测量土壤质量含水率的体积置换方法及设备

摘要

本发明提供一种测量土壤质量含水率的体积置换方法，具体步骤如下：将任意体积待测土样装入容积为已知的恒容容器，称待测土样质量；向装有待测土样的恒容容器中注满水，称量加满水后恒容容器内土样与水的总质量；按照公式计算土壤质量含水率。本发明还提供本发明方法所用的设备，由恒容容器、称重设备、注水设备组成，其中恒容容器用于盛放待测土样，注水设备用于往恒容容器中注水，称重设备用于称量质量。本发明的方法可适用于任意质地土壤的含水率测量，操作过程简单、方便，克服了测量含水率的烘干法较费时且不适合野外作业，燃烧法消耗能源、测量精度相对较低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤学领域，具体涉及一种测量土壤质量含水率的 体积置换方法及设备。

背景技术

土壤质量含水率是表征一定深度土层干湿程度的物理量，是农 业生产中的一项重要参数，土壤水分测定是进行土壤水分分析的基 础工作，它的直接测量是相关研究和应用的基础，在土壤力学、作 物栽培、农田灌溉、生态环境等研究和实践中十分重要，所以准确 地获取土壤质量含水率的信息极为重要。特别是随着水资源危机日 益突出，国内外对节水农业研究都给予高度重视，土壤质量含水率 也就成了节水农业研究中经常测定的项目。在生产建设、农业、水 利等工程中，需要简便、快速测定土壤质量含水率。

目前，直接测量土壤质量含水率的方法主要有烘干称质量法或 燃烧法，作为直接测量土壤水分含量的唯一方法，其中烘干称质量 法为标准方法。这两种方法是其他所有间接测量方法的基础，在测 量精度上具有其它间接测量方法不可比拟的优势。传统测量含水率 的烘干法比较费时间且不适合野外作业；燃烧法消耗能源，测量精 度相对较低。其他间接测量方法（如TDR、FDR、伽马射线、电容 传感器、中子仪等），必须采用上述两种直接测量方法之一进行校准 和标定，同时存在价格昂贵、不易操作、可能对人体危害较大等多 方面的缺陷。因此，简单、方便的直接测量方法非常重要。

发明内容

为了克服长期以来测量土壤质量含水率的方法存在的操作复杂 等问题，本发明旨在提供一种测量土壤质量含水率的体积置换方法及 设备。

本发明测量土壤质量含水率的体积置换方法的原理如下：

土壤是由土壤颗粒、水和气体组成的三相混合体。空气的质量在 计算中可以忽略不计，所以所取的待测土样质量主要由土壤颗粒质量 和待测土样含水质量确定。

由于土样装得紧密还是装得松散都仅影响土壤中充气孔隙的情 况，不会影响土壤颗粒密度、土壤颗粒体积、待测土样含水质量、待 测土样含水体积，因此取样时可以任取待测土样。

将任意体积待测土样装入恒容容器中，称得待测土样质量m后向 容器中注满水，称质量得到加满水后恒容容器内土样与水的总质量为 m’，此时，容器中物质的质量包括土壤颗粒质量、待测土样含水质量 以及补充水分的质量之和，则质量关系表达式为：

m'=m_s+m_w+m_r     （1）

其中，m_r为向恒容容器中补充的水分质量，单位g。

注水的过程是将土样和恒容容器中的气体置换出来。补充的水分 的质量已知，原有的充气空隙（原始土样与恒容容器）即为被注入的 水置换的体积。根据体积关系，可以计算得到待测土样含水体积与土 壤颗粒体积之和，为恒容容器的容积与补充水分的体积之差。如下列 关系式：

