專利名稱：農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)技術領域，具體涉及一種農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀。
背景技術：
我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，水土流失分布范圍廣、面積大。據(jù)報道，我國的水土流失面積達356萬km2，占國土總面積的37%，侵蝕形式多樣，類型復雜，水力侵蝕、風力侵蝕、凍融侵蝕及滑坡泥石流等重力侵蝕特點各異，相互交錯，成因復雜。根據(jù)統(tǒng)計，中國每年流失的土壤總量達50億t。長江流域年土壤流失總量為24億t，其中上游地區(qū)年土壤流失總量達15. 6億t，黃河流域、黃土高原區(qū)每年進入黃河的泥沙多達16億t。水土流失的成因是自然條件形成以及人類不合理利用土地形成，例如地面坡度陡峭，土體的性質松軟易蝕，高強度暴雨，地面沒有林草等植被覆蓋等等，容易造成水土流失；人類毀林毀草，陡坡開荒，草原上過度放牧，開礦、修路等生產(chǎn)建設破壞地表植被后不及時恢復，隨意傾倒廢土棄石等，使自然環(huán)境惡化，造成水土流失。水土流失對當?shù)睾秃恿飨掠蔚纳鷳B(tài)環(huán)境、生產(chǎn)、生活和經(jīng)濟發(fā)展都造成極大的危害。水土流失破壞地面完整，降低土壤肥力，造成土地硬石化、沙化，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，威脅城鎮(zhèn)安全，加劇干旱等自然災害的發(fā)生、發(fā)展，導致群眾生活貧困、生產(chǎn)條件惡化，阻礙經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。黨的十八大提出，建設中國特色社會主義事業(yè)總體布局由經(jīng)濟建設、政治建設、文化建設、社會建設“四位一體”拓展為包括生態(tài)文明建設的“五位一體”，控制水土流失是生態(tài)文明建設的一個重要內(nèi)容。植物根系固土是防止水土流失最為重要的一種手段，通過退耕還林還牧、擴大林草種植面積、改善操場植被等等綜合手段來防治水土流失。哪些植物的固土能力強，適合何種土壤進行固土等等，一直是人們探討的重要課題。然而，到目前為止，固土能力的檢測方式簡陋，需要專業(yè)的人員來檢測，費時費力，沒有一個很好的解決途徑。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述不足，本發(fā)明提供一種農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀，其包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、測距裝置以及固定裝置，所述壓力發(fā)生裝置位于固定裝置與剪切箱之間，壓力發(fā)生裝置上具有壓力計，壓力發(fā)生裝置用于給剪切箱作用力，并測定該作用力大小，所述測距裝置用于測量剪切箱的位移。為使測定更加簡易化，本發(fā)明測定儀還包括處理器和顯示器，所述壓力計將實時壓力值傳送給處理器，所述測距裝置將實時剪切箱位移值傳送給處理器，處理器根據(jù)壓力值和位移值繪制位移壓力圖譜，并將當前壓力值、位移值以及位移壓力圖譜在顯示器上顯
/Jn ο還包括存儲器，用于存儲測定的數(shù)據(jù)。此外存儲器中還可以預置規(guī)則，判斷規(guī)則。
所述剪切箱為中空體，其至少底面是空的，剪切箱用于固定待測的土壤，使剪切箱中的土壤整體移動，從而下層土壤和上層土壤之間整體發(fā)生相對位移，由此判斷剪切箱中作物的固土能力。剪切箱的大小和高度根據(jù)不同植物可以選用不同的型號，例如長寬高為30cm的剪切箱，剪切箱的高度(固定于其中的土壤高度)對固土能力的檢測有一定的影響，不同植物的根系在土壤中的最佳固土層不盡相同。
