一种土壤含水率间接获取及快速评价方法

摘要

本发明公开了一种土壤含水率间接获取及快速评价方法，该方法依次包括如下步骤：1、基于研究区域，设计取样方案；2、使用环刀法对每个取样点取样，测量土壤容重，土壤含水率和土壤紧实度；3、使用模型对数据进行拟核，获得不同模型的待确定系数和相关系数，确定本研究区域的应用模型；4、对每个取样点进行土壤紧实度测试，将所得到的数据代到应用模型中，得到土壤含水率的结果；5、使用面积加权平均值的方法，对土壤含水率进行整体计算，以快速评价研究区域的墒情。该发明的实施方案系统条理，获取速度快，样本数量多，可有效的降低土壤空间异质性导致的不确定性，可应用于不同作物覆盖，土壤质地和地形地貌的地区。

权利要求

1.一种土壤含水率间接获取及快速评价方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、基于研究区域，综合考虑土壤质地、作物类型和地形地貌，采取等距取样法，设计取样方案，布置取样点；每个取样点的面积Si为3～5m2，i＝1,2,...N，取样数N为15～25个；

步骤2、使用环刀法对每个取样点取样，使用烘干法对所取样品分别测量土壤容重BDi和土壤含水率θi，i＝1,2,...N；使用土壤紧实度仪对每个取样点土层的土壤紧实度CIi多次测试取平均值，i＝1,2,...N；

步骤3、基于取样点的面积Si、土壤容重BDi、土壤含水率θi和土壤紧实度CIi的数据，i＝

1,2,...N，利用模型：

模型1：Ayers模型

模型2：Upadhyaya模型

模型3：Busscher模型

模型4：Hernanz模型

进行拟合，得到所选取模型的待确定系数和相关系数，相关系数最大的模型确定为本研究区域的应用模型；式中：CI为土壤紧实度，kPa；BD为土壤容重，g/cm3；θ为土壤质量含水率；d为深度，mm；A，B，C，D为依赖于土壤类型的拟合常数，且恒为正；

步骤4、使用土壤紧实度仪对每个取样点土层的土壤紧实度CIj多次测试取平均值，j＝

1,2,...M，将土壤紧实度CIj代入应用模型，得到土壤含水率θj，j＝1,2,...M；

步骤5、利用面积加权平均值的方法，通过公式；

θ＝∑θj×Sj/∑Sj   (5)

对研究区域的土壤含水率θ进行整体计算，以此评价研究区域的墒情；

所述每个取样点的面积Si大小相等或接近相等；

所述土壤紧实度仪插入土壤时的速度恒定值为30mm/s；

所述每个取样点的土壤紧实度CIi和CIj采取多次测量的次数为3-5次；

所述进行拟合的方法采用基于最小二乘法原理的方法，通过编程或origin软件来实现；

2

所述研究区域面积>120m ，且土壤质地、作物种类和地形地貌差别较大时，分区评价研究区域的墒情；

所述取样深度为10～20cm。

2.如权利要求1所述的一种土壤含水率间接获取及快速评价方法，其特征在于：如果研究区域的空间异质性不大，所述土壤容重BDi的取样数量取3～5个，利用公式：BD＝∑BDi×Si/∑Si  (6)得到土壤容重的平均值。

说明书

一种土壤含水率间接获取及快速评价方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种土壤含水率间接获取及快速评价方法，适用于土地复垦工程和农田水利工程领域对土壤含水率长期监测和快速评价。

背景技术

[0002] 土壤含水率是表征土壤特性和农业生产状况的重要参数，对于“四水”循环转化、岩土力学性质、作物和根系生长、作物产量都起着决定性的作用。对土壤含水率测量和获取方法的研究，一直是科研工作者关心的热点，如发明专利申请号为201310643783.0公开的“土壤含水率的比色测定方法”；发明专利申请号为201310584218.1公开的“一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法和装置”；发明专利申请号为201310398355.6公开的“一种土壤含水率分布式测量方法及系统”。虽然上述专利都涉及到是土壤含水率测量和获取方法，但对土壤含水率获取速度较慢；并且由于仪器数量的限制，取样点偏少，最终导致土壤的空间异质性影响很大。

[0003] 土壤含水率的获取方法很多，最常用的方法主要有称重法，张力计法和时域反射法等。称重法也称烘干法，可以直接测量土壤含水率，虽然测量精度高，但成本较高，时效性较差。张力计法和时域反射法均具有测量速度快，操作简便，精确度高等优点，但在空间大尺度而仪器数量限制的情况下，会对土壤空间异质性考虑不足。我国土地复垦工程及农田水利生产和科学研究的快速发展，需要一种农田尺度的土壤含水率的快速获取及评价方法，来及时了解土壤含水率及墒情，从而为指导农业生产和节水灌溉及时而准确的提供支撑数据。