v_s+v_w=v'-m_r/ρ_w      （2）

土样中土壤颗粒与水的质量分别等于它们各自的体积与密度的 乘积。

所以得到：

$v_s=\frac{m-{\rho }_w{v}_0}{{\rho }_s-{\rho }_w}---\left(3\right)$

$v_w=\frac{{\rho }_s{v}_0-m}{{\rho }_s-{\rho }_w}---\left(4\right)$

式中，

$v_0=v^{\prime }-\frac{m_r}{{\rho }_w}---\left(5\right)$

为土壤颗粒体积与待测土样含水体积之和，单位cm³。

根据土壤颗粒密度和水密度，可以得到土壤颗粒和初始含水的质 量：

m_s=v_sρ_s     （6）

m_w=v_wρ_w     （7）

根据定义，土壤含水率由下式计算：

$\theta =\frac{m_w}{m_s}\times 100\%---\left(\text{8}\right)$

继而根据公式（6）、（7）、（8）求出任意土壤的含水率。

$\theta =\frac{v_w{\rho }_w}{v_s{\rho }_s}\times 100\%---\left(9\right)$

本发明提供的一种测量土壤质量含水率的体积置换方法，具体 步骤如下：

将待测土样装入容积已知的恒容容器，称待测土样质量；向装有 待测土样的恒容容器中注满水，称量加满水后恒容容器内土样与水的 总质量；按照以下公式计算土壤含水率：

公式1：m_r=m'-m

公式2：v₀=v'-m_r/ρ_w

公式3：$v_s=\frac{m-{\rho }_w{v}_0}{{\rho }_s-{\rho }_w}$

公式4：$v_w=\frac{{\rho }_s{v}_0-m}{{\rho }_s-{\rho }_w}$

公式5：$\theta =\frac{v_{\text{w}}{\rho }_w}{v_s{\rho }_s}\times 100\%$

式中，m_r为所注入的水的质量，m为待测土样质量，m’为加满水 后恒容容器内土样与水的总质量，单位g，v’为恒容容器容积，v₀为 土壤颗粒体积与待测土样含水体积之和，v_s为土壤颗粒体积、v_w为 待测土样含水体积，单位cm³；ρ_w为水密度，ρ_s为土壤颗粒密度， 单位g/cm³；θ为土壤质量含水率，单位%；

所述恒容容器由一个形状规则且不易变形的容器及其上端的液 面定位盖组成，在液面定位盖上设有注水口，在容器口设有溢水 口；通过在容器的上端加盖液面定位盖控制容器内的容积为恒定， 通过注水口向恒容容器内缓慢补充液体，溢水口用于排出超出恒容 容器容积的液体。

其中，温度在4℃左右时，水的密度为1.000g/cm³，在温度变化 不大的情况下，可以在计算时将水密度ρ_w取值1.000g/cm³；土壤颗 粒密度ρ_s大小与土壤的化学与矿物组成有关，一般土壤的颗粒密度 多在2.6～2.8g/cm³范围内，计算时通常采用的土壤颗粒密度值为 2.653g/cm³。

其中，所述恒容容器优选为圆柱形、长方体或多棱柱等形状。

其中，所述恒容容器的材料要求有一定斥水性且不易变形。陶瓷 材料或一般的金属材料如铝、不锈钢、合金等均可。

其中，所述注满水，为往恒容容器内加水到液面接近恒容容器口， 盖上液面定位盖，通过注水口缓慢向内滴水至溢水口处有水滴出现为 止。

其中，计算过程可通过人工计算、计算器计算、计算机计算，优 选为将测定的数据直接导入计算机，根据编入所需公式自动计算得出 土壤质量含水率。

本发明的另一目的是提供测量土壤质量含水率的体积置换方法 所用的设备，由恒容容器、称重设备、注水设备组成；其中恒容容器 用于盛放待测土样，注水设备用于往恒容容器中注水，称重设备用于 称量质量。

其中，所述称重设备为天平，优选电子天平。

其中，所述注水设备优选滴管，更优选胶头滴管。

其中，所述计算设备优选计算机。

本发明还提供所述测量土壤质量含水率的体积置换方法在测定 土壤物理性质中的应用。

本发明提供的优点是：

本发明的测量土壤质量含水率的体积置换方法可适用于任意质 地、任意体积/质量土壤的含水率测量，操作过程简单、方便。本发 明的方法克服了传统测量含水率的烘干法比较费时间且不适合野外 作业，燃烧法消耗能源、测量精度相对较低的问题，具有很好的应用 前景。

本发明测量土壤质量含水率的体积置换方法的设备稳定性良好， 可以测量任意体积/质量土壤的初始质量和注水后土壤与水的总质 量，通过计算得到土壤质量含水率，方便、快捷、准确。

附图说明

图1实施例1中本发明测量土壤质量含水率的体积置换方法所 用设备的结构示意图。

图2实施例1中本发明测量土壤质量含水率的体积置换方法所 用设备中的恒容容器结构示意图。

图3实施例1中本发明测量土壤质量含水率的体积置换方法所用 设备中的恒容容器照片。

图4是实施例2本法明测量土壤质量含水率的体积置换方法与烘 干法的结果比较图。

其中，1为恒容容器，2为电子天平，3为胶头滴管，4为注水口， 5为溢水口，6为液面定位盖。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1本发明测量土壤质量含水率的体积置换方法所用设备

