一种原位监测非刚性土壤容重的方法

本发明涉及一种原位监测非刚性土壤容重的方法，属于土壤物理性质测定。

背景技术：

1、土壤容重是表征土壤结构最常用的指标之一，在调控土壤水气传输和作物生长过程中发挥着重要作用。目前，获取土壤容重的动态变化主要通过田间间隔采样的方法进行，费时费力，并且无法得到土壤结构的连续动态过程。

2、热脉冲-时域反射技术(thermo-tdr)能够利用同步获取的土壤热特性及含水量，反推出土壤容重，实现土壤容重的连续监测。但是目前，热脉冲-时域反射技术还未实现商业化应用，而自制探头本身制作工艺复杂，且探头之间存在一些不确定性差异，限制了该项技术的广泛应用。有研究结合市场化的土壤水分和热脉冲探头，在不同刚性土壤类型中实现了准确的容重测定，进一步提高了该技术的应用前景。

3、然而，对于富含膨胀性粘土矿物的非刚性土壤而言，土壤的剧烈收缩不仅造成探针本身明显的变形，并且失水过程中土壤裂隙逐渐发育。探针和土壤间形成的空气间隙显著增大了土壤的接触热阻，进而对容重预测产生较大误差。而在田间监测过程中，容重预测具有更多的不确定性，比如除脉冲加热过程外，野外土壤热特性的测定更易受到太阳辐射和环境温度漂移的影响，造成昼夜之间或不同天气条件下容重预测的较大偏差。因此，亟需研发准确便捷且易于推广的非刚性土壤容重原位监测方法，填补多探头联用监测土壤容重动态的技术空白。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种原位监测非刚性土壤容重的方法，针对非刚性土胀缩过程产生的接触热阻增大、田间温度漂移等问题，采用全新设计，能够高效准确测定非刚性土壤容重的动态变化。

2、本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种原位监测非刚性土壤容重的方法，基于土壤热脉冲探针与土壤水分探针对目标非刚性土壤热导率和体积含水量的同时检测，执行如下步骤a至步骤c，实现对目标非刚性土壤的土壤容重值ρb的检测；

3、步骤a.基于土壤热脉冲探针的探针灵敏度s、土壤热脉冲探针中加热丝长度l、土壤热脉冲探针中加热丝电阻r、土壤热脉冲探针中加热丝两端电压uheater、以及土壤热脉冲探针对应预设探针加热时长的加热前后探针输出电压u0与u1，获得目标非刚性土壤的土壤热导率值λ，然后进入步骤b；

4、步骤b.根据土壤水分探针所获目标非刚性土壤的土壤介电常数eb，获得目标非刚性土壤的土壤体积含水量值θv，然后进入步骤c；

5、步骤c.根据目标非刚性土壤的土壤热导率值λ、土壤体积含水量值θv，针对如下模型：

6、

7、迭代计算获得目标非刚性土壤的土壤总孔隙度φ、以及目标非刚性土壤的土壤容重值ρb，其中，α＝0.67fclay+0.24，β＝1.97fsand+1.87ρb-1.36fsandρb-0.95，fsand和fclay分别表示目标非刚性土壤的砂粒和粘粒含量，λdry表示干土热导率。

8、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a中，基于土壤热脉冲探针的探针灵敏度s、土壤热脉冲探针中加热丝长度l、土壤热脉冲探针中加热丝电阻r、土壤热脉冲探针中加热丝两端电压uheater、以及土壤热脉冲探针对应预设探针加热时长的加热前后探针输出电压u0与u1，按如下公式：

9、

10、获得目标非刚性土壤的土壤热导率值λ，其中，s表示土壤热脉冲探针的探针灵敏度，q表示土壤热脉冲探针中每米加热丝的电功率，δu表示u1与u0之间的差值，然后进入步骤b。

11、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b中，根据土壤水分探针所获目标非刚性土壤的土壤介电常数eb，按如下公式：

12、θv＝4.3×10-6×eb3-5.5×10-4×eb2+2.92×10-2×eb-5.3×10-2

13、获得目标非刚性土壤的土壤体积含水量值θv，然后进入步骤c。

14、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a中关于土壤热脉冲探针对目标非刚性土壤的检测，剔除预设白天时间段的检测数据，进而根据预设夜间时间段的检测数据，执行所述步骤a，获得目标非刚性土壤的土壤热导率值λ。

15、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a中关于土壤热脉冲探针对目标非刚性土壤的检测，针对预设夜间时间段检测数据，根据如下线性外推法公式：

16、u0(t)＝at+b

17、拟合获得土壤热脉冲探针对应加热前探针输出电压随时间(t)变化的趋势方程u0(t)，即校正预设夜间时间段监测过程中环境背景温度对检测数据的影响，进而根据其中at，应用u1-at的结果更新u1，更新获得土壤热脉冲探针对应预设探针加热时长加热后的校正探针输出电压u1，其中，a、b表示方程拟合参数。

18、作为本发明的一种优选技术方案：所述土壤水分探针对目标非刚性土壤检测前，分别应用土壤水分探针与烘干法获得土壤环刀样品的测定值，并获得两者之间的线性关系，用于后续校正土壤水分探针对目标非刚性土壤检测的误差。

