一种土壤水分赋存形态分析方法与流程

1.本技术涉及土壤水分技术领域，具体公开了一种土壤水分赋存形态分析方法。


背景技术：

2.土壤水是土壤系统的重要组成部分，对植物生长和土壤地球化学循环过程产生直接影响。根据所受作用力的不同，土壤水可以分成三类：重力水、毛管水和束缚水。由于不同形态水分在土壤中的赋存状态、运移特征和扩散能力不同，导致其对植物生长的有效性和对地球化学循环的贡献存在差异。因此，分析土壤水赋存形态具有重要意义。非饱和土壤通常不含重力水，毛管水和束缚水的分析是其研究重点。
3.当前分析土壤水形态主要依靠离心法和压榨法。两种方法的基本原理相同，都是通过对土壤样品施加一定的离心力或外部压力，将土壤中的水分提取出来。通过施加不同的压力，可将不同势能状态下的土壤水提取出来，实现一定形态土壤水的分析。这两类方法对仪器性能要求较高，难以普遍实施。如吸附态水与土壤颗粒间有较强的作用力，离心机和压榨法很难达到相应作用力范围，即便使用高速离心机，也难以完全满足分离要求。此外，由于不同土壤对水的吸附力不同，分离不同土壤的一定形态土壤水，需施加的外力不尽相同，且不存在可参考的标准或规范，因此，本方案提出一种基于差分原理的和基于土壤水分特征曲线的土壤水分赋存特征分析方法，用来解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决传统的土壤水分赋存特征分析方法操作困难，且操作标准难以统一的问题。
5.为了达到上述目的，本发明提供以下基础方案：
6.一种土壤水分赋存形态分析方法，包括以下步骤：
7.s1：使用可以定体积的、且底部有漏水小孔的土壤切割装置获得原状土壤样品，将土壤样品烘干至恒重，获得土壤体积含水量θv；
8.s2：测量土壤水分特征曲线，获得土壤饱和体积含水量θa，土壤水分特征曲线饱和含水量拐点至-5kpa对应的区间即为最大重力水含量θb；
9.s3：将完全烘干后的土壤样品连同定体积土壤切割装置，置于湿度持续升高的装置中，并连续监测土壤重量，当土壤重量不再随湿度增加而增大时，获得土壤最大吸附水含水量θc；
10.s4：土壤饱和体积含水量θa减去最大重力水含量θb，再减去土壤最大吸附水含水量θc的差值即为土壤最大毛管水含水量θs；
11.s5：在土壤水分特征曲线标注各形态水最大含量对应的节点；
12.s6：查找被测土壤实际含水量θv在土壤水分特征曲线上对应的位置，从土壤水分特征曲线中土壤最低含水量到该位置所占的区间，包含该土壤所有水分赋存形态。该区间包含的水分形态类型和含量，即可说明该土壤水分赋存形态特征。
13.本基础方案的原理及效果在于：
14.1.与现有技术相比，本方法简单易行，相比较离心法和压榨法，使用环境以及使用条件更加简单，具有一定的使用需求和良好的可操作性，解决了传统的土壤水分赋存特征分析方法操作困难，且操作标准难以统一的问题。
15.2.与现有技术相比，本方法中的土壤切割装置结构简单，构思巧妙，对方法内的专属工具进行改进，设计了土壤切割装置包括定体积收集和定深度收集的切割刀、用于切割刀旋转和伸缩的驱动组件和与切割刀配合使用的定位壳，通过土壤切割装置实现对原状土壤样品的定深度收集和定体积收集，可以充分结合本方法，获得土壤体积含水量θv、土壤饱和体积含水量θa、土壤最大重力水含量θb、土壤最大毛管水含水量θs、土壤最大吸附水含水量θc并将其作为土壤水分形态变化节点。使用土壤水分特征曲线测量装置，获得土壤水分特征曲线，并在土壤水分特征曲线标注各形态节点。在图中查找土壤体积含水量θv所在位置，查看从土壤水分特征曲线中土壤最低含水量到该位置所占的区间，该区间包含的水分形态类型和含量，即为该土壤水分赋存形态特征。
