一种生物炭-土壤保水量检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种生物炭

【技术实现步骤摘要】
一种生物炭
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土壤保水量检测装置及方法


[0001]本专利技术涉及农业水土保持和农业工程
，特别涉及一种生物炭
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土壤保水量检测装置及方法。

技术介绍

[0002]生物炭是通过生物质热解产生富含碳的固体。生物炭具有多孔性质，具有良好的吸附性能。将生物炭还田可以增加土壤碳汇，改善土壤保水、保肥能力，是农业与环境可持续发展的重要措施之一。生物炭对土壤保水效果的积极影响包括改变土壤容重和孔隙结构，从而增加土壤持水及作物有效水分含量。保水性能与生物炭的孔隙结构、比表面积、表面官能团等特性有关，也受生物炭
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土壤的混合比例影响。不适当的混合可能对土壤保水效果产生消极影响。因此，开发简易、快速生物炭对土壤保水影响效果的评估方法非常重要。
[0003]传统获取土壤水力参数的方法主要有3种：
①
通过对水分运动过程的观测来反演土壤水力模型的参数。典型的土壤水力模型有Van Genuchten模型、Brooks
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Corey模型等；
②
通过容易测定的指标，如土壤粒度、容重、质地等参数来预测土壤水力模型参数；
③
直接应用仪器在田间进行测量。
[0004]传统方法的问题是：
①
土壤水力模型的参数获取难、精度低；
②
土壤变异性高，需要获取大量数据来估算土壤水力模型参数。
③
田间直接测量方法费时费力，并且检测仪器敏感度低、获取测量值是否能代表面源土壤分布特性具有争议。
[0005]为了直观地反应生物炭对作物有效水分含量变化的影响，美国特拉华大学的Imhoff团队根据生物炭的孔隙结构，分别构建了低水势、中高水势下土壤水分含量变化的预测模型；为了克服土壤水力模型参数获取难的问题，美国怀俄明大学的Kevin应用机器学习方法来预测土壤水分特征曲线。然而，生物炭孔隙结构、土壤质地参数的获取需要昂贵的仪器和较高的专业技能。另外，机器学习方法需要大量数据支持，且模型对影响因子的解读能力低。
[0006]综上，当前的方法需要大型昂贵的检测仪器、获取较多的土壤指标、检测过程费时费力，且缺乏集成度较高的数据收集、分析与反馈一体化的智能系统。

