一种测量土壤孔隙率的方法技术

本发明专利技术涉及一种根据土壤表面粗糙度测量土壤表层孔隙率的方法。所述方法包括以下步骤：在土壤表面选择采样点，在土壤上方选择水平面，测量采样点到水平面的距离，计算土壤表面粗糙度量化指数，计算得到土壤表面孔隙率。该方法与现有技术相比，具有快速、无损、高精度的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农业工程领域，更具体的，涉及一种测量土壤孔隙率 的方法。
技术介绍
土壤孔隙是指土壤中除固体所占容积以外的空间，即土壤水分气 体分子所占空间。单位容积土壤内孔隙容积所占的百分数称为土壤孔 隙率，其数值与土壤类型、质地、有机质含量有关，对土壤保水保肥、 植物根系伸展、微生物活动、养分物质的转化等都有很大影响，是土 壤的主要物理特征之一,它既是刻划土壤类多孔介质基本属性的主要 物理参数，又是耕作土壤质量评价、农作物生长环境与水资源高效利 用的重要影响因素。传统测定土壤孔隙率的手段有三种，即气压比重计法、吸水法、 容重换算法。(1) 气压比重计法是最经典、测量精度最高的一种方法，其测量原理来自物理学中著名的Boyle-Mariotteshen定理。土壤表层样本 经标准环刀(直径57mm,高40mm )釆样后置于烘箱中(105°C ， 24h), 烘干土样连同环刀直接送入气压比重计的气囊中进行抽气处理。将抽 出气体与大气压强之差在玻璃管连通器中直接显示为汞高形式，即可 换算成孔隙率。(2) 吸水法，先将土样与环刀一起放置在含水的容器内(水位 不高于环刀高度)，经过24小时浸润待土样中含水量达到饱和后， 随即进行称重。然后在放入烘箱(105°C, 24h),烘干土样再次称重 可得容积饱和含水率。因水的比重为l，故容积饱和含水率理论上直 接等于孔隙率。(3)容重换算法，按照土壤物理学中关于容重与孔隙率的关系7 = 1-A将土壤容重换算成土壤孔隙率。其中式中/;为孔隙率，A为样本土壤 干容重，A为土壤样本中土粒密度。显然，对于不同土壤质地，土粒 密度差异是客观存在的。考虑到确定不同土壤质地的土粒密度费工费 时，通常以石英砂样本的容重作为典型参考值，即A=2.65g/cm3。这三种方法均存在以下缺点，极大地限制了它们的实际应用。首 先，取土样过程中一定程度上破坏了表层土壤的原始形态，属于扰动 性取样操作；第二，测量周期长，无法满足实时信息获取的需要。相 对来说表层土壤孔隙率的时空变异更为复杂，对水土环境及作物生长 的影响也最为显著。到目前为止，国内外还没有可以快速准确测量土 壤表层孔隙率的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用土壤表面粗糙度来测量土壤表面 孔隙率的方法，所述方法快速、准确、无损，很好地解决了现存孔隙 率测量方法中存在的扰动、测量周期长的问题。为了达到上述目的，本专利技术提供了 一种测量土壤表面孔隙率的方 法，包括以下步骤Sl:在待测量土壤表面选取呈网格状分布的釆样点并扫描所述待 测土壤表面；S2:在待测土壤上方一水平面构建XY坐标系，获取所述采样点 到所述水平面的距离，得到土壤表面粗糙度的原始数据； S3:利用下述公式计算土壤表面粗糙度量化指数^<formula>complex formula see original document page 6</formula> (1)其中，"，为.)、"，,l)、 "+b为)、"+1,乃.+1)为四个被选取的相邻釆样为所述四个釆样点处土壤表面到XY坐 标平面的距离，m、"分别为X轴、Y轴方向上网格的个数，其值取决 于釆样点数和所取的扫描步长大小；S4:将所述粗糙度量化指数带入下式得到土壤表面孔隙率 v = a/^+b (2) v表示土壤表面孔隙率，a和b为经验常数，a和b的值取决于土壤 质地和耕作方式。土壤孔隙率可用于评价耕作土壤质量。土壤总孔隙 率大于50%、充气孔隙率大于10%时才可以较好地满足作物生长的需 要。其中，在所述步骤"S1:在待测量土壤表面选取呈网格状分布的 采样点并扫描所述待测土壤表面"之前，还包括设定扫描范围和扫描 步长。