一种深层土壤容重估算方法技术

本发明专利技术公开了一种深层土壤容重估算方法，涉及土壤学数据估算技术领域；本发明专利技术通过采集土壤埋藏深度、浅层土壤容重、磁化率和粘粒含量作为输入数据，通过土壤埋藏深度和浅层土壤容重驱动土体压缩模型计算因上层土体压应力所导致的深层土壤压实的容重变化；通过土壤磁化率和粘粒含量驱动土壤转化函数计算深层土壤因自身物理特性所决定的容重变化；将两部分容重相加得到深层土壤容重估算值；综合来看，本发明专利技术构建了一个具有一定机理性的容重概念模型，该模型预测准确度高，且无需进行参数数据标定即可直接估算深层土壤容重，适用范围广，有助于为土壤、水文、生态等方面研究提供较可靠的数据支撑。可靠的数据支撑。可靠的数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种深层土壤容重估算方法


[0001]本专利技术涉及土壤学数据估算
，具体为一种深层土壤容重估算方法。

技术介绍

[0002]土壤容重，即单位体积下原状土壤的干重，是表征土体在自然形态下的密度特征。它不仅是用于评价土壤中水分、溶质及碳等其他物质储量及通量的质量
‑
体积转换系数，还与水分的入渗、溶质的迁移、植物根系的生长等一系列土壤、水文和生态过程密切相关，是描述各种地球关键带物质能量过程的关键参数。
[0003]然而，与其他参数(如土壤质地、含水量、有机质等)不同，土壤容重的测定必须满足土体结构的原状性，常见的扰动土(填装、重塑土)无法反映土壤真实的容重信息。这对于现实中大规模、高分辨率的土壤容重测定是耗时、费力且高成本的，尤其是深层土壤容重，其埋藏深度越深，利用环刀法采集原状土壤样本就越发困难，因此一直以来深层土壤容重的实测数据都极为有限。
[0004]为此，一些研究开发了土壤容重的土壤转换函数PTFs，利用易于测定的其他相关变量间接预测土壤容重。这类方法有很多，如多元线性回归、人工神经网络等。但此类方法均为经验模型，模型运行前需要相关参数数据进行标定，这对于模型驱动数据范围以外的土壤容重预测，预测结果准确度不高，预测性能大幅下降，难以适用于不同地区土壤容重的估算。