[0004] 土壤紧实度，又称土壤圆锥指数或土壤穿透阻力，是由土壤抗剪力，压缩力和摩擦力等构成的土壤强度的综合指标，是土壤结构中的重要参数。土壤紧实度对土壤水分运动，作物根系的生长和发育，化肥的利用率等具有重要的影响，可以用于评价和表征土壤特性。土壤紧实度主要受土壤类型，容重和含水率等多种因素影响。现有研究表明，土壤紧实度与上述三个因素存在一定的函数关系。目前，土壤紧实度模拟和预测模型主要有Ayers模型，Upadhyaya模型，Busscher模型和Hernanz模型等。

[0005] 由于土壤紧实度的测量仪器土壤紧实度仪可以对不同深度的土层进行空间和时间的连续现场监测，具有操作简易，对土壤的破坏性小，准确性和时效性等优点。因此，基于土壤紧实仪可以进行土壤含水率的间接测定。

发明内容

[0006] 技术问题：本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种获取速度快、精度较高、效果好的土壤含水率间接获取及快速评价方法。

[0007] 技术方案：为实现上述目的，本发明的土壤含水率间接获取及快速评价方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1、基于研究区域，综合考虑土壤质地、作物类型和地形地貌，采取等距取样法，设计取样方案，布置取样点；每个取样点的面积Si(i＝1,2,...N)为3～5m2，取样数N为15～25个；

[0009] 步骤2、使用环刀法对每个取样点取样，使用烘干法对所取样品分别测量土壤容重BDi(i＝1,2,...N)和土壤含水率θi(i＝1,2,...N)；使用土壤紧实度仪对每个取样点土层的土壤紧实度CIi(i＝1,2,...N)多次测试取平均值；

[0010] 步骤3、基于取样点的面积Si、土壤容重BDi、土壤含水率θi和土壤紧实度CIi(i＝1,2,...N)的数据，利用模型：

[0011] 模型1：Ayers模型

[0012]

[0013] 模型2：Upadhyaya模型

[0014]

[0015] 模型3：Busscher模型

[0016]

[0017] 模型4：Hernanz模型

[0018]

[0019] 进行拟核，得到所选取模型的待确定系数和相关系数，相关系数最大的模型确定为本研究区域的应用模型；式中：CI为土壤紧实度，kPa；BD为土壤容重，g/cm3；θ为土壤质量含水率；d为深度，mm；A，B，C，D为依赖于土壤类型的拟合常数，且恒为正；

[0020] 步骤4、使用土壤紧实度仪对每个取样点土层的土壤紧实度CI j(j＝1,2,...M)多次测试取平均值，将土壤紧实度CI j代入应用模型，得到土壤含水率θj(j＝1,2,...M)；

[0021] 步骤5、利用面积加权平均值的方法，通过公式；

[0022] θ＝Σθj×Sj/ΣSj  (5)

[0023] 对研究区域的土壤含水率θ进行整体计算，以此评价研究区域的墒情。

[0024] 所述每个取样点的面积Si大小相等或接近相等。

[0025] 如果研究区域的空间异质性不大，所述土壤容重BDi的取样数量取3～5个，利用公式：

[0026] BD＝ΣBDi×Si/ΣSi  (6)

[0027] 得到土壤容重的平均值。

[0028] 所述土壤紧实度仪插入土壤时的速度恒定值为30mm/s。

[0029] 所述每个取样点的土壤紧实度CIi和CI j采取多次测量的次数为3-5次。

[0030] 所述进行拟核的方法采用基于最小二乘法原理的方法，通过编程或origin软件来实现。

[0031] 所述研究区域面积>120m2，且土壤质地、作物种类、地形地貌差别较大时，分区评价研究区域的墒情。

[0032] 所述取样深度为10～20cm。

[0033] 有益效果：本发明的土壤含水率间接测定及评价方法，通过对现场取样点紧实度数据的获取，基于数学模型来快速获取区域尺度的土壤含水率数据，实施方案系统条理，获取速度快，对土壤的破坏性较小，取样数量多，可有效的降低土壤空间异质性导致的不确定性，可应用于不同作物覆盖，土壤质地和地形地貌的地区，解决了土壤含水率间接获取和快速评价的技术问题。本发明可以用于土地复垦工程和农田水利工程领域，计算结果可基于ARCGIS实现可视化，即将土壤含水率数据以地形化的形式标注于每个地理栅格，使用不同的颜色进行表征，可用于土壤含水率时空变异特征的分析。其获取速度快、精度较高、有利于农业管理和科研人员对土壤含水率获取及评价。

附图说明

[0034] 图1是本发明的土壤含水率间接测定及评价方法流程图；

[0035] 图2是本发明的试验区的布置图；

[0036] 图3是本发明的实验点和Ayers模型模拟结果对比图；

[0037] 图4是本发明的实验点和Upadhyaya模型模拟结果对比图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

