[發明專利]一種測定土壤熱特性和水分特征的系統和方法

在審

• 申請號: 202010596406.6
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111562284A
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: 何海龍;劉揚;呂家瓏
• 申請（專利權）人: 西北農林科技大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N5/04;G01N33/24
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 馮靜

本發明涉及一種測定土壤熱特性和水分特征的系統和方法。該系統包括：測量裝置和上位機。測量裝置用于測量土壤的溫度和含水量；上位機與測量裝置連接，用于根據土壤的溫度和含水量確定土壤的熱特性和土壤的水分特征，并且給出了測量裝置的具體結構。本發明提供的測定土壤熱特性和水分特征的系統和方法解決了傳統方法不能夠同時測定土壤熱特性和水分特征曲線的問題，同時具有原位自動監測、精度高、使用便捷、成本低等特點。

技術領域

本發明涉及農田土壤物理性質測量領域，特別是涉及一種測定土壤熱特性和水分特征的系統和方法。

背景技術

土壤是基本的農業生產資料，為作物提供養分水分等載體。土壤的溫度、熱特性(包括熱導率、容積熱容量、熱擴散率)、水分特征曲線(包括含水量和基質勢)對種子萌發，根系活動，作物生長發育及土壤中一系列物理、生物、化學過程密切相關。并且，土壤的溫度、熱特性、水分特征曲線等也是衡量農作物生長狀況及制定農田水肥管理方案等農業實踐所需要的關鍵指標。然而，目前尚無方法可以同時獲取土壤的熱特性、溫度、含水量和基質勢等參數，給相關農業管理帶來不便。

熱脈沖技術(heatpulse method)是目前應用最廣泛，也是唯一能夠實現室內和野外連續、快速、準確測定土壤熱特性的技術(He et al.,2018)。熱脈沖技術測定土壤熱特性的原理是通過監測短時線性熱源在土壤傳輸過程產生的溫度場變化特征，在距離熱源一定距離某處的土壤溫度隨時間的變化特征取決于土壤的熱特性。因此可以根據監測土壤溫度變化對短時線性熱源的響應特征來計算土壤的熱特性。除此之外，熱脈沖技術還能同時測定土壤的溫度狀況。

土壤水勢(基質勢)的測定方法很多，田間測量方法主要包括張力計法、熱擴散、熱電偶濕度計等。其中，熱電偶濕度計適用于含水量很小或基質勢很大時應用。張力計法和熱擴散法都是根據多孔介質(如陶瓷或石膏)與土壤達到平衡狀態時計算土壤的基質勢，它們的主要區別在于張力計一般需要人工讀數，而熱擴散法可以自動讀數，省時省力。但他們的缺點都是不能直接夠測定多孔介質中的含水量。Noborio et al.(1999)的研究表明結合時域反射(time domainreflectometry,TDR)和石膏可以用于同時測定土壤的含水量和基質勢，而Reece(1996)的研究表明改進后的熱擴散探頭(thermal dissipation sensor)可以通過測定陶瓷盤3的熱導率來反推土壤的基質勢。此外，熱擴散法測定土壤基質勢的原理與熱脈沖法測定土壤熱特性的原理一致。

這些研究表明，通過結合熱脈沖法或熱擴散法、多孔介質、時域反射技術可用于同時測定土壤的熱導率、容積熱容量、熱擴散率、溫度、含水量和基質勢等特征。但是，如何耦合這些技術來實現這個目的是有待解決的一項關鍵技術。

發明內容

本發明的目的是提供一種能夠耦合熱脈沖法或熱擴散法、多孔介質、時域反射法等技術的用于測定土壤熱特性和水分特征的系統和方法，以達到提高測定土壤熱特性和水分特征準確性的目的。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種測定土壤熱特性和水分特征的系統，包括：

測量裝置，用于測量土壤的溫度和含水量；

上位機，與所述測量裝置連接，用于根據所述土壤的溫度確定土壤的熱特性，并根據所述含水量確定土壤的水分特征；

所述測量裝置包括：

探針，用于加熱土壤，并用于探測土壤溫度信息；

多個熱敏電阻，固定于所述探針上，用于測量土壤的溫度；

開設有多個孔的陶瓷盤，用于固定所述探針；

重量傳感器，用于測量所述陶瓷盤的重量；