由于本专利技术土壤孔隙率的计算方法中是利用土壤表面粗糙度的 测量为前提条件的，所以本专利技术提供了一种用来测量土壤表面粗糙度 的设备，该设备包括支架，具有彼此平行的竖直支撑杆和与所述竖直支撑杆相垂直的 水平横梁，所述竖直支撑杆下端具有支撑脚座；定位部件，固定在所述支架上，包括位于与地面平行的同一平面 内的相互垂直的X轴导轨和Y轴导轨，所述Y轴导轨滑动连接在所 述X轴导轨上；测量部件，滑动连接在所述Y轴导轨上，用于测量地表任一点 到X、 Y轴导轨平面的距离；控制部件，包括X轴步进电机和Y轴步进电机，其中，所述X 轴步进电机与所述Y轴导轨连接，用于控制所述Y轴导轨在所述X 轴导轨上滑动，所述Y轴步进电机与所述测量部件连接，用于控制 所述测量部件在所述Y轴导轨上滑动。其中，所述设备还包括用来发出釆样点坐标定位指令的上位机。 其中，所述设备还包括位于X轴导轨的X轴水平调节螺栓和位于竖直支撑杆与支撑脚座连接处的Y轴水平调节螺栓，用来实现所述X轴导轨和Y轴导轨 的水平调节，其中X轴水平调节螺栓通过调整螺栓固定于竖直支撑 杆的位置实现X轴向水平调节；竖直支撑杆与支撑脚座之间通过Y 轴水平调节螺栓连接，使得竖直支撑杆可以围绕该螺栓旋转，从而带 动调节Y轴导轨与水平面的夹角，进而达到Y轴方向水平调节的目 的。其中，所述设备还包括指示部件，位于所述X轴导轨和Y轴导轨的交叉点处，用来指 示所述设备的XY轴所在的平面是否水平。 其中，所述指示部件为液体水平指示器。 其中，所述测量部件为激光测距传感仪。其中，所述X轴步进电机与X轴导轨通过第一滑块连接，所述 Y轴步进电机与Y轴导轨通过第二滑块连接，X轴步进电机与Y轴 步进电机通过所述第一滑块与第二滑块分别在X轴导轨和Y轴导轨 上滑动。其中，所述设备还包括固定于所述支架上的移动部件，用于实现 整个设备的移动。本专利技术的测量土壤表层孔隙率的方法，首先利用快速、无损的方 法对土壤表面粗糙度进行测量，之后利用土壤表面粗糙度与土壤表层 孔隙率的线性关系计算出土壤表层的孔隙率，与现有技术相比具有快 速、无损、高精度的优点。 附图说明图l是本专利技术测量土壤表层孔隙率的方法流程图； 图2是本专利技术中激光扫描仪的结构示意图3是本专利技术中的土壤表面粗糙度指数^的几何表示。图中1、支架；2、移动轮；3、移动轮升降机构；4、支撑脚座； 5、移动手柄；6、 X轴水平调节螺栓；7、 Y轴水平调节螺栓；8、 X 轴步进电机；9、 Y轴步进电机；10、 X轴导轨；11、 Y轴导轨；12、 液体水平指示器；13、激光测距传感器；14、上位机；15、蓄电池。 具体实施例方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。 本专利技术提出了一种测量土壤表面粗糙度的设备，如图2所示，该 设备包括支架(1)，移动轮(2),移动轮升降机构(3)，支撑脚座 (4)，移动手柄(5)， X轴水平调节螺栓(6)， Y轴水平调节螺栓(7) X轴步进电机(8)， Y轴步进电机(9), X轴导轨(IO), Y轴导轨(ll)， 液体水平指示器.(12),激光测距传感器(13)，上位机(14)，蓄电 池(15)。所述支架(1 ),具有两根彼此平行的竖直支撑杆和连接所述两个 竖直支撑杆的水平横梁，各竖直支撑杆下端为三角形支撑脚座(4), 用于所述设备的固定；X轴导轨(IO),固定于所述竖直支撑杆之间， Y轴导轨(11 )，与所述X轴导轨(10 )位于同 一水平面并相互垂直；X轴步进电机(8),与所述Y轴导轨连接，并通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，该设备包括：　支架，　定位部件，固定在所述支架上，包括位于与地面平行的同一平面内的相互垂直的Ｘ轴导轨和Ｙ轴导轨，所述Ｙ轴导轨滑动连接在所述Ｘ轴导轨上；　测量部件，滑动连接在所述Ｙ轴导轨上，用于测量地表任一点到Ｘ、Ｙ轴导轨平面的距离；　控制部件，包括Ｘ轴步进电机和Ｙ轴步进电机，其中，所述Ｘ轴步进电机与所述Ｙ轴导轨连接，用于控制所述Ｙ轴导轨在所述Ｘ轴导轨上滑动，所述Ｙ轴步进电机与所述测量部件连接，用于控制所述测量部件在所述Ｙ轴导轨上滑动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宇瑞，张慧娟，林剑辉，蔡祥，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]