16.3.与现有技术相比，在本结构中，设计了用于切割刀旋转和伸缩的驱动组件，使得本装置具备不同深度旋转切割的功能，使得操作人员对土壤样品的选择性更加广泛。
17.进一步，在步骤s1中，选用具备烘干功能的烘箱和分析天平，采用功能高度集成的烘箱和分析天平，获得能够满足精准度要求的数据。
18.进一步，所述恒定湿度装置包括恒定箱、电子秤、潮湿气体发生器和用于检测湿度的湿度检测仪，当土壤重量增加量随湿度增加不再变化时，获得土壤最大吸附水含水量θc，若土壤体积含水量θv小于θc，则该不饱和土壤取样状态下土壤水分全部以吸附水形态存在；若土壤体积含水量θv大于θc，则θv减去土壤最大吸附水含水量θc等于该不饱和土壤取样状态下的毛管水含水量θ
′d，即该不饱和土壤水分以吸附水形态和毛管水形态存在，二者含量分别为θc和θ
′d。
19.进一步，所述驱动组件包括旋转驱动组件和伸缩驱动组件，所述旋转驱动组件包括电机、与电机同轴连接的减速器、设置在减速器输出端的驱动轴，所述驱动轴的自由端设有安装盘，所述伸缩驱动组件设置在安装盘上。实现本装置的旋转驱动功能和伸缩驱动功能。
20.进一步，所述驱动轴的外周设有转动轴承，所述转动轴承的外部设有保护壳。设计保护壳的目的在于有利于操作人员对于本装置的掌控，保持对本装置稳定性的控制。
21.进一步，所述切割刀置于定位壳的内部，所述切割刀包括连接轴、缠绕在连接轴四周的环形切割刀、设置在连接轴底部与连接轴可拆卸连接有定体积钻头。环形切割刀的切割广泛应用在土壤收集技术中，具备一定的技术成熟性和技术获取性。
22.进一步，所述环形切割刀分为上下多层的刀面，在每一个刀面的外侧设有立柱，所述立柱的外侧均设有若干用于定深度收集土壤的收集筒。环形切割刀与收集筒配合，实现定深度收集土壤。
23.进一步，所述伸缩驱动组件包括对称设置的第一气缸、设置在第一气缸之间的第二气缸和连接盘，所述第一气缸和第二气缸均与连接盘连接，所述连接盘与最上层的环形切割刀端面连接，所述第二气缸与连接盘之间设有弹簧杆。第一气缸用于整体伸缩，第二气缸主要配合后续的延长杆使用，进而实现土壤的定体积收集。
24.进一步，所述连接轴的内部为空心且设有延长杆，所述定体积钻头与延长杆连接，所述弹簧杆的自由端穿过连接盘与延长杆同轴连接，所述定体积钻头为漏斗状，所述延长杆连接在定体积钻头的最深点，所述定体积钻头内部用于定体积收集原状土壤样品。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1示出了本技术实施例提出的一种土壤水分赋存形态分析方法的示意图；
27.图2示出了本技术实施例提出的一种土壤水分赋存形态分析方法中土壤切割装置的结构示意图；
28.图3示出了本技术实施例提出的一种土壤水分赋存形态分析方法中切割刀的示意图；
29.图4示出了本技术实施例提出的一种土壤水分赋存形态分析方法中伸缩驱动组件的结构示意图；
30.图5示出了本技术实施例提出的一种土壤水分赋存形态分析方法中延长杆的结构示意图；
31.图6示出了本技术实施例提出的一种土壤水分赋存形态分析方法中收集筒的结构示意图；
32.图7示出了本技术实施例提出的一种土壤水分赋存形态分析方法中土壤饱和含水量节点图。
具体实施方式
33.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
34.说明书附图中的附图标记包括：电机1、减速器2、驱动轴3、安装盘4、保护壳5、伸缩驱动组件6、定位壳7、切割刀8、连接轴801、环形切割刀802、定体积钻头803、立柱804、延长杆806、连接盘807、第一气缸808、第二气缸809、弹簧杆810、土壤样品811、收集筒812。
35.实施例如图1、图2、图3、图4、图5、和图6和图7所示：
36.包括以下步骤：
