測定方法。以0.1～30g/L六水氯化鈷的有機(jī)溶液為顯色劑浸提待測土壤樣品，去除固體物質(zhì)，得待測溶液，在380～680nm的波長下，測定上述待測溶液的吸光度；根據(jù)上步所得吸光度在已建立的吸光度-土壤含水率標(biāo)準(zhǔn)曲線上查找對應(yīng)的土壤含水率；或者將上步所得吸光度代入到已建立的吸光度-土壤含水率標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，求得對應(yīng)的土壤含水率。本發(fā)明的測水分方法不受土壤種類、成分、容重、擾動等的影響，誤差可控制在2％以下，是一種普適性土壤墑情檢測方法；既適用于在野外現(xiàn)場速測，也適用于實(shí)驗(yàn)室快速測定土樣水分。
【專利說明】土壤含水率的比色測定方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤含水量的測定方法，具體涉及一種土壤含水率的比色測定方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]“建立節(jié)水型社會，發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)”是國家的重大戰(zhàn)略部署。監(jiān)測農(nóng)田墑情變化，開展節(jié)水灌溉對保障我國糧食安全有重要意義。目前田間土壤水分檢測方式有分布式埋入監(jiān)測，和便攜式水分檢測兩類。絕大多數(shù)采用介電原理的頻域反射或時(shí)域反射式水分儀。其檢測速度快，操作簡單，但檢測精度受土壤種類、成分、容重、土壤擾動等的影響，對于埋入式應(yīng)用該誤差可以通過與實(shí)驗(yàn)室方法對比就地校準(zhǔn)加以解決，而對于便攜式應(yīng)用，則常常造成甚至10~20%的巨大誤差。
[0003]土壤水分快速測量技術(shù)的研究，國外學(xué)者研究起步較早。1922年，Gardner就開始從事張力計(jì)快速測定非飽和土壤張力的研究；1939年Shawbauer開始利用埋入土壤的熱電線電阻變化進(jìn)行土壤水分快速測定的研究；1950年，中子衰減法開始被應(yīng)用于快速測量土壤含水量；1976年，Topp和Davis首先將時(shí)域反射法引入土壤水分快速測量的研究；1983年，Hainsworth試驗(yàn)利用X射線快速測量土壤濕度；1991年，Walley利用近紅外方法快速測量土壤含水量取得了一定的研究成果。
[0004]近年來，我國的土壤水分快速測量技術(shù)也陸續(xù)取得了一些進(jìn)展，從傳統(tǒng)的烘干法逐步發(fā)展到快速測量技術(shù)，很多學(xué)者和專家力圖尋找一種適合中國國情、價(jià)廉物美、簡潔方便的土壤水分快速測量方法。20世紀(jì)70年代末期，西安電子科技大學(xué)開發(fā)了 SVJ-3型微波水分測定儀；I960年我國也開始在實(shí)驗(yàn)室利用Y射線透視法測量土壤含水量；1982年，阻抗方法測量土壤含水量也 得到了應(yīng)用；20世紀(jì)末期，出現(xiàn)了基于駐波率原理的快速土壤測量技術(shù)，如時(shí)域反射儀、頻域反射儀等。但這些方法及所用設(shè)備復(fù)雜(微波法、Y射線、中子法、近紅外法)或者對土壤種類的適應(yīng)性受限，而且使用前的校準(zhǔn)工作繁復(fù)(時(shí)域法、頻域法、駐波率法)。眾所周知，土壤是一種由惰性固體、活性固體、溶質(zhì)、氣體和水組成的非勻質(zhì)、多相、分散和顆?；亩嗫紫到y(tǒng)。由于其物理特性復(fù)雜，空間變異性大，造成了利用上述物理法測量水分的困難。
[0005]1963年黃希陶使用無水硫酸銅比色法測定煤油中的水分(化學(xué)世界1963.4)，在我國首次提出以比色法進(jìn)行水分測定，1980年陸文林使用無水氯化鈷比色法測定土壤水分(農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)1980.12)，首次把比色法用于土壤水分測定，其原理是無水氯化鈷遇水變成粉紅色，其反應(yīng)為:CoC12+6H20=【Co(H20)6】C12，隨著水與溶劑丙酮的比例加大，比色溶液顏色由藍(lán)色向粉紅轉(zhuǎn)化。
