[发明专利]一种土壤剖面水分动态原位监测系统与测量方法

说明书

技术领域：

本发明涉及土壤水分参数测量技术领域，具体地讲是一种土壤剖面水分动态原位监测系统与测量方法。

背景技术：

土壤水是水资源的重要组成部分，是水文、农业和气象及地-气能量交换等研究中的重要参数。土壤含水量作为土壤的一个重要物理参数,是水循环、植物生长、土壤承载能力等科学研究中不可缺少的基本资料。对土壤水分状况的监测工作,已被农业、林业、水利等多学科的研究者所重视。目前,测量土壤水分的方法有烘干称重法、张力计法、电阻法、中子仪法及时域反射仪法（TDR）等。

烘干称重法是测量土壤水分最经典、准确的方法,该方法可直接测定土壤重量含水率,但一般均为人工操作,费时费力,且扰动测定点的土壤,不利于原位连续测定,取样过程会造成蒸发误差。张力仪法只能测定土壤的基质势,根据已知土壤水分特征曲线,才能求得土壤含水量,且只能测定0～85kPa土壤吸力。石膏电阻块法测定结果常受土壤类型、土壤溶液浓度变化的影响，在土壤较干时，反映不灵敏。中子仪法是利用中子热化原理,快中子源发出的中子在遇到氢原子后,失去部分动能转化成慢中子,根据测出的慢中子数量自动计算出土壤含水量，与传统的烘干法相比，中子仪法测定土壤含水量不仅省时、省力、不破坏观测场地，而且可以定点连续观测，非常适于对土壤水分变化作连续的动态监测，是目前常用的测定田间土壤水分的方法，也是国内外灌溉实验规范中推荐的方法。但中子仪法在测量土壤表层含水量时，特别是在测量低含水量时，由于中子容易散溢于大气，结果不够准确，且有辐射伤人的问题。时域反射仪法（TDR）是新近发展起来的测定土壤含水量的方法，因其快速、准确、操作简便，并可实现定点自动监测土壤水分动态变化等特点，被誉为测定土壤水分的最先进的方法。其缺点是TDR仪器价格昂贵售价较高，只适用于国内少数的高等学校和科研院所开展科学研究，而很难大量在农田土壤墒情监测及其他有关生产实践中应用。

发明内容：

本发明的目的是克服已有技术的不足，而一种土壤剖面水分动态原位监测系统。

本发明的另一目的是提供一种土壤剖面水分动态原位测量方法。

本发明主要解决现有的测量土壤水分的方法不能进行土壤剖面水分原位动态监测及成本较高限制其大范围应用等问题。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种土壤剖面水分动态原位监测系统，其特殊之处在于，包括：

供气源，用来提供稳定气流；

探管，下端封闭，上端开口并用橡皮塞密封，主体埋设于土壤内，在土壤以上保留10-15cm，边壁设置有均匀分布的通气孔，探管与供气源经通气软管相连接，接受来自于供气源的气流经通气孔渗透到周围土壤中，用于土壤导气特性参数的测量；

气流流量计，与所述的供气源相连，用来测量通过气体的流量；

气压测量计，与所述探管通过通气软管连接，用来测量探管内气体的压力。

进一步的，所述供气源为带有储气罐压力可调的压缩机，或其它能提供稳定压力和流量气流的供气设备。

进一步的，所述探管的开孔率介于5%～25%，外表包覆高分子疏水性导气膜，探管上端的橡皮塞与三通相连通，并通过三通的两个支路经通气软管分别与气流流量计和气压测量计相连接，探管材质为硬质塑料或其他硬质材料，管径介于3～10cm。

进一步的，所述气流流量计与探管和供气源之间，三者通过通气软管相串联。

采用本发明的监测系统进行土壤剖面水分动态原位测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

（1）将探管埋设于土壤中，探管在土壤以上保留10-15cm，探管与土壤接触紧密无缝隙；

（2）测量探管所在区域土壤的平均含水率；

（3）利用供气源给探管通气，测量不同稳定供气压力△P下经通气孔向外渗透的稳定气流流量                                                ，据此计算比值作为导气特征参数；

（4）在多种水分条件下重复步骤（2）（3），得到导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系：θ=f()；

（5）利用θ=f()，通过对导气特征参数的观测来实现原位定量计算土壤剖面内含水量的动态变化。

进一步的，所述导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系θ=f()，一般为指数函数或者幂函数形式,其中a、b、c、d为与土壤因素、探管规格、开孔状况等因素有关的常数，e为自然对数的底数。