[发明专利]一种测定土壤热特性和水分特征的系统和方法

说明书

本发明涉及一种测定土壤热特性和水分特征的系统和方法。该系统包括：测量装置和上位机。测量装置用于测量土壤的温度和含水量；上位机与测量装置连接，用于根据土壤的温度和含水量确定土壤的热特性和土壤的水分特征，并且给出了测量装置的具体结构。本发明提供的测定土壤热特性和水分特征的系统和方法解决了传统方法不能够同时测定土壤热特性和水分特征曲线的问题，同时具有原位自动监测、精度高、使用便捷、成本低等特点。

技术领域

本发明涉及农田土壤物理性质测量领域，特别是涉及一种测定土壤热特性和水分特征的系统和方法。

背景技术

土壤是基本的农业生产资料，为作物提供养分水分等载体。土壤的温度、热特性(包括热导率、容积热容量、热扩散率)、水分特征曲线(包括含水量和基质势)对种子萌发，根系活动，作物生长发育及土壤中一系列物理、生物、化学过程密切相关。并且，土壤的温度、热特性、水分特征曲线等也是衡量农作物生长状况及制定农田水肥管理方案等农业实践所需要的关键指标。然而，目前尚无方法可以同时获取土壤的热特性、温度、含水量和基质势等参数，给相关农业管理带来不便。

热脉冲技术(heatpulse method)是目前应用最广泛，也是唯一能够实现室内和野外连续、快速、准确测定土壤热特性的技术(He et al.,2018)。热脉冲技术测定土壤热特性的原理是通过监测短时线性热源在土壤传输过程产生的温度场变化特征，在距离热源一定距离某处的土壤温度随时间的变化特征取决于土壤的热特性。因此可以根据监测土壤温度变化对短时线性热源的响应特征来计算土壤的热特性。除此之外，热脉冲技术还能同时测定土壤的温度状况。

土壤水势(基质势)的测定方法很多，田间测量方法主要包括张力计法、热扩散、热电偶湿度计等。其中，热电偶湿度计适用于含水量很小或基质势很大时应用。张力计法和热扩散法都是根据多孔介质(如陶瓷或石膏)与土壤达到平衡状态时计算土壤的基质势，它们的主要区别在于张力计一般需要人工读数，而热扩散法可以自动读数，省时省力。但他们的缺点都是不能直接够测定多孔介质中的含水量。Noborio et al.(1999)的研究表明结合时域反射(time domainreflectometry,TDR)和石膏可以用于同时测定土壤的含水量和基质势，而Reece(1996)的研究表明改进后的热扩散探头(thermal dissipation sensor)可以通过测定陶瓷盘3的热导率来反推土壤的基质势。此外，热扩散法测定土壤基质势的原理与热脉冲法测定土壤热特性的原理一致。

这些研究表明，通过结合热脉冲法或热扩散法、多孔介质、时域反射技术可用于同时测定土壤的热导率、容积热容量、热扩散率、温度、含水量和基质势等特征。但是，如何耦合这些技术来实现这个目的是有待解决的一项关键技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够耦合热脉冲法或热扩散法、多孔介质、时域反射法等技术的用于测定土壤热特性和水分特征的系统和方法，以达到提高测定土壤热特性和水分特征准确性的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种测定土壤热特性和水分特征的系统，包括：

测量装置，用于测量土壤的温度和含水量；

上位机，与所述测量装置连接，用于根据所述土壤的温度确定土壤的热特性，并根据所述含水量确定土壤的水分特征；

所述测量装置包括：

探针，用于加热土壤，并用于探测土壤温度信息；

多个热敏电阻，固定于所述探针上，用于测量土壤的温度；

开设有多个孔的陶瓷盘，用于固定所述探针；

重量传感器，用于测量所述陶瓷盘的重量；