[0006]比色法測定土壤水分精度高、量程大、基本不受土壤類型、容重、比重和化學(xué)成分等的影響，但是30多年并未得到有效推廣，其主要原因在于:氯化鈷的水合形態(tài)有多種且相互轉(zhuǎn)變(CoCl2.H2O (藍(lán)紫色)CoCl2.2H20(紫紅色)CoCl2.6H20(粉紅色)[CoCl4F (藍(lán)色))；氯化鈷脫除結(jié)晶水的制備過程需要220°C烘干21小時(shí)，制作麻煩，且脫水后保存過程中易于吸潮；不同含水率的比色劑顏色發(fā)生改變，最大吸收波長發(fā)生變化；土壤對比色劑有吸附作用，土壌含水率與比色劑的吸光度不成線性關(guān)系；采用消色劑和離心方法，也限制了該方法的使用場合和快速性等。或許正是由于CoCl2的顯色影響因素過多，屬于可逆平衡反應(yīng)，技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，導(dǎo)致了 30多年間鮮見有相關(guān)研究報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種不受土壤種類、成分、容重、擾動等因素影響的土壤含水率的比色測定方法。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0009]設(shè)計(jì)ー種土壤含水率的比色測定方法，包括如下步驟:
[0010](I)比色液配制:取六水氯化鈷溶于有機(jī)溶劑配制成濃度為0.1~30g/L的有機(jī)溶液，即為顯色劑；
[0011](2)液土混合:取所述顯色劑與待測土壤樣品按Ig:8~12mL的液土比混合；
[0012](3) 土液分離:分離將上步所得混合物，去除固體物質(zhì)，得待測溶液；
[0013](4)吸光度檢測:在380~680nm的波長下，測定上述待測溶液的吸光度；
[0014](5)結(jié)果計(jì)算:根據(jù)上步所得吸光度在已建立的吸光度-土壌含水率標(biāo)準(zhǔn)曲線上查找對應(yīng)的土壤含水率； 或者將上步所得吸光度代入到已建立的吸光度-土壤含水率標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，求得對應(yīng)的土壤含水率。
[0015]本發(fā)明中以六水合氯化鈷[Co(H20)6]C12的藍(lán)色有機(jī)溶液作為顯色劑，不進(jìn)行干燥脫水，可使比色劑的制備時(shí)間減少數(shù)十倍，以[Co(H20)6]C12的有機(jī)溶液建立的反應(yīng)機(jī)制與陸文林提出的CoC12+6H20=【Co(H20)6】C12不同，但同樣滿足水分測定要求:
[0016]六水合氯化鈷遇水可能存在兩種可逆反應(yīng)平衡體系:
[0017][Co (H2O) 6] Cl2 (橘紅色)十 2Et0H=Co (EtOH) 2C12 (藍(lán)色)+6H20,
[0018]當(dāng)土壌中有Cl—存在時(shí)，其平衡體系為
[0019][Co (H2O) 6] 2++4CF (橘紅色)=[COCl4] 2IH2O (藍(lán)色)
[0020]當(dāng)水分增加時(shí)平衡式向左進(jìn)行，顏色由藍(lán)色向淡紅色轉(zhuǎn)變，使比色劑藍(lán)色變淺，在一定波長下其吸光度與含水率呈負(fù)相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。
[0021]在所述步驟⑴中，所述有機(jī)溶劑為丙酮、こ醇、こ醚中的至少ー種。
[0022]在所述步驟(4)中，在以光電比色儀器測定所述待測溶液的吸光度前，先以配制所述比色液的溶劑調(diào)整光電比色儀器的透光度至零。
[0023]以已知含水率的顯色劑為標(biāo)準(zhǔn)液，測定其吸光度并與該標(biāo)準(zhǔn)液的標(biāo)準(zhǔn)曲線的吸光度比較計(jì)算校正系數(shù)，對儀器和藥劑進(jìn)行校正。
[0024]所述標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立方法如下:
[0025](I)取一定樣本數(shù)量的不同的已知含水率的土壤樣品Mg ；
[0026](2)按照權(quán)利要求1所述的比色測定方法測定各已知含水率的土壤樣品所對應(yīng)的吸光度；
[0027](3)根據(jù)土壤樣品的已知含水率及其上步所得的對應(yīng)的吸光度，擬合回歸出曲線方程C=f (Axtl)，即為標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。
[0028]本發(fā)明具有積極有益的效果:
[0029]1.本發(fā)明的顯色劑濃度范圍很寬(0.5~30g/L)在重量含水率0~40%之間，遠(yuǎn)超過土壤持水率30?35% )，可以把水分測定范圍延伸到水田土樣的速測；本發(fā)明所用比色劑濃度范圍在O?60°C環(huán)境溫度下藍(lán)色基色穩(wěn)定；紅色對吸光度的影響在允許范圍內(nèi)；
[0030]2.本發(fā)明的測水分方法不受土壤種類、成分、容重、擾動等的影響，誤差可控制在2%以下，是一種普適性土壤墑情檢測方法；既適用于在野外現(xiàn)場速測，也適用于實(shí)驗(yàn)室快速測定土樣水分。
[0031]3.本發(fā)明方法檢測精度高、能測定低含水率的土樣，而這正是常規(guī)介電法難以做到的；目前實(shí)驗(yàn)室最快又不受土類、容重影響的測水方法是微波加熱方法，但測定前后都要精密天平的配合，效率受限，且不具便攜性；本發(fā)明方法在低含水量區(qū)間的絕對誤差不超過1%，速度快、效率高，與離心法結(jié)合可在3?5分鐘內(nèi)完成測試；可以單獨(dú)制成水分速測儀，也可以作為土壤養(yǎng)分速測儀的附加功能。
[0032]4.本發(fā)明的工作曲線建?？梢灾苯佑猛烈悍蛛x后的濾液，可以不經(jīng)消色處理，也可不用分析級試劑配制的標(biāo)準(zhǔn)液建工作曲線，既減少了消色處理的工序和成本，又基本排除了土樣對比色劑吸附帶來的誤差。
[0033]5.本發(fā)明提出一個(gè)用顯色劑做標(biāo)準(zhǔn)液修正儀器與藥劑誤差的方法，以消除儀器內(nèi)置工作曲線與使用條件下真實(shí)工作曲線不一致帶來的誤差；在制定工作曲線的同時(shí)測定已知水分含量的標(biāo)準(zhǔn)液吸光度，在實(shí)測中測定該標(biāo)準(zhǔn)液吸光度的變化，計(jì)算出校準(zhǔn)系數(shù)，用于修正測試數(shù)據(jù)；本發(fā)明可以使標(biāo)準(zhǔn)曲線通用化，使用戶免除標(biāo)準(zhǔn)曲線建模過程，提高操作過程效率和測試精度。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0035]實(shí)例I 一種土壤含水率的比色測定方法，包括如下步驟:
[0036](I)顯色劑:稱取10.0OOg氯化鈷于IL容量瓶中，用乙醇溶解并定容至1L，搖勻備用，測其吸光度；
[0037](2)工作曲線:分別配制含水量為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的顯色后的標(biāo)液，并在分光光度計(jì)上測試其吸光度，以吸光度為橫坐標(biāo)，以含水量為縱坐標(biāo)，繪制工作曲線，工作曲線方程式為:y=0.2348x2-0.6706x+0.5018 ；
[0038](3)稱取約1.0Og新鮮土樣于比色管中，吸取顯色劑IOmL于比色管中，用力搖勻，使土壤分散開來，用濾紙將該土樣待測液過濾于比色皿中，備用；
[0039](4)用測土?xí)r已知含水率的顯色劑做標(biāo)準(zhǔn)液測得的吸光度，與制工作曲線時(shí)的同一含水率標(biāo)準(zhǔn)液的吸光度值之比，校正該工作曲線。本次試驗(yàn)校正系數(shù)為1，校正后工作曲線方程未變。
[0040](5)測定待測液的吸光度值，將土樣的吸光度值自動代入校正后工作曲線的方程式，得到 y=0.643 (mL)
[0041](6) 土樣的含水量為16.8%。
[0042]實(shí)例2:—種土壤含水率的比色測定方法，包括如下步驟:
[0043](I)顯色劑:稱取3.200g氯化鈷于IL容量瓶中，用丙酮溶解并定容至1L，搖勻備用。