技术实现思路

[0005]鉴于上述应用需求和传统土壤容重获取方法的存在问题，需要一种机理性强、预测性能好、适用范围广的深层土壤容重估算方法；本专利技术提出了一个具有一定机理性的容重概念模型，已解决目前深层土壤容重数据获取困难的问题，该模型预测准确度高，适用范围广，无需进行参数数据标定即可直接估算深层土壤容重。
[0006]本专利技术提出的一种具有一定机理性、预测性能好且适用范围广的深层土壤容重估算方法，包括以下步骤：
[0007]获取土壤样本的埋藏深度h，以及浅层土壤容重ρ0、土壤磁化率MS和粘粒含量CL；
[0008]构建土壤压应力模型，并将土壤样本的埋藏深度h输入土壤压应力模型，输出深层土壤所承受的压应力σ；
[0009]构建土体压缩模型，并将深层土壤所承受的压应力σ和浅层土壤容重ρ0输入土体压缩模型，输出深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化ρ
c
；
[0010]构建多元线性回归模型，并将土壤磁化率MS和粘粒含量CL输入多元线性回归模型，输出土壤因自身物理特性所决定的容重变化ρ
p
；
[0011]根据深层土壤容重的变化机理，将深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化ρ
c
与土壤因自身物理特性所决定的容重变化ρ
p
相加，获得深层土壤容重预测值
[0012]进一步的，本专利技术提供的一种深层土壤容重估算方法，还包括：
[0013]根据深层土壤容重预测值获取深层土壤容重ρ
s
：
[0014][0015]其中，为深层土壤容重预测值；ρ
c
为深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化值；ρ
p
为土壤因自身物理特性所决定的容重变化值；ε
i
为误差项，包括采样误差与随机误差。
[0016]进一步的，所述构建土壤压应力模型，具体包括：
[0017]根据试验分析，深层土壤所承受的压应力σ与土壤埋藏深度h呈现线性相关关系：
[0018]σ＝ρgh≈17.2h
‑
28.9，R2＝0.99；
[0019]其中，ρ为深层土壤样本深度以上覆盖土体的平均密度/g.cm
‑3；g为重力加速度/N.kg
‑1；h为土壤样本的埋藏深度/m；R2为相关系数；
[0020]因此根据深层土壤所承受的压应力σ计算公式σ＝ρgh≈17.2h
‑
28.9，构建土壤压应力模型。
[0021]进一步的，所述构建土体压缩模型，具体包括：
[0022]根据试验分析，深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化ρ
c
的计算公式为：
[0023][0024]其中，ρ0为模型初始容重；A、B、C为土体压实模型系数；
[0025]根据试验分析，当土体上方压应力>0.03MPa时土体才会发生明显压缩变化，而埋藏深度2m以下的土体所受荷载>0.03MPa，因此将0
‑
2m深的浅层土壤平均容重作为模型初始容重ρ0；
[0026]经过试验数据优化拟合，得到深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化ρ
c
的计算公式为
[0027]根据深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化ρ
c
的计算公式，构建土体压缩模型。
[0028]进一步的，所述构建多元线性回归模型，具体包括：
[0029]根据试验分析，土壤因自身物理特性所决定的容重变化ρ
p
的计算公式为：
[0030]ρ
p
＝0.0005MS+0.003CL
‑
0.11；
[0031]其中，MS为土壤磁化率/m3.kg
‑1；CL为粒径小于0.002mm的土壤粘粒含量/％；
[0032]根据土壤因自身物理特性所决定的容重变化ρ
p
的计算公式，构建多元线性回归模型。
[0033]进一步的，土壤因自身物理特性所决定的容重变化ρ
p
中，土壤自身物理特性包括土壤颗粒组成和土体结构。
[0034]与现有技术相比，本专利技术提供的一种具有一定机理性、预测性能好且适用范围广的深层土壤容重估算方法，其有益效果是：
[0035]本专利技术采用易于测定的土壤参数资料构建一种新型的土壤容重概念模型，用以估算深层土壤容重分布；本专利技术根据土体压缩原理，增加了深层土壤受上层土体压应力所导致的土壤容重变化；依据土壤转化函数来定量描述土壤自身物理特性对土壤容重的影响。该深层土壤容重模型具有一定的机理性，预测准确度高，且无需进行参数数据标定即可直
接估算深层土壤容重，使其在不同地方可以广泛应用，有助于为土壤、水文、生态等方面研究提供较可靠的数据支撑，推动相关科学和技术的发展。
附图说明
[0036]图1为本专利技术提供的一种深层土壤容重估算方法的流程图；
[0037]图2为本专利技术实施例中提供的在WN、ZW、XY三个野外观测的土壤剖面样本的埋藏深度h、距地表0
‑
2m深的浅层土壤容重ρ0、磁化率MS和粘粒含量CL的散点图；
[0038]图3为本专利技术实施例提供的深层土壤所承受的压应力σ与土壤埋藏深度h的线性相关图；
[0039]图4为本专利技术实施例中提供的压应力模型计算的WN、ZW、XY三个野外站点深层土壤压实容重变化ρ
c
的散点分布图；
[0040]图5为本专利技术实施例中提供的WN、ZW、XY三个野外站点深层土壤因自身物理特性所决定的容重变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深层土壤容重估算方法，其特征在于，包括以下步骤：获取土壤样本的埋藏深度h，以及浅层土壤容重ρ0、土壤磁化率MS和粘粒含量CL；构建土壤压应力模型，并将土壤样本的埋藏深度h输入土壤压应力模型，输出深层土壤所承受的压应力σ；构建土体压缩模型，并将深层土壤所承受的压应力σ和浅层土壤容重ρ0输入土体压缩模型，输出深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化ρ
c
；构建多元线性回归模型，并将土壤磁化率MS和粘粒含量CL输入多元线性回归模型，输出土壤因自身物理特性所决定的容重变化ρ
p
；根据深层土壤容重的变化机理，将深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化ρ
c
与土壤因自身物理特性所决定的容重变化ρ
p
相加，获得深层土壤容重预测值2.如权利要求1所述的一种深层土壤容重估算方法，其特征在于，还包括：根据深层土壤容重预测值获取深层土壤容重ρ
s
：其中，为深层土壤容重预测值；ρ
c
为深层土壤受压应力导致的土壤压实容重变化值；ρ
p
为土壤因自身物理特性所决定的容重变化值；ε
i
为误差项，包括采样误差与随机误差。3.如权利要求1所述的一种深层土壤容重估算方法，其特征在于，所述构建土壤压应力模型，具体包括：根据试验分析，深层土壤所承受的压应力σ与土壤埋藏深度h呈现线性相关关系：σ＝ρgh≈17.2h
‑
28.9，R2＝0.99；其中，ρ为深层土壤样本深度以上覆盖土体的平均密度/g.cm
‑3；g为重力加速度/N.kg
‑1；h为土壤样本的埋藏深度/m；R2为相关系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆彦玮，李培月，李敏，韦昊延，潘君佐，明钰濮，庞薛清秋，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：