本发明测量土壤质量含水率的体积置换方法所用设备结构图如 图1所示，包括恒容容器1、称重设备电子天平2（上海卓精电子科 技有限公司，型号：BSM-5200.2）、注水设备胶头滴管3（实验室常 用的普通玻璃质胶头滴管）。

其中，恒容容器1的结构示意图如图2所示，实物照片见图3。 恒容容器1（包括去掉液面定位盖的恒容容器和液面定位盖两部分） 为一个圆柱形带液面定位盖容器，在其液面定位盖6上设有注水口4， 在容器口设有溢水口5。恒容容器3内径75mm，外径81mm，高63mm， 壁厚3mm，液面定位盖6厚3mm。溢水口5深3mm，宽度5mm， 为向内切割45°；注水口4下端口直径为2mm，上端口直径略大于 下端口。恒容容器1材料为金属材料。

实施例2测量土壤质量含水率的体积置换方法与烘干法的比较

所用设备参见实施例1。

试验采用3种土壤材料，分别为采自北京的粉壤土、吉林的黑土 和江西的黏红土（以下分别称为T1、T2、T3），以检验该装置对不同 土壤的测量精准度。T1、T2、T3分别预制成5种设计含水率：10%、 15%、20%、25%、30%。

将不同设计含水率的3种土样（T1、T2和T3）分别等分为3份 子样品，3份子样品用于本发明测量土壤质量含水率的体积置换方法 测定，之后于105℃条件下烘干以传统烘干法测量，即为每种土壤在 不同设计含水率情况下的3次重复实验。

测量土壤质量含水率的体积置换方法，具体步骤如下：

将待测土样装入容积为v'的恒容容器，称待测土样质量m；向装 有待测土样的恒容容器中注水，盖上液面定位盖，然后用胶头滴管通 过注水口继续缓慢向恒容容器中逐滴加水，直到溢水口处有水滴出现 时停止，此时土壤颗粒与水充满恒容容器，土样达到饱和状态，注入 的水将原来存在于土样中的空气全部置换出来。用吸水纸擦净恒容容 器壁上残留的水渍，电子秤读数稳定不变时读取数值，称量加满水后 恒容容器内土样与水的总质量为m’；按照以下公式计算土壤含水率：

公式1：m_r=m'-m

公式2：v₀=v'-m_r/ρ_w

公式3：$v_s=\frac{m-{\rho }_w{v}_0}{{\rho }_s-{\rho }_w}$

公式4：$v_w=\frac{{\rho }_s{v}_0-m}{{\rho }_s-{\rho }_w}$

公式5：$\theta =\frac{v_{\text{w}}{\rho }_w}{v_s{\rho }_s}\times 100\%$

式中，m_r为所注入的水的质量，单位g；v₀为土壤颗粒体积与待 测土样含水体积之和，v_s为土壤颗粒体积、v_w为待测土样含水体 积，单位cm³；ρ_w为水密度，ρ_s为土壤颗粒密度，单位g/cm³；θ为 土壤质量含水率，单位%。

传统烘干法测量为将土样置于105℃的烘箱中，烘干72h后取出 称重，用传统烘干法计算得到土壤质量含水率。烘干设备为烘干箱（中 外合资重庆四达实验仪器有限公司，型号：CS101-1E）。

将用本发明的方法测得的结果与传统的土工测量方法（烘干称质 量法）测量的结果进行对比，说明本发明方法测量的精准性。在不同 设计含水率的条件下，使用本发明方法对T1、T2和T3的任意土样 进行测定，得到的土壤质量含水率与烘干法（105℃，72h）测量的 结果行进比较，最大绝对误差在1%左右，如表1所示。

表1体积置换测量土壤质量含水率与烘干法测量结果比较的绝对误差（%）

按照下式将两种方法测得的含水率进行拟合，得到的拟合曲线如 图4所示。

y=Ax

其中，y和x分别为仪器和传统烘干法测得的土壤质量含水率，%； A为回归系数，表征两种测量方法测得的结果间一一对应的程度。

由图4可以看出，3种土样拟合得到的决定系数均大于0.99，表明 该装置测量任意土壤含水率与烘干法测量的结果间具有很好的一一 对应关系。实测数据表明，该仪器工作性能稳定，测量结果具有较高 精度，并且该仪器测量过程简单、省时省力且节约能源，可以应用于 土壤质量含水率的直接测量。

实测数据表明，本发明的方法测量结果具有较高精度，可以满足 户外田间即时测量的要求，测量过程简单、省时省力、节约能源，可 以应用于任意质地、任意状态土样含水率的直接测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。