[0039] 本发明的土壤含水率间接获取及快速评价方法，具体步骤如下：

[0040] 步骤1、基于研究区域，综合考虑土壤质地、作物类型和地形地貌，采取等距取样法，设计取样方案，布置取样点；每个取样点的面积Si(i＝1,2,...N)为3～5m2，取样数N为15～25个；所述每个取样点的面积Si大小相等或接近相等，取样深度为10～20cm。

[0041] 步骤2、使用环刀法对每个取样点取样，使用烘干法对所取样品分别测量土壤容重BDi(i＝1,2,...N)和土壤含水率θi(i＝1,2,...N)；使用土壤紧实度仪对每个取样点土层的土壤紧实度CIi(i＝1,2,...N)多次测试取平均值；所述土壤紧实度仪插入土壤时的速度恒定值为30mm/s。

[0042] 步骤3、基于取样点的面积Si、土壤容重BDi、土壤含水率θi和土壤紧实度CIi(i＝1,2,...N)的数据，利用模型：

[0043] 模型1：Ayers模型

[0044]

[0045] 模型2：Upadhyaya模型

[0046]

[0047] 模型3：Busscher模型

[0048]

[0049] 模型4：Hernanz模型

[0050]

[0051] 进行拟核，进行拟核的方法采用基于最小二乘法原理的方法，通过编程或origin软件来实现；得到所选取模型的待确定系数和相关系数，相关系数最大的模型确定为本研究区域的应用模型；式中：CI为土壤紧实度，kPa；BD为土壤容重，g/cm3；θ为土壤质量含水率；d为深度，mm；A，B，C，D为依赖于土壤类型的拟合常数，且恒为正；所述研究区域面积>2
120m，且土壤质地、作物种类、地形地貌差别较大时，分区评价研究区域的墒情。

[0052] 如果研究区域的空间异质性不大，土壤容重BDi的取样数量取3～5个，利用公式：

[0053] BD＝ΣBDi×Si/ΣSi  (6)

[0054] 得到土壤容重的平均值。

[0055] 步骤4、使用土壤紧实度仪对每个取样点土层的土壤紧实度CI j(j＝1,2,...M)多次测试取平均值，将土壤紧实度CI j代入应用模型，得到土壤含水率θj(j＝1,2,...M)；每个取样点的土壤紧实度CIi和CI j采取多次测量的次数为3-5次。

[0056] 步骤5、利用面积加权平均值的方法，通过公式；

[0057] θ＝Σθj×Sj/ΣSj  (5)

[0058] 对研究区域的土壤含水率θ进行整体计算，以此评价研究区域的墒情。

[0059] 实例1：选取陕西省榆林市神东矿区的黄土沟壑区生态修复建设的示范基地，选取示范用地B区。该区坡度为4°，面积为8.77亩，全部种植玉米，播种量为1.5Kg/亩。试验地B1、B2、B3、BC分4种；每种实验地3个取样点，共12个小区。试验区的布置图见图2。本地区年平均降雨量约380mm，雨季多集中在7、8月份；年平均蒸发量为2111.2mm。

[0060] 试验选用6120型指针式土壤紧实度仪(测量范围：0～600psi，1psi＝6.89KPa)，选用3/4英寸直径圆锥头，分别于2013年9月3日，9月24日，10月28日对12个取样点的10～20cm土层，进行了土壤容重，紧实度和含水率的测量。

[0061] 表1为拟核得到的Ayers模型和Upadhyaya模型的待确定系数和相关系数。图3和4为两个模型模拟结果与实验值的对比图。从图3可以看出，Ayers模型模拟的含水率和土壤紧实度的关系曲线存在拐点，在拐点左右两侧，含水率和土壤紧实度分别是一种单调的正相关和负相关关系。从图4可以看出，Upadhyaya模型模拟的含水率和土壤紧实度是一种单调的负相关关系。

[0062] 从表1和图3，4可以看出，两个模型均对实验数据进行了很好的拟核，相关系数很高，可以作为该研究区域的模型。每次实验，通过对研究区域的12个取样点的土壤紧实度进行测量，及时得到不同取样点的土壤含水率及其空间分布；并且可以利用土壤含水率数据整体评价该研究区域的墒情。

[0063] 从上述实施例可以看出，本发明通过对现场取样点紧实度数据的获取，基于数学模型来快速获取区域尺度的土壤含水率数据，对土壤的破坏性较小，取样数量多，可有效的降低土壤空间异质性的影响，可应用于不同作物覆盖，土壤质地和地形地貌的地区。

[0064] 应当指出，对于工程管理和科研人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。

[0065] 表1 两个模型的待确定参数及相关系数

[0066]