專利名稱：土壤凍融過程中固態(tài)水含量及消長特征的測定方法
技術領域：
本發(fā)明屬于農業(yè)生產技術領域。是一種監(jiān)測土壤凍融過程中固液態(tài)水含量及其動態(tài)變化的方法。
背景技術：
東北黑土地區(qū)，大氣降水是土壤水的唯一來源。降水總量基本能滿足作物生長需求，但由于地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)內，年際間和年內各月份降水不均是春季干旱產生的主要原因。而黑土高度發(fā)育的季節(jié)性土壤凍層是作物生長前期的主要水分來源，在春季少雨年份則是作物賴以渡過旱期的重要憑借。雖然凍層對作物早期水分的供應作用巨大，但長期以來受到監(jiān)測手段的限制，沒有關于凍融過程區(qū)分固態(tài)水和液態(tài)水的可靠方法，所以對于凍融過程中土壤水含量的動態(tài)變化規(guī)律更無法深入研究。
本發(fā)明在探討兩種測水儀器原理基礎上，配合使用，揭示凍融過程固、液態(tài)水含量及其動態(tài)消長規(guī)律。其特點是，使用國際上普遍公認的測定土壤水含量的儀器，進行組合配套使用；測定方法操作簡便、精度較高；是本領域提出的首個方法。
目前國際上公認的、應用普遍的測量土壤水分含量的儀器有兩種，其優(yōu)缺點分述如下a.中子儀，中子儀是一種先進的野外測量土壤含水量的小型便攜式儀器，測定原理是把一個快中子源和慢中子探測器置于套管中，埋入土內，其中的中子源(如鐳、镅、鈹)以很高的速度放射出快中子，這些快中子與水(土壤、冰)中的氫原子碰撞時，失去部分能量變成慢中子，土壤水越多，氫越多，產生的慢中子就越多，慢中子被探測到并顯示出來。
優(yōu)點是測量過程不用取樣，不擾動被測介質，不受水分物理狀態(tài)(固態(tài)、液態(tài))的影響，快速、精確、測量穩(wěn)定、深度不限。
b.時域反射儀(TDR)，英文全稱是Time-Domain-Reflectometry。TDR的工作原理是，根據電磁波理論，電磁脈沖在導電介質中傳播時，其傳播速度與介質的介電常數(shù)有關，介電常數(shù)越大，傳播時間越長。而土壤三相(固相、液相、氣相)的介電常數(shù)不同，通常自由水的介電常數(shù)為80，土粒介電常數(shù)為2～4，空氣介電常數(shù)為1，冰的介電常數(shù)為2.8，幾種組分的介電常數(shù)差別巨大，電磁脈沖在土壤中平行的波導棒間傳播的時間主要決定于水分的含量，可將TDR技術應用于結冰條件下土壤水分狀況的測定。
優(yōu)點是，測定具有較強的獨立性，結果幾乎與土壤性質、密度等無關；可以直接、快速、方便、可靠的進行測定。
兩種儀器的缺點是中子儀僅能測定固態(tài)水與液態(tài)水的總含水量，TDR儀能測定液態(tài)水含量；兩種儀器單獨使用都無法測定固態(tài)水含量，因此固態(tài)水動態(tài)變化規(guī)律就無法揭示。

發(fā)明內容
本發(fā)明從以上技術背景出發(fā)，在分析兩種測定水分儀器的原理基礎上，針對單一的使用任何一種儀器都不能達到測定固態(tài)水的矛盾，通過多次科學試驗，得出本發(fā)明。
本發(fā)明的目的是解決土壤凍融過程中固態(tài)水含量及消長特征的測定方法，其關鍵是將二中測水儀器放置在有效的測定空間內組合配套使用，通過中子儀測定結果與TDR測值進行差減得出凍融水含量，解決了單一儀器不能測得固態(tài)水的矛盾；再將其按照相同的時間間隔持續(xù)測定，還可以得出凍融水動態(tài)消長特征。并通過實踐證實此種方法能獲得十分滿意的結果。其特點是操作簡便、精度較高，是本領域提出的首個方法。具體測定步驟如下a.埋設中子管。于夏季選擇有代表性地勢較平坦的地塊，用土鉆鉆眼至1.5～2m(根據不同需要選取深度)，將鋁合金中子管插入鉆眼中，敲打至2m，如中子管與鉆眼間有孔隙，需用泥漿灌注，并在管口蓋一個鋁盒，防止進入雨水。
b.埋設TDR波導棒。在距中子管20cm范圍內，平行中子管挖一豎直剖面，按由下至上的順序豎直插入波導棒，如果波導棒長度為20cm，那么由下至上依次插入180～200cm、160～180cm、140～160cm、120～140cm……0～20cm，并將不同深度的電導線牽引到地面上，綁在一根架起的桿子上，防止老鼠啃咬。將挖出的土壤按發(fā)生學層次依次填回。