19、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a中，基于目标非刚性土壤的土壤热导率值λ的获得，进一步根据k＝kreference×treference/t，获得目标非刚性土壤的土壤热扩散率k，进而根据c＝λ/k，获得目标非刚性土壤的土壤体积热容量c；其中，kreference表示标准参考物琼脂凝胶20℃条件下的热扩散率，treference表示20℃条件下标准参考物琼脂凝胶加热后输出电压降低至δu的37％时所需的时长，δu表示u1与u0之间的差值，t表示土壤热脉冲探针对应预设探针加热时长加热后、探针输出电压降低至δu的37％的响应时长。

20、作为本发明的一种优选技术方案：应用土壤热脉冲探针对目标非刚性土壤检测之前，采用高导热硅脂涂抹于土壤热脉冲探针箔片表面，并且因热脉冲探针准确测量土壤热特性的空间范围的影响(半径4mm)，高导热硅脂的涂抹厚度应不超过1mm。

21、本发明所述一种原位监测非刚性土壤容重的方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

22、(1)本发明所设计一种原位监测非刚性土壤容重的方法，针对非刚性土胀缩过程产生的接触热阻增大、田间温度漂移等问题，采用全新设计，在热脉冲-时域反射技术原理上，利用土壤热脉冲探针与土壤水分探针，填补多探头联用长期原位监测土壤容重动态的技术空白，基于土壤热导率值、土壤体积含水量值的获得，按设计模型测定非刚性土壤的土壤容重值，并针对土壤热脉冲探针，采用高导热硅脂改善土壤热脉冲探针与土壤之间的热接触，克服了原方法因非刚性土壤开裂造成容重预测误差增大的缺点；以及设计中通过线性外推法，校正了野外监测时因环境温度漂移造成的不同天气状况下的容重预测偏差；整个设计方法能够实现室内及野外条件下非刚性土壤容重的准确预测。

技术特征：

1.一种原位监测非刚性土壤容重的方法，其特征在于：基于土壤热脉冲探针与土壤水分探针对目标非刚性土壤热导率和体积含水量的同时检测，执行如下步骤a至步骤c，实现对目标非刚性土壤的土壤容重值ρb的检测；

2.根据权利要求1所述一种原位监测非刚性土壤容重的方法，其特征在于：所述步骤a中，基于土壤热脉冲探针的探针灵敏度s、土壤热脉冲探针中加热丝长度l、土壤热脉冲探针中加热丝电阻r、土壤热脉冲探针中加热丝两端电压uheater、以及土壤热脉冲探针对应预设探针加热时长的加热前后探针输出电压u0与u1，按如下公式：

3.根据权利要求1所述一种原位监测非刚性土壤容重的方法，其特征在于：所述步骤b中，根据土壤水分探针所获目标非刚性土壤的土壤介电常数eb，按如下公式：

4.根据权利要求1所述一种原位监测非刚性土壤容重的方法，其特征在于：所述步骤a中关于土壤热脉冲探针对目标非刚性土壤的检测，剔除预设白天时间段的检测数据，进而根据预设夜间时间段的检测数据，执行所述步骤a，获得目标非刚性土壤的土壤热导率值λ。

5.根据权利要求4所述一种原位监测非刚性土壤容重的方法，其特征在于：所述步骤a中关于土壤热脉冲探针对目标非刚性土壤的检测，针对预设夜间时间段检测数据，根据如下线性外推法公式：

6.根据权利要求1所述一种原位监测非刚性土壤容重的方法，其特征在于：所述土壤水分探针对目标非刚性土壤检测前，分别应用土壤水分探针与烘干法获得土壤环刀样品的测定值，并获得两者之间的线性关系，用于后续校正土壤水分探针对目标非刚性土壤检测的误差。

7.根据权利要求1所述一种原位监测非刚性土壤容重的方法，其特征在于：所述步骤a中，基于目标非刚性土壤的土壤热导率值λ的获得，进一步根据k＝kreference×treference/t，获得目标非刚性土壤的土壤热扩散率k，进而根据c＝λ/k，获得目标非刚性土壤的土壤体积热容量c；其中，kreference表示标准参考物琼脂凝胶20℃条件下的热扩散率，treference表示20℃条件下标准参考物琼脂凝胶加热后输出电压降低至δu的37％时所需的时长，δu表示u1与u0之间的差值，t表示土壤热脉冲探针对应预设探针加热时长加热后、探针输出电压降低至δu的37％的响应时长。

8.根据权利要求1所述一种原位监测非刚性土壤容重的方法，其特征在于：应用土壤热脉冲探针对目标非刚性土壤检测之前，采用高导热硅脂涂抹于土壤热脉冲探针箔片表面，且高导热硅脂的涂抹厚度应不超过1mm。

技术总结
本发明涉及一种原位监测非刚性土壤容重的方法，针对非刚性土胀缩过程产生的接触热阻增大、田间温度漂移等问题，采用全新设计，在热脉冲‑时域反射技术原理上，利用土壤热脉冲探针与土壤水分探针，填补多探头联用长期原位监测土壤容重动态的技术空白，基于土壤热导率值、土壤体积含水量值的获得，按设计模型测定非刚性土壤的土壤容重值，并针对土壤热脉冲探针，采用高导热硅脂改善土壤热脉冲探针与土壤之间的热接触，克服了已有方法因非刚性土壤开裂造成容重预测误差增大的缺点；通过线性外推法，校正了野外监测时因环境温度漂移造成的不同天气状况下的容重预测偏差；该方法的改进优化，在野外条件下易于操作和实施，提高了原位监测非刚性土壤容重的准确性，具有推广意义。

技术研发人员：王玥凯,张中彬,田正超,卢奕丽,任图生,王亮亮,郭自春,彭新华
受保护的技术使用者：中国科学院南京土壤研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13