一種獲取土壤含水特性分析所需樣品的裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種獲取土壤含水特性分析所需樣品的裝置，包括測量裝置和樣品平臺；所述測量裝置包括壓土板和推力表，所述樣品平臺中部設有樣品凹坑，所述測量裝置通過所述壓土板對所述樣品凹坑內的樣品施加壓力以獲取待分析樣品。本實用新型的有益效果為：方便測量土壤水分，判斷土壤水分虧缺值的方法，簡單省時，測定結果準確，使用者可以通過快速判斷土壤水分含量和土壤水分虧缺值，決定灌溉措施，從而高效利用水分。
【專利說明】
一種獲取土壤含水特性分析所需樣品的裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬于測量水分含量領域，具體涉及一種獲取土壤含水特性分析所需樣 品的裝置。
【背景技術】
[0002] 水分是一切作物賴以生存的基本條件，是土壤的一個重要組成部分，它影響土壤 的物理性質，制約著土壤中養分的溶解、轉移和微生物的活動，而土壤的物理性質和養分的 改變對農作物的生長影響極大，若土壤供給植物的水分不足，將會嚴重限制植物生長，影響 其產量;相反，如果灌溉用水不斷增加，必將激化水資源的供需矛盾，也必將會使水資源平 衡問題進一步惡化，將成為農業可持續發展的障礙，此外，不合理的灌溉能引起土壤次生鹽 漬化問題。因此，通過研究土壤水分來制定灌溉計劃，對于農業生產具有重要意義。
[0003]目前均用"土壤有效水含量X 土壤虧缺百分比"來計算土壤水分虧缺值，但現有技 術中測定土壤水分虧缺值需要先計算調查土壤有效水含量，誤差較大;對于現有技術中對 土壤水分測定方法目前分為兩大類：
[0004] ①測量土壤的基質勢，包括張力計法、露點儀測定法和電阻法等。目前，張力計已 成為測定土壤水勢的常規儀器，張力法是根據負壓管的負壓與土壤吸力呈對應關系的原 理，操作簡單，可對原位土壤長期監測，觀測成本也較低，但該方法受溫度影響大，而且在土 壤含水量低時容易失效;負壓管中的水進入土壤會帶來誤差;具有滯后效應，不能及時反映 土壤水分狀況。
[0005] ②直接測量土壤的含水量，包括質量含水量和體積含水量，常規方法有（1)烘干 法:烘干法一直被認為是最經典、準確的方法，是其他方法的基準。該方法用烘箱對土壤進 行烘干、用天平測量后，可直接計算出土壤重量含水量，而且成本也低，但烘干法為人工操 作，費時費力；需要取土擾動測定點的土壤，不利用原位連續測定；（2)中子水分儀測定法： 該方法用中子水分儀進行定位監測，可對原位土壤進行連續測定，不受土壤水狀態影響，測 定數據準確性較高，不用破壞土壤，是測定土壤水分準確、快捷的一種方法，但該方法測定 的慢中子數有賴于標準曲線轉化成含水率，標定過程會帶來誤差;儀器有放射危害；（3)時 域反射儀(TDR)測定法:TDR法快速、準確，可對原位土壤進行連續自動監測，但TDR法的測定 值需要矯正，并且儀器價格昂貴；（4) Y射線法:該方法測量土壤水分快速、準確，可對土壤 進行連續的自動監測，但該方法的測定值受土壤干重影響大，僅適用于實驗室測定。
[0006] 現有的測定土壤含水量最準確的方法是烘干法，也是與本申請提案最接近的技 術。烘干法需要在田間選定地點取土，用土盒帶到實驗室進行至少24小時105°C的烘干，然 后還要用天平稱重，才能計算出重量含水量。生產中一般要用到土壤容積含水量，而容積含 水量=重量含水量X 土壤容重，還需要測量土壤容重才能計算出容積含水量；國際上最通 用的表示土壤含水量的方法是將一定深度土層中的含水量換算成水層深度的mm表示，計算 公式為:水層厚度(mm) = 土層厚度(mm) X土壤容積含水量。