技术实现思路

[0007]基于此，本专利技术提供了一种生物炭
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土壤保水量检测装置及方法，以传递函数参数作为特征变量来预测加入生物炭后土壤的保水量。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种生物炭
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土壤保水量检测装置，包括：土壤容器、供水单元、传感器单元以及微控制器；所述土壤容器中装有加入生物炭的土壤；所述供水单元用于向所述土壤容器中的土壤提供水源；所述传感器单元包括土壤水分传感器以及时距相机；所述土壤水分传感器用于检
测设定土壤检测点的含水量；所述时距相机垂直置于所述土壤容器上方，用于在固定时间间隔内拍摄土壤湿润峰的位置，确定入渗半径；所述微控制器用于根据所述设定土壤检测点的含水量、所述供水单元的水位与所述土壤容器中底层土壤的距离以及所述入渗半径确定加入生物炭后土壤的保水量。
[0009]可选地，所述供水单元包括供水槽、水位控制单元以及水箱；所述水箱位于所述土壤容器下方；所述供水槽通过水管向所述水箱内供水，所述水箱通过纤维线向所述土壤容器中的土壤提供水源；所述水位控制单元位于所述供水槽内，用于控制所述水箱中的水位保持不变。
[0010]可选地，所述水位控制单元包括浮子、隔板和阀门；所述隔板设置在所述供水槽内部，所述隔板将所述供水槽分为上部空间和下部空间；所述上部空间装有水，所述下部空间通过水管与所述水箱连接；所述浮子设置在所述下部空间，所述浮子与所述阀门通过杠杆连接。
[0011]可选地，所述土壤容器为采用丙烯酸树脂材料制作的矩形容器。
[0012]可选地，所述供水槽下方设有升降台，所述升降台用于调整所述供水槽的高度。
[0013]本专利技术还提供了一种生物炭
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土壤保水量检测方法，所述方法应用于上述生物炭
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土壤保水量检测装置，所述方法包括：确定水箱的水位与土壤容器中底层土壤的距离；检测所述土壤容器中设定土壤检测点的含水量；确定所述土壤容器中水分的入渗半径；获取水分的入渗时间以及过渡阶段时间；所述过渡阶段时间由固定时间间隔确定；以所述距离为激励信号，以所述设定土壤检测点的含水量为增益常数，以所述入渗时间为时滞，以所述过渡阶段时间为时间常数构建生物炭
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土壤系统传递函数；基于所述生物炭
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土壤系统传递函数以及所述入渗半径确定加入生物炭后土壤的保水量。
[0014]可选地，所述生物炭
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土壤系统传递函数的表达式如下：其中，K
p
为增益常数，τ
p
为时间常数，τ
d
为时滞，s为复变数。
[0015]可选地，基于所述生物炭
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土壤系统传递函数以及所述入渗半径确定加入生物炭后土壤的保水量，具体包括：对所述生物炭
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土壤系统传递函数进行拉普拉斯逆变换，得到土壤含水量；基于所述入渗半径确定入渗区域的体积；基于所述土壤含水量、入渗区域体积以及水密度计算加入生物炭后土壤的保水量。
[0016]可选地，加入生物炭后土壤的保水量W的计算公式如下：
其中，ρ
w
为水的密度，V为入渗区域体积，为t时刻土壤含水量θ(t)的导数。
[0017]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供的一种生物炭
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土壤保水量检测装置，包括：土壤容器、供水单元、传感器单元以及微控制器；所述土壤容器中装有加入生物炭的土壤；供水单元用于向所述土壤容器中的土壤提供水源；所述传感器单元包括土壤水分传感器以及时距相机；所述土壤水分传感器用于检测设定土壤检测点的含水量；所述时距相机用于在固定时间间隔内拍摄土壤湿润峰的位置，确定入渗半径；所述微控制器用于根据所述设定土壤检测点的含水量、所述供水单元的水位与所述土壤容器中底层土壤的距离以及所述入渗半径确定加入生物炭后土壤的保水量。本专利技术提供的生物炭
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土壤保水量检测装置，设备结构简单，且需要分析的数据少，节约了人力物力成本。且本专利技术将上述检测装置采集的数据作为传递函数参数预测保水量，可以削减生物炭
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土壤水力参数获取难、获取成本高等问题。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本专利技术提供的生物炭
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土壤保水量检测装置的结构示意图；图2为本专利技术提供的生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物炭
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土壤保水量检测装置，其特征在于，包括：土壤容器、供水单元、传感器单元以及微控制器；所述土壤容器中装有加入生物炭的土壤；所述供水单元用于向所述土壤容器中的土壤提供水源；所述传感器单元包括土壤水分传感器以及时距相机；所述土壤水分传感器用于检测设定土壤检测点的含水量；所述时距相机垂直置于所述土壤容器上方，用于在固定时间间隔内拍摄土壤湿润峰的位置，确定入渗半径；所述微控制器用于根据所述设定土壤检测点的含水量、所述供水单元的水位与所述土壤容器中底层土壤的距离以及所述入渗半径确定加入生物炭后土壤的保水量。2.根据权利要求1所述的生物炭
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土壤保水量检测装置，其特征在于，所述供水单元包括供水槽、水位控制单元以及水箱；所述水箱位于所述土壤容器下方；所述供水槽通过水管向所述水箱内供水，所述水箱通过纤维线向所述土壤容器中的土壤提供水源；所述水位控制单元位于所述供水槽内，用于控制所述水箱中的水位保持不变。3.根据权利要求2所述的生物炭
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土壤保水量检测装置，其特征在于，所述水位控制单元包括浮子、隔板和阀门；所述隔板设置在所述供水槽内部，所述隔板将所述供水槽分为上部空间和下部空间；所述上部空间装有水，所述下部空间通过水管与所述水箱连接；所述浮子设置在所述下部空间，所述浮子与所述阀门通过杠杆连接。4.根据权利要求1所述的生物炭
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土壤保水量检测装置，其特征在于，所述土壤容器为采用丙烯酸树脂材料制作的矩形容器。5.根据权利要求2所述的生物炭
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土壤保水量检测装置，其特征在于，所述供水槽下方设有升降台，所述升降台用于调整所述供水槽的高度。6.一种生物炭
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土壤保水量检测方法，其特征在于，所述方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立欣，姚宗路，李奇辰，霍丽丽，张沛祯，贾吉秀，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，
类型：发明
国别省市：