c.經過整個雨季，土壤緊實狀況基本恢復，待到氣溫降到0℃以下就可以進行兩種儀器的同時測定，并設定時間間隔(5天)，依次測定冬季結凍和春季化凍過程的凍融水交替特征。
d.同時監(jiān)測氣溫和凍土深度情況，以便于對數(shù)據的綜合說明。
e.數(shù)據處理與分析。中子儀測定值表示每層液態(tài)水固態(tài)水總的含量，其測定系列表示每層總水量的變化過程；TDR測定值表示每層的液態(tài)水含量，其測定系列表示液態(tài)水含量變化過程；中子儀測定值減去TDR測定值表示固體水的含量，其系測定列表示固態(tài)水含量的變化過程。


圖1為3-6月份測定值。
具體實施方法2003年夏季，我們按上述方法在中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所海倫農業(yè)生態(tài)實驗站埋設了TDR波導棒和中子管，2004年3月份開始每隔五天進行測定(TDR是芬蘭Trace系統(tǒng)；CNC503DR型中子儀產自北京超能科技有限公司)，摘錄部分數(shù)據見附圖，以作證明和分析。
從附圖中可以看出，從3月份到6月份兩種方法測定水分含量逐漸趨近一致，每月份TDR測值與坐標軸圍成的圖形面積逐漸增大，說明2m土層內液態(tài)水含量逐漸增多；每月中子儀測值和TDR測值周圍成地面積逐漸減小，說明2m土層內固態(tài)水含量逐漸減少；同時可使用差減法進行定量計算固態(tài)水、液態(tài)水含量；同時也可以看出，隨著氣溫變暖，凍層的融化是從地面向地下逐漸過渡的，3月25號每層固態(tài)水含量還較多，4月25號0～40cm土層內的固態(tài)水含量基本融化，5月25號40～80cm土層的固態(tài)水基本融化，6月25號中子儀測定數(shù)值基本等同于TDR測定數(shù)值，是因為2004年海倫地區(qū)整個土體內凍土是在6月15號完全融通的，所以兩種儀器測值均表示液態(tài)水含量，并基本相等。
另外，160～180cm的含水量在3～6月份無變化，而140～160cm是變化的底限，這種情況說明海倫地區(qū)凍層的最大深度是140～160cm，這與我們凍土器檢測結果一致，更說明這種方法可靠性，也說明了本發(fā)明可以達到預計的理想效果。
權利要求
1.一種監(jiān)測土壤凍融水含量及其動態(tài)變化過程的方法，其特征在于用中子儀測出固態(tài)水與液態(tài)水總的含量，用時域反射儀(TDR)測出液態(tài)水含量，用二者的差得出固態(tài)水含量；再將其按照相同的時間間隔持續(xù)測定，得出凍融水動態(tài)消長特征。
2.根據權利要求1所述方法，其特征在于采用了如下測定步驟a.選擇代表性地塊沒設中子管至預設深度1.5～2m；b.在中子管附近分層埋設TDR波導棒，至中子管相同深度；c.待土層緊實程度基本恢復后，并且氣溫降至0℃以下，可以按一定時間間隔(5天)連續(xù)分層測定；d.同時監(jiān)測氣溫和凍土深度等氣象要素便于對數(shù)據綜合分析；數(shù)據整理與分析。
全文摘要
本發(fā)明屬于農業(yè)生產技術領域。是一種測定土壤凍融水含量及其動態(tài)變化的方法。東北地區(qū)季節(jié)性土壤凍層是作物早期水分供應的重要途徑，長期以來受到監(jiān)測工具的限制，未形成關于凍融過程區(qū)分固態(tài)水和液態(tài)水的可靠方法，因此對于凍融過程中土壤水含量的動態(tài)變化規(guī)律無辦法進行深入地研究。本發(fā)明使用兩種國際上普遍認可的測定土壤水含量的儀器，進行組合配套使用，能獲得十分滿意的結果，用以揭示凍融水含量及其動態(tài)消長規(guī)律，其特點是操作簡便、精度較高。
文檔編號G01N23/09GK1928552SQ20061001652
公開日2007年3月14日 申請日期2006年1月13日 優(yōu)先權日2006年1月13日
發(fā)明者王風, 韓曉增, 苗淑杰, 李海波 申請人:中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所