[0044](2)工作曲線:分別配制含水量為0%、2%、4%、6%、8%、10%、15%、20%的顯色后的標(biāo)液，并在分光光度計(jì)上測試其吸光度，以吸光度為橫坐標(biāo)，以含水量為縱坐標(biāo)，繪制工作曲線，工作曲線方程式為:y=24.38x2-48.374x+23.586。
[0045](3)稱取約2.0OOg新鮮土樣于比色管中，吸取顯色劑20mL于比色管中，用力搖勻，使土壌分散開來，用濾紙將該土樣待測液過濾于比色皿中，備用。
[0046](4)用測土?xí)r已知含水率的顯色劑做標(biāo)準(zhǔn)液測得的吸光度，與制工作曲線時(shí)的同一含水率標(biāo)準(zhǔn)液的吸光度值之比，校正該エ作曲線。本次試驗(yàn)校正系數(shù)為1.校正后工作曲線方程未變。
[0047](5)在分光光度計(jì)上測試以上土樣的吸光度值，吸光度值為0.25。將土樣的吸光度值0.25代入工作曲線的方程式，求得該土樣的含水量為0.130 (mL)
[0048](6) 土樣的含水量為6.95*%。
[0049]雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作ー些修改或改進(jìn)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種土壤含水率的比色測定方法，包括如下步驟: (1)比色液配制:取六水氯化鈷溶于有機(jī)溶劑配制成濃度為0.1?30g/L的有機(jī)溶液，即為顯色劑； (2)液土混合:取所述顯色劑與待測土壤樣品按Ig:8?12mL的液土比混合； (3)土液分離:分離將上步所得混合物，去除固體物質(zhì)，得待測溶液； (4)吸光度檢測:在380?680nm的波長下，測定上述待測溶液的吸光度； (5)結(jié)果計(jì)算:根據(jù)上步所得吸光度在已建立的吸光度-土壌含水率標(biāo)準(zhǔn)曲線上查找對應(yīng)的土壌含水率；或者將上步所得吸光度代入到已建立的吸光度-土壌含水率標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，求得對應(yīng)的土壤含水率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壌含水率的比色測定方法，其特征在于，在所述步驟(I)中，所述有機(jī)溶劑為丙酮、こ醇、こ醚中的至少ー種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壌含水率的比色測定方法，其特征在于，在所述步驟(4)中，在以光電比色儀器測定所述待測溶液的吸光度前，先以配制所述比色液的溶劑調(diào)整光電比色儀器的透光度至零。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壌含水率的比色測定方法，其特征在干，以已知含水率的顯色劑為標(biāo)準(zhǔn)液，測定其吸光度并與該標(biāo)準(zhǔn)液的標(biāo)準(zhǔn)曲線的吸光度比較計(jì)算校正系數(shù)，對儀器和藥劑進(jìn)行校正。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壌含水率的比色測定方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立方法如下: (1)取一定樣本數(shù)量的不同的已知含水率的土壤樣品Mg； (2)按照權(quán)利要求1所述的比色測定方法測定各已知含水率的土壤樣品所對應(yīng)的吸光度； (3)根據(jù)土壤樣品的已知含水率及其上步所得的對應(yīng)的吸光度擬合回歸出曲線方程C=f (Axtl)，即為標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。
【文檔編號】G01N21/31GK103592248SQ201310643783
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】楊張青, 胡小寧, 段鐵城 申請人:河南農(nóng)大迅捷測試技術(shù)有限公司