一种不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节装置及方法

本发明属于土壤样品含水量准备及检测，具体而言涉及一种在不扰动土壤团粒结构的条件下调节土壤含水量的试验样品准备装置及方法。

背景技术：

1、在进行土壤试验前对土壤样品的含水量进行调节是土壤实验室的普遍需求。土壤含水量指土壤水分质量与土壤干质量的比率，土壤水分指赋存在土壤孔隙中的液态水，以结合水、薄膜水和重力水的形式存在。土壤含水量对于土壤的物理性质、化学性质、土壤动物的生存状态以及土壤微生物的活性有大幅度的影响，可以决定试验结果的准确程度。在自然界中，健康土壤的土壤含水量在一定范围内变动，在下渗良好的土壤中，其含水量一般不超过田间持水量。田间持水量，即在饱水后充分下渗排除重力水后，土壤水分质量与土壤干质量的比率。实验室设计土壤试验时，非特殊情况不使其含水量超过田间持水量。

2、目前土壤实验室在处理自然采样后的土壤后，会对其进行风干、过筛处理，以排除土壤中植物残体和土壤动物等试验干扰因素。之后在风干过筛后的土壤中添加去离子水、经过人工搅拌混匀后，称重，使其达到实验所需求的土壤含水量。在水流冲击和人工搅拌的过程中，土壤的团粒结构会受到极大影响，大的团粒破裂成小团粒，小团粒相互黏结成大团粒的现象会在此过程中发生，使试验土壤的结构性质发生改变。在对土壤团粒结构有严格要求的实验中，目前尚缺少一种实用的调节土壤含水量的试验样品准备方法。

技术实现思路

1、为了克服土壤试验样品准备过程中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种可以在不扰动土壤团粒结构的情况下调节土壤含水量的实验样品准备方法及配套装置。本发明可以在不对供试土壤产生较大扰动的基础下，通过将雾化加湿装置与土壤试验样品准备装置相结合，准确并稳定的调节土壤样品的含水量。

2、本发明采用如下的技术方案：

3、一种不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节装置，包括：

4、圆柱形箱体，按照由下向上的顺序，所述圆柱形箱体的底部为承载去离子水的水箱，所述水箱内部设置有超声波雾化器，用于将去离子水雾化为水雾；所述水箱上面设置有pwm调速风扇(脉冲宽度调制调速风扇)，用于将生成的水雾向上输送；在所述pwm调速风扇上面设置有质量传感器，用于称量土壤样品的质量变化。

5、土壤样品存放平台，为圆柱形，按照由下向上的顺序，所述土壤样品存放平台底面为土壤样品放置筛网，用于放置待处理的土壤样品；在所述土壤样品放置筛网上面设置有挡水板，用于防止箱体内壁的冷凝水滴落在土壤样品上，所述圆柱形箱体内部的空间形成密封的雾气室；所述土壤样品存放平台的顶部为带提手的顶盖，方便所述土壤样品存放平台的整体拿取。

6、优选地，所述圆柱形箱体的材质选自防水且强度高的亚克力材料，厚度为5mm，内径为15-30cm，更优选为15-25cm，更优选为20cm。

7、优选地，所述挡水板为pc塑料材质，以防止箱体内壁的冷凝水滴落在土壤样品上。

8、优选地，所述土壤样品放置筛网为孔径为53μm的尼龙筛网。

9、优选地，所述土壤样品存放平台直径略小于所述圆柱形箱体的内径，并且所述土壤样品存放平台的侧壁与所述圆柱形箱体的侧壁留有微小间隙。

10、优选地，所述圆柱形箱体中的所述质量传感器设置为圆环结构，所述土壤样品存放平台放入所述圆柱形箱体中时，所述土壤样品存放平台底部的所述土壤样品放置筛网坐落在所述质量传感器上，形成密封结构，防止水雾从两者接触面的缝隙处渗漏。

11、优选地，在圆柱形箱体下部接近所述水箱的侧壁设置有注水口，用于向所述水箱补充去离子水。

12、一种不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节方法，所述调节方法采用上述土壤含水量调节装置，该方法包括：

13、1)将土壤样品放置在所述土壤样品存放平台的所述土壤样品放置筛网上，安置挡水板；

14、2)然后盖好所述顶盖后，将所述土壤样品存放平台放入所述圆柱形箱体中；

15、3)开启所述超声波雾化器和所述pwm调速风扇，向待测土壤样品输送水雾，同时根据所述质量传感器记录质量变化数据。

16、4)待所述质量传感器读数达到目标含水量所需读数，关闭所述超声波雾化器和所述pwm调速风扇，结束实验，从所述圆柱形箱体中提出所述土壤样品存放平台，得到所需土壤样品。

17、其中，所述超声波雾化器的功率和所述pwm调速风扇的转速可以控制水雾的上升量和上升速度，以控制土壤含水量的变化速度，两者可以根据待测土壤样品松散度、实验要求等进行调节。