[0007] 由于大面積范圍實時土壤水分監測卻是公認的難題，以上常規測量土壤水分的方 法，有的費時，有的費力，還有的測量深度不夠。同時，對于大部分農民來說，用常規的測量 土壤水分方法來決定田間灌溉量很不方便，過度灌水和灌水不足的現象依然很嚴重。
【發明內容】
[0008] 針對數值最準確的烘干法測定土壤含水量所存在的問題，本實用新型提供了一種 方便測量土壤水分，判斷土壤水分虧缺值的裝置，簡單省時，測定結果準確，使用者可以通 過快速判斷土壤水分含量和土壤水分虧缺值，決定灌溉措施，從而高效利用水分。
[0009] 本實用新型所采用的技術方案為：
[0010] -種獲取土壤含水特性分析所需樣品的裝置，包括測量裝置和樣品平臺2;
[0011] 所述測量裝置包括壓土板4和推力表1，所述推力表1包括表盤3及中心軸6,所述中 心軸6-端連接所述表盤3，另一端豎直固定在所述壓土板4上；
[0012] 所述樣品平臺2中部設有樣品凹坑5,所述測量裝置通過所述壓土板4對所述樣品 凹坑5內的樣品施加壓力以獲取待分析樣品。
[0013] 所述壓土板4上設有旋轉接頭7，所述旋轉接頭7與所述中心軸6旋接，以固定所述 推力表1和壓土板4。
[0014]所述壓土板4及樣品平臺2均為長方體，所述壓土板的長為20cm，寬為20cm，厚為 2cm，所述樣品平臺的長為20cm，寬為20cm，厚為5cm。
[0015] 所述樣品凹坑(5)為半球形，其半徑為4cm。
[0016] 所述樣品平臺2為電木。
[0017] 電木的化學名稱叫酚醛塑料，它具有較高的機械強度、良好的絕緣性，耐熱、耐腐 蝕、不吸水、不導電、耐高溫，原料來源豐富，合成工藝簡單，價格便宜。
[0018] 所述表盤3為指針表盤或數字表盤。
[0019]使用本裝置測量土壤含水特性的方法，包括以下操作步驟：
[0020] (1)在田間用土鉆或者鐵鍬選定深度進行取土，獲取待處理土樣并判斷土壤質地， 分析土壤有效含水量；
[0021 ] 土壤有效含水量也稱土壤有效持水量(AvailableWater-holding Capacity，簡稱 AWC)，是指土壤中能被植物根系吸收的水分含量，通常是田間持水量(FieldCapacity，簡稱 FC)和凋萎濕度(PermanentWiltingPoint，簡稱PWP)間的水分含量，目前尚無直接測量土壤 有效含水量的方法，有效含水量主要是通過間接測量田間持水量以及凋萎濕度計算或者利 用經驗模型計算獲得。由于測量田間持水量和凋萎濕度需要耗費大量的人力、物力、財力以 及時間，人們多期望通過分析土壤有效含水量與其他理化性質之間相關性，建立經驗模型 來計算獲得。根據中國不同地區，不同土壤類型和不同的剖面變化，白致威等基于統計方法 建立了利用常規土壤理化性質計算AWC的線性回歸式和非線性回歸式：
[0022]線性擬合（回歸式）：
[0023] AffC = -20.359+25.730 X DB+2.223 X 0M ； R2 = 0.643 ； P<0.001 ；
[0024]非線性擬合（回歸式）：
[0025] AWC = -80 ? 227+96 ? 749 XDB-27 ? 734 X DB2+0 ? 757 X clay-0 ? 009 X clay2+3 ? 328 X OM-0.200 X 0M2 ； R2 = 0.782 ； P<0.001；
[0026]注：公式中clay為砂粒含量(g/lOOg)，DB為土壤容重(g/cm3)，0M為土壤有機質含 量(g/100g)〇
[0027]上述模型的預測精度經驗證為78.2 %，此模型來自參考文獻：白致威，段興武，丁 劍宏，劉剛，師小寧，馮德泰，韓絮.土壤有效含水量的經驗估算模型一以黑土為例[J].中國 農學通報，2015,31(20): 153-159.