37.s1：使用定体积的土壤切割装置获得原状土壤样品，将土壤样品烘干至恒重，获得土壤体积含水量θv；
38.s2：测量土壤水分特征曲线，获得土壤饱和体积含水量θa，土壤水分特征曲线饱和含水量拐点至-5kpa对应的区间即为最大重力水含量θb；
39.s3：将完全烘干后的土壤样品连同定体积土壤切割装置，置于湿度持续升高的装置中，并连续监测土壤重量，当土壤重量不再随湿度增加而增大时，获得土壤最大吸附水含水量θc；
40.s4：土壤饱和体积含水量θa减去最大重力水含量θb，再减去土壤最大吸附水含水量
θc的差值即为土壤最大毛管水含水量θs；
41.s5：在土壤水分特征曲线标注各形态水最大含量对应的节点；
42.s6：查找被测土壤实际含水量θv在土壤水分特征曲线上对应的位置，查看从土壤水分特征曲线中土壤最低含水量到该位置所占的区间，该区间包含的土壤水分形态类型和含量，即可说明该土壤水分赋存形态特征；
43.在步骤s1中，需要对土壤样品811进行原状取土和定体积处理，因此，采用专属定体积的土壤切割装置，土壤切割装置在后续实施例详细展开描述，在步骤s1中，选用具备烘干和称重功能的烘箱和分析天平，烘箱和分析天平包括烘干箱、称重仪和与称重仪电连接的数显仪，称重仪置于烘干箱底部。采用功能高度集成的烘箱和分析天平，获得能够满足精准度要求的数据；
44.在步骤s2-步骤s6中，如图7所示，使用土壤水分特征曲线测量系统获得土壤水分特征曲线，获得土壤饱和体积含水量θa，土壤水分特征曲线饱和含水量拐点至-5kpa对应的区间即为最大重力水含量θb；将完全烘干后的土壤样品连同定体积土壤切割装置，置于湿度持续升高的装置中，并连续监测土壤重量，当土壤重量不再随湿度增加而增大时，获得土壤最大吸附水含水量θc；土壤饱和体积含水量θa减去最大重力水含量θb，再减去土壤最大吸附水含水量θc的差值即为土壤最大毛管水含水量θs；如图7所示，在土壤水分特征曲线标注各形态水最大含量对应的节点，从图7查找被测土壤实际含水量θv对应的点，查看从土壤水分特征曲线中土壤最低含水量到该位置所占的区间，该区间包含的土壤水分形态类型和含量，即为该土壤水分赋存形态特征。
45.恒定湿度装置包括恒定箱、电子秤、潮湿气体发生器和用于检测湿度的湿度检测仪，当土壤重量增加量随湿度增加不再变化时，获得土壤最大吸附水含水量。
46.上述为本方法的具体展示，该方法简单易行，相比较离心法和压榨法，使用环境以及使用条件更加简单，具有一定的使用需求和良好的可操作性，解决了传统的土壤水分赋存特征分析方法操作困难，且操作标准难以统一的问题。
47.为了使得本方法能够充分实施，本方法还公开了可以定体积采集原状土壤样品811的土壤切割装置：具体如图2、图3、图4、图5和图6所示；
48.具体的：
49.土壤切割装置包括定体积收集和定深度收集的切割刀8、用于切割刀8旋转和伸缩的驱动组件和与切割刀8配合使用的定位壳7。
50.如图2和图3所示，驱动组件包括旋转驱动组件和伸缩驱动组件6，旋转驱动组件包括电机1、与电机1同轴连接的减速器2、设置在减速器2输出端的驱动轴3，驱动轴3的自由端设有安装盘4，伸缩驱动组件6设置在安装盘4上。实现本装置的旋转驱动功能和伸缩驱动功能。
51.在图2所示，驱动轴3的外周设有转动轴承，所述转动轴承的外部设有保护壳5。设计保护壳5的目的在于有利于操作人员对于本装置的掌控，保持对本装置的稳定性的控制。
52.切割刀8置于定位壳7的内部，切割刀8包括连接轴801、缠绕在连接轴801四周的环形切割刀802、设置在连接轴801底部与连接轴801可拆卸连接有定体积钻头803。环形切割刀802的切割广泛应用在土壤收集技术中，具备一定的技术成熟性和技术获取性。
53.如图3和图6所示，环形切割刀802分为上下多层的刀面，在每一个刀面的外侧设有