18、优选地，超声波雾化器的功率设置为0-20w，pwm风扇转速设置为0-1600rpm之间，其中数值下限0表示可以不开启。通过超声雾化器形成的细小水珠形成雾气氛围，使雾气笼罩土壤样品，基于土壤水势能原理，对土壤进行湿度调节。

19、通过质量传感器测量土壤样品的质量，土壤含水量改变后质量发生改变。根据质量传感器读数判断土壤样品的含水量变化量，具体公式为：

20、

21、其中δw为土壤样品的含水量变化量，m1为质量传感器现状读数，m0为土壤样品初始质量。ms为土壤样品干土重。

22、优选地，所述土壤样品应该平整均匀地放置在所述土壤样品放置筛网上，不宜堆积过高的厚度，以防止土壤含水量不均匀。

23、与现有技术相比本发明的有益效果是：

24、1)根据本发明的不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节方法及其配套装置，能填补现有的土壤含水量操作方法的固有缺陷，最大程度降低调节含水量过程对土壤团粒结构的影响，为对土壤团粒结构进行更精细的样品条件控制，设计更完善的试验提供了可能。

25、2)根据本发明的不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节方法及其配套装置，通过空气压强差，将包含水分的雾气通入土壤孔隙中，直接改变土壤含水量，在试验过程需要保持样品前后同一性(仅需含水量变化)的情况下，可以避免现有技术的扰动过程中，对土壤其他性质的影响，保证了试验样品的稳定。

26、3)根据本发明的不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节方法及其配套装置，可以通过超声震碎去离子水产生细小水珠并包围土壤样品，连续、平滑、均匀的调整土壤样品含水量，避免了现有技术在向土壤添加去离子水过程中会产生局部过度湿润的情况。

27、4)根据本发明的不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节方法及其配套装置，通过质量传感器连续平滑的调整土壤含水量，可以做到达到目标含水量即停止加湿，取出样品。相对于现有技术，可以更加精细的调节土壤含水量，降低试验误差。

技术特征：

1.一种不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节装置，包括：

2.根据权利要求1所述的土壤含水量调节装置，其特征在于，所述圆柱形箱体的材质选自防水且强度高的亚克力材料，厚度为5mm，内径为15-30cm，更优选为15-25cm，更优选为20cm。

3.根据权利要求1所述的土壤含水量调节装置，其特征在于，所述挡水板为pc塑料材质，以防止箱体内壁的冷凝水滴落在土壤样品上。

4.根据权利要求1所述的土壤含水量调节装置，其特征在于，所述土壤样品放置筛网为孔径为53μm的尼龙筛网。

5.根据权利要求1所述的土壤含水量调节装置，其特征在于，所述土壤样品存放平台直径略小于所述圆柱形箱体的内径，并且所述土壤样品存放平台的侧壁与所述圆柱形箱体的侧壁留有微小间隙。

6.根据权利要求1所述的土壤含水量调节装置，其特征在于，所述圆柱形箱体中的所述质量传感器设置为圆环结构，所述土壤样品存放平台放入所述圆柱形箱体中时，所述土壤样品存放平台底部的所述土壤样品放置筛网坐落在所述质量传感器上，形成密封结构，防止水雾从两者接触面的缝隙处渗漏。

7.根据权利要求1所述的土壤含水量调节装置，其特征在于，在所述圆柱形箱体下部接近所述水箱的侧壁设置有注水口，用于向所述水箱补充去离子水。

8.一种不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节方法，所述调节方法采用根据权利要求1至7中任意一项所述土壤含水量调节装置，该方法包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述超声波雾化器的功率设置为0-20w，pwm风扇转速设置为0-1600rpm之间，其中数值下限0表示可以不开启。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述土壤样品需要平整均匀地放置在所述土壤样品放置筛网上，不能堆积过高的厚度，以防止土壤含水量不均匀。

技术总结
本发明公开了一种不扰动土壤团粒结构的土壤含水量调节装置及方法，所述装置主要包括圆柱形箱体和土壤样品存放平台，通过圆柱形箱体内设置的PWM调速风扇和超声波雾化器向土壤样品输送水雾，实现土壤样品含水率的调节。在试验过程需要保持土壤样品团粒结构前后同一性的情况下，本发明的装置及方法填补现有的土壤含水量操作方法的固有缺陷。本发明装置及方法通过空气压强差，将包含水分的雾气通入土壤孔隙中，以毛细作用改变土壤含水量，可以避免现有技术的扰动过程中，对土壤团粒结构的影响，保证了试验样品的稳定，最大程度降低调节含水量过程对土壤团粒结构的影响，为对土壤团粒结构进行更精细的样品条件控制，设计更完善的试验提供了可能。

技术研发人员：焦文涛,胡乃文,单永平,刘峰
受保护的技术使用者：中国科学院生态环境研究中心
技术研发日：
技术公布日：2025/3/10