所述測距裝置可以是位移傳感器，其精度優(yōu)選小于1mm，更優(yōu)選精度為I μ m。本發(fā)明農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀可以直觀地檢測農(nóng)作物固土能力。進一步，本發(fā)明提供農(nóng)作物固土能力測定方法，該方法通過上述的農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀測定農(nóng)作物根系所在土壤在所述原位測定儀作用下的壓力值和位移值，根據(jù)壓力值和位移值判斷農(nóng)作物固土能力。當然可以通過預置規(guī)則，直接判讀出農(nóng)作物的固土能力。在檢測時還包括在同等條件下測定不含農(nóng)作物根系的土壤在所述原位測定儀作用下的壓力值和位移值作為對照。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀可以簡便快速地測定作物根系土壤的力學情況，通過對照可以獲知作物根系的固土能力，從而為固土作物的選擇提供了參考依據(jù)。本發(fā)明測定儀的使用無需專業(yè)知識，適合推廣應用。


圖I是原位土壤根系水平抗拉過程的F-S曲線，其中F表示拉力，S表示位移，a、b、C、d表示不同階段的臨界點。圖2為本發(fā)明測定儀的結構示意圖，其中I為剪切箱，2為壓力發(fā)生裝置，3為固定裝置，4為壓力計，5為測距裝置。
具體實施例方式本發(fā)明運用于坡耕地農(nóng)作物根系的測定，以期采用量化的數(shù)據(jù)來評價不同作物或同一作物的固土能力。如圖I所示，通過F— S曲線來表示原位土壤根系水平抗拉過程。F-S曲線代表的是各樣方的載荷(F)與位移(S)之間的關系，通過該曲線可以充分反映樣方中根系本身抗拉特性與土壤力學特性的相互作用。完整的F— S曲線反映了以下三個階段①土墩的線性變形階段(彈性形變階段);②塑性變形階段(剪切階段);③蠕變階段及完全破壞階段。比例極限點(此點范圍內(nèi)根系與土壤之間發(fā)生的是彈性形變，簡稱Fl)。屈服拉力點(根系與土壤的相互作用由彈性形變?yōu)橹鬟M入以塑性形變?yōu)橹鞯呐R界點，簡稱F2)?？估瓨O限點(根系水平抵抗滑坡的極限點，簡稱F3)。載荷施加給土墩樣方的拉力。由壓力發(fā)生裝置產(chǎn)生。位移土墩樣方移動的距離。由測距裝置測量。(I) 土墩的線性變形階段(彈性形變階段)在F— S曲線的Ob部分，由于此時載荷較小，載荷與形變呈線形變化。其中此階段又包括兩個特征點F1和F2。Fl為比例極限點，在此點范圍內(nèi)對土墩施加的拉力較小，拉力與土墩產(chǎn)生的位移成正比。在此之前可以認為根系與土壤之間發(fā)生的是彈性形變，此CN 102944475 A
書
明
說
3/4頁
階段只要消除拉力土墩就能回到原來初始位置，土墩中的根系就能恢復原來在土壤中的狀態(tài)。此時土墩發(fā)生的位移(S)是由根系彈性形變變量與土壤彈性形變變量共同作用的結果。也就是說，這一階段中起主要作用的是土體彈性形變極限，所以此階段的彈性形變主要是根系的彈性形變，但當停止外力作用后根系和土壤都能恢復原位。F2為屈服拉力點，它可被認為是根系與土壤的相互作用由彈性形變?yōu)橹鬟M入以塑性形變?yōu)橹鞯呐R界點。 (2)塑性變形階段(剪切階段)在F— S曲線的be部分，由于載荷不斷增大，當大到超過b點時，載荷與根系形變不再呈現(xiàn)線形變化。此階段土剪脹性及固結性都以發(fā)揮出來，土體間咬合作用逐漸消失。在根系土體全面松動前，必須先克服根間最大靜摩擦阻力，使根系在土體中全面松動。此時如果停止外力作用，根系已不在恢復原位，但全部根系未被拉出土體。其中的特征點F3為抗拉極限點，在此點可以認為根系本身和土壤都達到塑性形變狀態(tài)，施加給土墩的拉力稍有增加根系就會產(chǎn)生較大的位移，此點為根系水平抵抗滑坡的極限點。(3)蠕變階段及完全破壞階段對應于F— S曲線的Cd部分，此階段根系本身和土壤都達到塑性形變狀態(tài)。