[0028]本申請根據上述模型通過大量實驗計算不同土壤質地的土壤有效含水量，根據公 式:土壤水分虧缺值=土壤有效含水量*水分虧缺百分比，計算出土壤水分虧缺值并記錄下 各個待分析樣品的形貌，將不同形貌的待分析樣品與土壤有效含水量、土壤水分虧缺值、水 分虧缺百分比一一對照，制定出土壤含水量狀況的參考值判斷表(見表2)，并作為后續土壤 含水量百分比和水分萬缺值的分析依據。
[0029] (2)將待處理土樣填充至樣品凹坑5內；
[0030] (3)將測量裝置豎直向下均勻用力推壓樣品平臺2上的待處理土樣，當推力表1的 表盤3顯示35N時，停止用力；
[0031] (4)翻轉樣品平臺2,將土樣倒扣在平板上，得到半球形待分析樣品；
[0032] (5)觀察半球形待分析樣品的濕度和堅實度以及所述樣品凹坑(5)上的水跡和散 土情況即可估算出土壤含水量百分比和土壤水虧缺值；
[0033] (6)重復上述步驟3次以上，求取平均值。
[0034]步驟（2)中所述待處理土樣的填充為充滿樣品凹坑5且高出樣品平臺2，0.9-1.lcm〇
[0035]本實用新型的有益效果為:與最接近的烘干法相比，本實用新型結構簡單，操作方 便，短時間內即可得到準確數值，不需要烘干土樣和測量土壤容重，根據24小時后的實驗數 據計算后才得到結果。只需要用土鉆或者鐵鍬在田間取不同深度的土，利用本實用新型操 作得到樣品后并對比土壤含水量狀況表來判斷土壤有效含水量和水分虧缺值，簡單省時， 測定結果準確，使用者可以通過快速判斷土壤水分含量和土壤水分虧缺值，決定灌溉措施， 從而高效利用水分。
【附圖說明】
[0036]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0037]圖中：1、推力表;2、樣品平臺；3、表盤;4、壓土板;5、樣品凹坑;6、中心軸;7、旋轉接 頭。
【具體實施方式】
[0038]下面給出本實用新型的4個具體實施例，通過實施例對本實用新型進行具體描述。 有必要此指出的是，本實用新型不局限于下述最佳實施方式，任何人在本實用新型的啟示 下都可得出其他各種形式的產品，但不論在其形狀或結構上作任何變化，凡是具有與本申 請相同或相近似的技術方案，均落在本實用新型的保護范圍之內。
[0039] 實施例1
[0040]如圖1所示，本實用新型提供了一種獲取土壤含水特性分析所需樣品的裝置，包括 測量裝置和樣品平臺2;所述測量裝置包括壓土板4和推力表1，所述推力表1包括表盤3及中 心軸6，所述中心軸6-端連接所述表盤3，另一端豎直固定在所述壓土板4上;所述樣品平臺 2中部設有樣品凹坑5,所述測量裝置通過所述壓土板4對所述樣品凹坑5內的樣品施加壓力 以獲取待分析樣品。
[0041]所述壓土板4上設有旋轉接頭7，所述旋轉接頭7與所述中心軸6旋接，以固定所述 推力表1和壓土板4。
[0042]所述壓土板4及樣品平臺2均為長方體，所述壓土板的長為20cm，寬為20cm，厚為 2cm，所述樣品平臺的長為20cm，寬為20cm，厚為5cm，所述樣品凹坑(5)為半球形，其半徑為 4cm，所述表盤3為指針表盤。
[0043]本測量土壤含水特性裝置結構簡單，易操作，體積小，易于攜帶，通過推力表控制 對待分析樣品施加的壓力，提高了測定的精準度，快捷、高效、成本低，便于推廣生產。
[0044] 采用上述裝置測量土壤含水特性，包括以下操作步驟：
[0045] (1)在中等粗質地(粗砂壤、細砂壤)的田間用土鉆或者鐵鍬選定深度為150mm的土 壤進行取土，根區范圍為0_300mm，獲取待處理土樣，判斷土壤質地，分析土壤有效含水量； [0046] 土樣可在相同的土地區域，不同的深度多次選取測定，以便能夠代表土壤水分實 際狀況。
[0047] (2)將待處理土樣填充至樣品凹坑5內，待處理土樣的填充為充滿樣品凹坑5且高 出樣品平臺〇.9cm;
