一种评估土壤团聚体稳定性的搅拌破碎能量法

摘要

本发明提出了一种评估土壤团聚体稳定性的搅拌破碎能量法，属于土壤结构稳定性评估领域。该方法是将过2mm筛的风干土样加一定的水配比制成土水溶液，并应用搅拌机对该土水溶液进行低速(3000rps)搅拌破碎，搅拌破碎过程中采集搅拌机的电功率和土水溶液温度，同时将搅拌破碎完成的土水溶液进行筛分、烘干、称重，并对比土壤质地确定破碎过程为土壤完全破碎过程。然后，采用水或完全破碎土样溶液在同等实验条件下重复相同时间的搅拌实验，并测出相应的电功率和土水溶液温度。根据采集到的土水溶液和水或完全破碎土样溶液的电功率，通过差分、积分计算土壤破碎能量。本发明可以测量土壤破碎能量，定量评估土壤团聚体稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于土壤结构稳定性评估领域，具体涉及一种评估土壤团聚体稳定性的搅拌破碎能量法。

背景技术

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其稳定性是评价土壤质量好坏的重要指标。早期评估土壤团聚体稳定性的方法多是定性的研究。近年来随着科学技术的发展土壤团聚体稳定性评估呈量化发展趋势，已经研究出利用超声激励分散的方法评估土壤团聚体稳定性、定量计算土壤超声分散能量的系统。但所依赖的超声能量法影响参数较多，且现有的超声仪器功率较大，因而限制了应用领域，不适用于弱稳定性土壤。现有的机械搅拌在土壤科学中的应用主要是分散土样从而进行土壤理化性质的测定。通过测定机械搅拌破碎能量可以定量评估土壤团聚体的稳定性，但该能量一直未得重视。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种评估土壤团聚体稳定性的搅拌破碎能量法。

作为本发明的一个方面，提供了一种评估土壤团聚体稳定性的搅拌破碎能量法的测量原理。

搅拌机搅拌土水溶液时，电能通过搅拌机的电机转化输出搅拌能量。根据能量转化守恒定律，搅拌机输入功率P可以表示为

P＝P_L+P_H+P_S(1)>

其中，P_L为土壤破碎功率，P_H为土水溶液热功率，P_S为系统损耗功率，主要包括搅拌机损耗功率和土水溶液中由于热传导等方式的损耗功率。

对于水或完全分散土样等稳定介质，由于没有破碎能量，搅拌机输入功率只是用于搅拌溶液增加系统热能和系统损耗功率，表现为

P′＝P_H+P_S (2)>

在同等实验条件(即搅拌机转速、实验环境、溶液起始温度等)下，可以认为系统损耗P_S相同。实验过程中发现，相同搅拌时间内，土水溶液和只有水时的温度变化基本相同。原因在于所用搅拌机采用串激整流子电动机，通过电子恒力矩调速，在低速时(一般低于5000rps)力矩恒定，从而搅拌溶液所产生的热能基本一致，即P_H相同。

由(1)和(2)可以差分得到土壤破碎功率为

P_L(t)＝P(t)-P′(t)(3)>

对P_L在搅拌时间内积分可得到土壤破碎能量L，即

$>L={\int }_0^t{P}_{L}dt={\int }_0^t(P-P^{\prime })dt---\left(4\right)$>

搅拌破碎过程结束后，将土水溶液进行筛分、烘干、称重，并与土壤质地对比以确定该过程为土壤完全破碎过程。

作为本发明的另一个方面，提供了一种评估土壤团聚体稳定性的搅拌破碎能量法的实施方案，包括如下步骤：

(1)将过2mm筛的风干土样加水配比制成土水溶液；

(2)将配制好的土水溶液进行低速(3000rps)搅拌破碎，搅拌破碎过程中实时记录搅拌机的电功率和土水溶液温度；

(3)将上述搅拌破碎过程完成的土水溶液进行筛分、烘干、称重，并与土壤质地对比确定破碎过程为土壤完全破碎过程；

(4)同等实验条件(即搅拌机转速、实验环境、溶液起始温度等)下将水或完全破碎土样溶液进行一次相同时间的(2)搅拌重复实验，搅拌破碎过程中实时记录搅拌机的电功率和土水溶液温度；

(5)根据(2)和(4)采集到的土水溶液和水或完全破碎土样溶液的电功率，通过差分、积分计算土壤破碎能量。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用搅拌机搅拌土壤，相比超声波法更适合于弱稳定性土壤。

(2)本发明可以测量土壤破碎能量，定量评估土壤团聚体稳定性。

附图说明

图1为本发明原理框图。

具体实施方式

本发明实施例对所采集到的杨凌塿土和东北黑土进行测试，并根据所测得的土壤破碎能量，杨凌塿土稳定性略强于东北黑土。

实施例1

(1)配比溶液：将风干杨凌塿土60g过2mm筛后与600ml水配比制成土水溶液；

(2)搅拌破碎：将配制好的土水溶液进行低速(3000rps)搅拌破碎，分别搅拌60s，180s，300s，420s，900s，1800s。搅拌破碎过程中实时记录搅拌机的电功率和土水溶液温度；

(3)筛分烘干称重：将上述搅拌破碎过程完成的土水溶液进行筛分、烘干、称重，并与土壤质地对比确定破碎过程为土壤完全破碎过程；

(4)同等实验条件(即搅拌机转速、实验环境、溶液起始温度等)下将600ml水或完全破碎土样溶液进行一次相同时间的(2)搅拌重复实验，搅拌破碎过程中实时记录搅拌机的电功率和土水溶液温度；

(5)根据(2)和(4)采集到的土水溶液和水或完全破碎土样溶液的电功率，通过差分、积分计算土壤破碎能量。

本实施例杨凌塿土在1200s左右达到完全破碎，土壤破碎能量为28.67J/g。

实施例2

(1)配比溶液：将风干东北黑土60g过2mm筛后与600ml水配比制成土水溶液；

(2)搅拌破碎：将配制好的土水溶液进行低速(3000rps)搅拌破碎，分别搅拌60s，180s，300s，420s，900s，1800s。搅拌破碎过程中实时记录搅拌机的电功率和土水溶液温度；

(3)筛分烘干称重：将上述搅拌破碎过程完成的土水溶液进行筛分、烘干、称重，并与土壤质地对比确定破碎过程为土壤完全破碎过程；

(4)同等实验条件(即搅拌机转速、实验环境、溶液起始温度等)下将600ml水或完全破碎土样溶液进行一次相同时间的(2)搅拌重复实验，搅拌破碎过程中实时记录搅拌机的电功率和土水溶液温度；

(5)根据(2)和(4)采集到的土水溶液和水或完全破碎土样溶液的电功率，通过差分、积分计算土壤破碎能量。

本实施例东北黑土在1100s左右达到完全破碎，土壤破碎能量为25.61J/g。

从以上实施例可以看出，本发明可以测量土壤破碎能量，定量评估土壤团聚体稳定性。