立柱804，立柱804的外侧均设有若干用于定深度收集土壤的收集筒812。环形切割刀802与收集筒812配合，实现定深度收集土壤；
54.如图4、图5所示，伸缩驱动组件6包括对称设置的第一气缸808、设置在第一气缸808之间的第二气缸809和连接盘807，第一气缸808和第二气缸809均与连接盘807连接，连接盘807与最上层的环形切割刀802端面连接，第二气缸809与连接盘807之间设有弹簧杆810。第一气缸808用于整体伸缩，第二气缸809主要配合后续的延长杆806使用，进而实现土壤的定体积收集。
55.连接轴801的内部为空心且设有延长杆806，定体积钻头803与延长杆806连接，弹簧杆810的自由端穿过连接盘807与延长杆806同轴连接，定体积钻头803为漏斗状，延长杆806连接在定体积钻头803的最深点，定体积钻头803内部用于定体积收集原状土壤样品811。
56.具体实现过程：
57.第一步，将本装置拿到预定土壤获取地点，握住保护壳5，放置土壤切割装置。
58.首先，启动电机1，电机1经过减速器2，获得更大的扭矩，进而使得驱动轴3和安装盘4转动，由于伸缩驱动组件6设置在安装盘4上，伸缩驱动组件6会随着安装盘4的转动而转动；
59.第二步，将环形切割刀802接触土壤，伸缩驱动组件6的转动，带动连接轴801转动，进而缠绕在连接轴801四周的环形切割刀802可以对土壤进行切割，通过第一气缸808以及第二气缸809的使用，可完成一定深度土壤的转孔处理，在这个过程中，就可以实现定深度的土壤获取：
60.具体如下：环形切割刀802分为上下多层的刀面，在每一个刀面的外侧设有立柱804，立柱804的外侧均设有若干用于定深度收集土壤的收集筒812，当环形切割刀802在不同的深度进行转孔的同时，对于收集筒812结合图6而言，收集筒812可以进行不同深度的土壤收集，举例说明：如果需要1米深度的原状土壤样品811，首先环形切割刀802进行1米钻孔处理，然后需要电机1反转，接着利用离心力将本身处理收集筒812的废土壤甩出，最后手持稍微将本装置左右平移一下，本装置的左右平移是为了土壤样品811更好的落在环形切割刀802，对于收集筒812而言，就可以获得想要深度的原状土壤样品811。
61.第三步，对于伸缩驱动组件6而言，如果是第一气缸808和第二气缸809同时启动，即启动相同的行程，就可以改变环形切割刀802的上下距离即不同深度的钻孔，如果需要定体积，就需要保持第一气缸808行程不变的情况下，加大第二气缸809的行程量，第二气缸809克服弹簧杆810做功，使得延长杆806从连接轴801中推出，进而如图5所示，定体积钻头803为漏斗状，延长杆806连接在定体积钻头803的最深点，定体积钻头803内部用于定体积收集原状土壤样品811。对于定体积钻头803而言，其内部体积是恒定的，因此可以获得定体积的原状土壤样品811。
62.本方法解决了传统的土壤水分赋存特征分析方法操作困难，且操作标准难以统一的问题。
63.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变
化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：使用定体积的土壤切割装置获得原状土壤样品，将土壤样品烘干至恒重，获得土壤体积含水量s2：测量土壤水分特征曲线，获得土壤饱和体积含水量θ
a
，土壤水分特征曲线饱和含水量拐点至-5kpa对应的区间即为最大重力水含量θ
b
；s3：将完全烘干后的土壤样品连同定体积土壤切割装置，置于湿度持续升高的装置中，并连续监测土壤重量，当土壤重量不再随湿度增加而增大时，获得土壤最大吸附水含水量θ
c
；s4：土壤饱和体积含水量θ
a
减去最大重力水含量θ
b