[OO48] 待處理土樣所高出樣品平臺0.9-1. 1cm的土樣為倒錐形，首先確定待處理土樣的 體積一致，其次高出樣品平臺是為了使壓土板可以對待處理土樣施壓，少于0.9cm則施壓不 完全，多于1. lcm則土樣的體積難以控制。
[0049] (3)將測量裝置豎直向下均勻用力推壓樣品平臺2上的待處理土樣，當推力表的表 盤3顯示35N時，停止用力；
[0050] 利用測量裝置對土樣進行施壓，土樣最終受力均為35N，可保證待分析樣品前期處 理條件一致，減少估算誤差。
[0051] (4)翻轉樣品平臺2,將土樣倒扣在平板上，得到半球形待分析樣品；
[0052] (5)觀察半球形待分析樣品的濕度和堅實度以及所述樣品凹坑(5)上的水跡和散 土情況即可估算出土壤含水量百分比和土壤水虧缺值。
[0053]具體的操作步驟為：在田間用土鉆取有代表性的新鮮土樣，刮去土鉆中的上部浮 土，將土鉆中部所需深度處的土壤，約20g，捏碎后觀察土壤質地，根據表分析土壤有效含水 量，然后迅速裝入樣品平臺2的樣品凹坑5內（或先將深色薄膜置于樣品凹坑5內再填充待處 理土樣），待處理土樣充滿樣品凹坑5且高出樣品平臺2,0.9cm，將其帶回室內，將樣品平臺2 上擦拭干凈，將測量裝置豎直向下均勻用力推壓樣品平臺2上的待處理土樣，當推力表的表 盤3顯示35N時，停止用力;然后翻轉樣品平臺2,將土樣倒扣在硬塑料平板上，得到半球形待 分析樣品;觀察半球形待分析樣品的土壤質地，堅實、粗糙情況，水跡情況，松散土壤顆粒情 況，及待處理樣品與水沾在所述樣品凹坑5上的情況，估計土壤含水量百分比和土壤水虧缺 值。
[0054] 觀察結果為：半球形待分析樣品輕微潮濕，形成一個弱的半球;深色，凹坑內壁沒 有水痕，土壤顆粒沒有沾在凹坑內壁上。
[0055]對照表2即可得出本實施例土壤有效含水量的范圍值為：33-43mm; 土壤含水量百 分比為:25-50% ;土壤虧缺值為:33-18mm。
[0056] 實施例2:
[0057]與實施例1不同的是，所述表盤3為數字表盤。
[0058]待處理樣品取自450米深度的中等粗質地（粗砂壤、細砂壤）的土壤，根區范圍為 300-600mm，步驟2中待處理土樣的填充為充滿樣品凹坑5且高出樣品平臺1.0cm。
[0059]觀察結果為:半球形待分析樣品輕微潮濕，形成一個弱的半球;深色，凹坑內壁沒 有水痕，土壤顆粒沒有沾在凹坑內壁上。
[0060]對照表2即可得出本實施例土壤有效含水量的范圍值為：33-43mm; 土壤含水量百 分比為:25-50% ;土壤虧缺值為:33-18mm。
[0061 ] 實施例3:
[0062]與實施例1不同的是，樣品平臺為電木，電木的化學名稱叫酚醛塑料，它具有較高 的機械強度、良好的絕緣性，耐熱、耐腐蝕、不吸水、不導電、耐高溫，原料來源豐富，合成工 藝簡單，價格便宜。
[0063]待處理樣品取自750米深度的中等粗質地(粗砂壤、細砂壤）的土壤，根區范圍為 600-900mm;觀察結果為：半球形待分析樣品潮濕，可形成一個半球，凹坑內壁沾有很少的 水，深色。
[0064]對照表2即可得出本實施例土壤有效含水量的范圍值為：38-53mm; 土壤含水量百 分比為:50-75% ;土壤虧缺值為:28-10mm。
[0065] 實施例4:
[0066]與實施例1不同的是，待處理樣品取自1050米深度的中等粗質地(粗砂壤、細砂壤） 的土壤，根區范圍為900-1200mm。
[0067]觀察結果為:半球形待分析樣品潮濕，可形成一個半球，凹坑內壁沾有很少的水， 深色。
[0068]對照表2即可得出本實施例土壤有效含水量的范圍值為：38-53mm; 土壤含水量百 分比為:50-75% ;土壤虧缺值為:28-10mm。