根系在拉力增加的過程中會出現(xiàn)兩種情況一是根系被拉出，二是根系被拉斷。當被拉出時，是根系在進入塑性形變階段后，根系抗拉已達到強度峰值，此峰值會維持一段時間，隨后根系被完全拉出。當被拉斷時，是根系在進入塑性形變階段后，由于其根端阻力作用，會出現(xiàn)根系應力增強現(xiàn)象，而根系被拉出的位移較小，當拉力達到峰值的瞬間根系被拉斷。此階段的特征點F4為破壞拉力點，到此點時根系被完全破壞，此點在根系抵抗土體滑動時沒有任何實際意義，但具有一定的理論意義。從開始對剪切箱產(chǎn)生作用力，伴隨著作用力的不斷增加，位移在不斷地增加。在相同的條件下，如果作用力大而位移小，則說明固土能力較強。本發(fā)明基于原位剪切的原理設計出一套符合農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀，該儀器包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、測距裝置以及固定裝置。壓力發(fā)生裝置位于固定裝置與剪切箱之間，用于產(chǎn)生壓力(即對于農(nóng)作物根土的拉力)，壓力發(fā)生裝置上具有壓力計，壓力發(fā)生裝置用于給剪切箱作用力，并測定該作用力大小，測距裝置用于測量剪切箱的位移。測定儀還可包括處理器和顯示器，壓力計將實時壓力值傳送給處理器，測距裝置將實時剪切箱位移值傳送給處理器，處理器根據(jù)壓力值和位移值繪制位移壓力圖譜，并將當前壓力值、位移值以及位移壓力圖譜在顯示器上顯示。此外，還可包括存儲器，用于存儲測定的數(shù)據(jù)。剪切箱用于固定待測的土壤，使剪切箱中的土壤整體移動，從而下層土壤和上層土壤之間整體發(fā)生相對位移，由此判斷剪切箱中作物的固土能力。剪切箱的大小和高度根據(jù)不同植物可以選用不同的型號，例如長寬高為30cm的剪切箱。下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實施例I如圖2所示，本發(fā)明農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀包括剪切箱I、壓力發(fā)生裝置2、固定裝置3、測距裝置5，在所述壓力發(fā)生裝置上具有壓力計4。壓力發(fā)生裝置2
5位于剪切箱和固定裝置3之間。剪切箱I采用厚度為I. Ocm的鋼板制作，剪切箱規(guī)格為長X寬X深=30. OcmX 30. OcmX 10. Ocm,用于選定土墩樣方的固定，以便測定在設定負荷下土墩樣方的位移。剪切箱的設計應充分考慮農(nóng)作物和草本植物的根系生長狀況，使測定結果能真實反映根系對土壤的固定能力。壓力發(fā)生裝置可產(chǎn)生額定拉力20T，測距裝置的精度達到Ιμπι。固定裝置為帶有錨桿的鋼板。在剪切箱和固定裝置上均具有與壓力發(fā)生裝置相卡接的卡槽，以防止壓力發(fā)生裝置在兩者之間滑動。在使用時，以作物(例如草地早熟禾)為中心，施放剪切箱，向剪切箱四周挖掘深IOcm和20cm的小溝，使剪切箱的上邊緣與地面相持平。把相對應的兩側挖空，一側約20cm左右。在其中一側固定固定裝置，將壓力發(fā)生裝置卡接于剪切箱與固定裝置之間，操作壓力發(fā)生裝置，使其在兩者之間夾緊。通過測距裝置觀測土方的位移。操作壓力發(fā)生裝置，使剪切箱中根系復合體在壓力發(fā)生裝置的作用下，產(chǎn)生作用力進行移動，并間斷性地記錄壓力計的讀書和相應的位移，直至樣方土墩達到滑動，記錄位移值。在檢測時還包括在同等條件下測定不含農(nóng)作物根系的土壤在所述原位測定儀作用下的壓力值和位移值作為對照。另外，還可以借助電子彈簧秤等工具測定單根拉力。實施例2本例中的農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀與實施例I相類似，除包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、固定裝置、測距裝置之外，還包括處理器和顯示器，壓力發(fā)生裝置的壓力計(壓力傳感器)將實時壓力值傳送給處理器，測距裝置(如位移傳感器)將實時剪切箱位移值傳送給處理器，處理器根據(jù)壓力值和位移值繪制位移壓力圖譜，并將當前壓力值、位移值以及位移壓力圖譜在顯示器上顯示。