，再减去土壤最大吸附水含水量θ
c
的差值即为土壤最大毛管水含水量θ
s
；s5：在土壤水分特征曲线标注各形态水最大含量对应的节点；s6：查找被测土壤实际含水量在土壤水分特征曲线上对应的位置，从土壤水分特征曲线中土壤最低含水量到该位置所占的区间，包含该土壤所有水分赋存形态，该区间包含的水分形态类型和含量，即可说明该点土壤水赋存形态特征。2.根据权利要求1所述的一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于，在步骤s1中，选用具备烘干功能的烘箱和分析天平。3.根据权利要求2所述的一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于，所述恒定湿度装置包括恒定箱、电子秤、潮湿气体发生器和用于检测湿度的湿度检测仪，当土壤重量增加量随湿度增加不再变化时，获得土壤最大吸附水含水θ
c
，若土壤体积含水量θ
v
小于θ
c
，则该不饱和土壤取样状态下土壤水分全部以吸附水形态存在；若土壤体积含水量θ
v
大于θ
c
，则θ
v
减去土壤最大吸附水含水量θ
c
等于该不饱和土壤取样状态下的毛管水含水量θ
′
d
，即该不饱和土壤水分以吸附水形态和毛管水形态存在，二者含量分别为θ
c
和θ
′
d
。4.根据权利要求1所述的一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于，所述土壤切割装置包括定体积收集和定深度收集的切割刀、用于切割刀旋转和伸缩的驱动组件和与切割刀配合使用的定位壳，所述驱动组件包括旋转驱动组件和伸缩驱动组件，旋转驱动组件包括电机、与电机同轴连接的减速器、设置在减速器输出端的驱动轴，驱动轴的自由端设有安装盘，所述伸缩驱动组件设置在安装盘上。5.根据权利要求4所述的一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于，所述驱动轴的外周设有转动轴承，所述转动轴承的外部设有保护壳。6.根据权利要求4所述的一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于，所述切割刀置于定位壳的内部，所述切割刀包括连接轴、缠绕在连接轴四周的环形切割刀、设置在连接轴底部与连接轴可拆卸连接有定体积钻头。7.根据权利要求6所述的一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于，所述环形切割刀分为上下多层的刀面，在每一个刀面的外侧设有立柱，所述立柱的外侧均设有若干用于定深度收集土壤的收集筒。8.根据权利要求7所述的一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于，所述伸缩驱动组件包括对称设置的第一气缸、设置在第一气缸之间的第二气缸和连接盘，所述第一气缸和第二气缸均与连接盘连接，所述连接盘与最上层的环形切割刀端面连接，所述第二气缸
与连接盘之间设有弹簧杆。9.根据权利要求8所述的一种土壤水分赋存形态分析方法，其特征在于，所述连接轴的内部为空心且设有延长杆，所述定体积钻头与延长杆连接，所述弹簧杆的自由端穿过连接盘与延长杆同轴连接，所述定体积钻头为漏斗状，所述延长杆连接在定体积钻头的最深点，所述定体积钻头内部用于定体积收集原状土壤样品。

技术总结
本发明涉及土壤水分技术领域，具体公开了一种土壤水分赋存形态分析方法，包括以下步骤：S1：使用定体积的土壤切割装置获得原状土壤样品，获得土壤体积含水量θ


技术研发人员：伊芹
受保护的技术使用者：国家地质实验测试中心
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/12