一种测定土壤三相比的装置及使用该装置测定土壤三相比的方法

技术领域

本发明属于农业、林业和园艺生产技术领域，具体涉及一种测定土壤三相比 的装置及使用该装置测定土壤三相比的方法。

背景技术

土壤是农业、林业和园艺生产中的基本要素。2008年，我国现代玉米产业 技术体系对全国玉米各个主产区的农田土壤进行调查，发现耕层土壤质量变差已 经成为影响我国玉米生产能力的主要障碍因素。

围绕提高耕层土壤质量这一目标，国内外农业科研工作者开展大量研究工 作。曾德超较早对农田土壤三相比进行研究，认为土壤由固相、液相、气相三种 物质构成，性态介于固体和液体之间的颗粒性半无限介质，土壤三相之间相互联 系、转化、制约是一个不可分割的整体，在功能上构成土壤肥力的物质基础，不 同三相比率的土壤其肥力水平不同。土壤三相交替表面上的土壤养分是能够被作 物根系直接吸收利用的速效养分，而土壤中各种速效养分的数量直接影响农作物 的生长发育、产量和品质。一般情况下，适宜作物生长的土壤三相比为固相:液 相:气相＝50:25:25，调节合理土壤三相比为作物生长提供良好的水、热、气、肥 条件是土壤结构改良的最终目的。

长期以来，土壤结构的评价一般都采用土壤的容重、硬度、机械组成、孔隙 度、湿度等单、双相指标来描述，这些指标往往会受到土壤质地和比重不同的影 响而限制其在评价土壤结构方面的效果。土壤三相比用固相、液相、气相所占土 壤的比例来表示土壤质量，在整体上描述土壤的物理性状，受其他因素的干扰较 少，在评价土壤结构变化方面明显优于其他指标。但是，目前测定土壤三相比的 方法比较繁琐，尤其是涉及土壤密度的测定，系统误差较大，限制该指标在农田 土壤物理性质研究领域中的应用。

以往测定土壤三相比性状时，首先要测定出来土壤样品的密度、容重、孔隙 度、水分含量，然后折算出土壤三相比。若能找到一种直接读出土壤样品中水和 气体的体积，实现简化土壤三相比指标测定方法的目标，这将能够推动农田土壤 物理性状的研究向前发展。

综上所述，针对土壤三相比指标，目前需要有一种简便的测定手段用于农业 科研和生产。

发明内容

为了克服现有技术的不足而提供一种测定土壤三相比的装置及使用该装置 测定土壤三相比的方法，本发明具有简便、准确等优点，特别适合对不同质地土 壤样品土壤三相比指标的测定，能够使土壤三相比这一指标被广泛地应用于土壤 科研工作中。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种测定土壤三相比的装置，它包括环刀、烘箱、U型管和量 筒，所述环刀上设有密封上盖和密封下盖，环刀置于烘箱中；所述U型管设置 在烘箱的外侧，U型管中载满水，U型管的一端与环刀的密封上盖之间设有导管 I，导管I分别与U型管、环刀的内部相通，U型管的另一端设有导管II，导管 II的一端与U型管相通，导管II的另一端伸入至量筒的底部。

所述量筒竖直置于透明容器中。

一种使用所述的测定土壤三相比的装置测定土壤三相比的方法，包括如下步 骤：

(1)装置的搭建：将取有土样的环刀用密封上盖和密封下盖将环刀密封好 置于烘箱中，将导管I的一端依次穿过烘箱侧孔和密封上盖伸入至环刀内部的土 壤上部，将导管I的另一端与载满水的U型管的一端连通，U型管的另一端连有 导管II，导管II的另一端与伸入至量筒的底部；

(2)将步骤(1)中的烘箱温度设置为103℃～107℃，保持24小时，然后 阻断导管I，停止加热；加热过程中，环刀内土壤样品受热，水转化为水蒸气和 土壤空气沿着导管I进入U型管，空气聚集在U型管顶部，而水蒸气则液化为 水，U型管内的水在土壤空气和水蒸气的作用下通过导管II流入量筒中，U型管 中收集的气体即为土壤中所含的气体，水的增加量即为土壤样品中水的含量；