此外，還可進一步包括存儲器，用于存儲測定的數(shù)據(jù)。存儲器中還可以預置規(guī)則，例如，在固定加壓速率的情況下，壓力和位移比的比值越高，則固土能力越強。通過預置規(guī)則，直接判讀出農(nóng)作物的固土能力。另外，壓力發(fā)生裝置可以采用電子泵液壓方式，通過可以持續(xù)增加壓力，壓力值和位移值被連續(xù)編輯和存儲，并反映在位移壓力圖譜上，從而可以直觀地看到農(nóng)作物固土的相關參數(shù)和能力。從而使普通工人即可具備測定農(nóng)作物固土作用的能力。
權利要求
1.農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀，其包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、測距裝置以及固定裝置，所述壓力發(fā)生裝置位于固定裝置與剪切箱之間，壓力發(fā)生裝置上具有壓力計，壓力發(fā)生裝置用于給剪切箱作用力，并測定該作用力大小，所述測距裝置用于測量剪切箱的位移。
2.根據(jù)權利要求I所述的測定儀，其特征在于，還包括處理器和顯示器，所述壓力計將實時壓力值傳送給處理器，所述測距裝置將實時剪切箱位移值傳送給處理器，處理器根據(jù)壓力值和位移值繪制位移壓力圖譜，并將當前壓力值、位移值以及位移壓力圖譜在顯示器上顯示。
3.根據(jù)權利要求2所述的測定儀，其特征在于，還包括存儲器，用于存儲測定的數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求f3任一項所述的測定儀，其特征在于，所述剪切箱為中空體。
5.根據(jù)權利要求4所述的測定儀，其特征在于，所述剪切箱高度為l(T30cm。
6.根據(jù)權利要求f3任一項所述的測定儀，其特征在于，所述測距裝置的精度為I μ m。
7.權利要求I飛任一項所述的農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀在檢測農(nóng)作物固土能力上的應用。
8.農(nóng)作物固土能力測定方法，該方法通過權利要求廣6任一項所述的農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀測定農(nóng)作物根系所在土壤在所述原位測定儀作用下的壓力值和位移值，根據(jù)壓力值和位移值判斷農(nóng)作物固土能力。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括在同等條件下測定不含農(nóng)作物根系的土壤在所述原位測定儀作用下的壓力值和位移值作為對照。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀，其包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、測距裝置以及固定裝置，所述壓力發(fā)生裝置位于固定裝置與剪切箱之間，壓力發(fā)生裝置上具有壓力計，壓力發(fā)生裝置用于給剪切箱作用力，并測定該作用力大小，所述測距裝置用于測量剪切箱的位移。本發(fā)明還提供了其在檢測農(nóng)作物固土能力中的應用。利用本發(fā)明農(nóng)作物根土復合體固土力學原位測定儀可以簡便快速地測定作物根系土壤的力學情況，通過對照可以獲知作物根系的固土能力，從而為固土作物的選擇提供了參考依據(jù)。
文檔編號G01N3/08GK102944475SQ20121049921
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權日2012年11月29日
發(fā)明者鄭毅, 范茂攀, 李永梅, 湯利, 毛研婷 申請人:云南農(nóng)業(yè)大學