[0069]雖然現有的測定土壤含水量最準確的方法是烘干法，也是與本申請提案最接近的 技術，但是烘干法需要在田間選定地點取土，用土盒帶到實驗室進行至少24小時105°C的烘 干，然后還要用天平稱重，才能計算出重量含水量。生產中一般要用到土壤容積含水量，而 容積含水量=重量含水量X土壤容重，還需要測量土壤容重才能計算出容積含水量；國際 上最通用的表示土壤含水量的方法是將一定深度土層中的含水量換算成水層深度的mm表 示，計算公式為:水層厚度(mm)= 土層厚度(mm) X土壤容積含水量，這個過程十分繁瑣，僅 用來檢測本實用新型的準確度。
[0070]下面應用烘干法對本實用新型的結果的準確度進行驗證，因為現有的測定土壤含 水量最準確的方法是烘干法，也是與本申請提案最接近的技術。但烘干法需要在田間選定 地點取土，用土盒帶到實驗室進行至少24小時105°C的烘干，然后還要用天平稱重，才能計 算出重量含水量，生產中一般要用到土壤容積含水量，而容積含水量=重量含水量X 土壤 容重，還需要測量土壤容重才能計算出容積含水量；國際上最通用的表示土壤含水量的方 法是將一定深度土層中的含水量換算成水層深度的mm表示，計算公式為:水層厚度(mm)= 土層厚度(mm) X 土壤容積含水量，較為麻煩。
[0071 ] 根據上述150mm、450mm、750mm和1050mm四個不同深度的棉區土壤，每個深度均選 取3個樣品，每個樣點每層土壤深度分別應用本實用新型和烘干法進行土壤有效含水量和 土壤水分虧缺值的平均值，根據上述四個實施例中各個半球形的濕度、堅實度和所述樣品 凹坑(5)上的水跡和散土情況結合表2得出土壤有效含水量及土壤水分虧缺值，并用烘干法 來驗證本實用新型結果的準確性。
[0072]參照上述土壤水量狀況的參考值表格及烘干法，得出測定結果如表1所示：
[0073]對照表2得出表1的結果，由表1可以看出，利用烘干法得到的根區土壤有效含水 量、土壤水分虧缺值均落在本實用新型的估算范圍值之內，利用本實用新型的裝置操作得 到樣品后并對比土壤含水量狀況表來判斷土壤含水量和水分虧缺值，簡單省時，測定結果 準確，使用者可以通過快速判斷土壤水分含量和土壤水分虧缺值，決定灌溉措施，從而高效 利用水分。
[0075] 表 1
[0076] 土壤含水量狀況的參考值判斷表：
【主權項】
1. 一種獲取土壤含水特性分析所需樣品的裝置，其特征在于:包括測量裝置和樣品平 臺； 所述測量裝置包括壓土板(4)和推力表(1)，所述推力表(1)包括表盤(3)及中心軸(6)， 所述中心軸(6)-端連接所述表盤(3)，另一端豎直固定在所述壓土板(4)上； 所述樣品平臺（2)中部設有樣品凹坑(5)，所述測量裝置通過所述壓土板(4)對所述樣 品凹坑(5)內的樣品施加壓力以獲取待分析樣品。2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述壓土板(4)上設有旋轉接頭(7)，所述 旋轉接頭(7)與所述中心軸(6)旋接，以固定所述推力表(1)和壓土板(4)。3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述壓土板(4)及樣品平臺（2)均為長方 體，所述壓土板的長為20cm，寬為20cm，厚為2cm，所述樣品平臺的長為20cm，寬為20cm，厚為 5cm〇4. 根據權利要求3所述的裝置，其特征在于:所述樣品凹坑(5)為半球形，其半徑為4cm。5. 根據權利要求1-4任一項所述的裝置，其特征在于:所述樣品平臺（2)為電木。6. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述表盤(3)為指針表盤或數字表盤。
【文檔編號】G01N1/04GK205594002SQ201521040101
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年12月14日
【發明人】趙洪祥, 王立春, 邊少鋒, 方向前, 閆偉平, 李海, 譚國波, 張麗華, 孟祥盟, 孫寧, 徐長洪, 韓喜國, 高玉山, 張佰祥, 竇金剛
【申請人】吉林省農業科學院