(3)土壤样品三相比数据的分析：

环刀内土壤样品液相的计算方法为，设U型管容积为V0，量筒内收集液体 体积为V2，U型管内剩余液体体积为V3，环刀容积为V_环刀，则环刀内土壤样 品的液相为：

V_液相＝(100×(V3+V2-V0))/V_环刀

环刀内土壤样品气相的计算方法为，设U型管两端液面高度差为H,大气压 强为P,U型管内收集气体体积为V1,则环刀内土壤样品的气相为：

V_气相＝(100×(V1×(P+9.8H))/P)/V_环刀

环刀内土壤样品固相的计算方法为：

V_固相＝100-V_液相-V_气相。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提出一套简便、可行的土壤三相比数据测定方法，具备适用农业科研 人员对试验中所取得的土壤样品进行测定的特点。

附图说明

图1是本发明方法与旧方法分别测定土壤三相比数据结果；

图2是本发明测定土壤三相比的装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详细描述，但是并不限制本发明的内容：

用2015年玉米成熟期在信阳农林学院附近6块生态类型不同的农田中取样， 每块农田取6个土壤样品；其中3个土壤样品用以往测定土壤三相比的方法即为 旧方法测定，另外3个土壤样品用本专利提出的方法测定即为新方法。

对比例1

采用旧方法对土壤三相比测定的方法

第一步.环刀法测定土壤容重，测定出土壤容重和土壤水分含量

1、仪器：环刀(容积为100cm³)、天平(感量0.1g和0.01g)、烘箱、环刀 托、削小刀、小铁铲、铝盒、钢丝锯、干燥器等。

2、操作步骤：先在田间选择挖掘土壤剖面的位置，然后挖掘土壤剖面，观 察面向阳；挖出的土放在土坑两边，挖的深度一般是1米，如只测定耕作层土壤 容重，则不必挖土壤剖面，用修土刀修平土壤剖面，并记录剖面的形态特征，按 剖面层次分层采样，每层重复3个；将环刀托放在已知重量的环刀上，环刀内壁 稍涂上凡士林，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满样品为止；若 土层坚实，可用手锄慢慢敲打，环刀压如时要平稳，用力一致；用修土刀切开环 刃周围的土样，取出已装上的环刀，削去环刀两端多余的土，并擦净外面的土， 同时在同层采样处用铝盒采样，测定自然含水量；把装有样品的环刀两端立即加 盖，以免水分蒸发，随即称重(精确到0.01g)，并记录；将装有样品的铝盒烘干 称重(精确到0.01g)，测定土壤含水量，或者直接从环刀筒中取出样品测定土壤 含水量。

3、结果计算：V-环刀容积(cm³)；W-土壤水分含量(％)；G-环刀内干 样重(g)；

按下式计算土壤容重：R＝G/V(g/cm³)

土壤水分含量(％)＝(烘干前带土环刀重－烘干后带土环刀重)/(烘干后 带土环刀重－环刀重)×100；

第二步比重瓶法测定出土壤比重

1.仪器：天平(0.001g)；比重瓶(容积50mL)；电热板；干燥器；烘箱。

2.操作步骤：(1)称取通过1mm筛孔的风干土样约10g(精确至0.001g)， 倒入50mL的比重瓶内，另称10.0g土样测定吸湿水含量，测定出比重瓶内的烘 干土样重m_s；(2)向装有土样的比重瓶中加入蒸馏水，至瓶内容积的1/3～1/2， 然后缓慢摇动比重瓶，驱逐土壤中的空气，使土样充分湿润，与水均匀混合； (3)将比重瓶放于电热板上加热，保持沸腾1h，煮沸过程中要经常摇动比重瓶， 驱逐土壤中的空气，使土样和水充分接触混合；(4)取下比重瓶，冷却，再把预 先煮沸排除空气的蒸馏水加入比重瓶，至比重瓶水面略低于瓶颈为止，待比重瓶 内悬液澄清且温度稳定后，加满已经煮沸排除空气并冷却的蒸馏水，然后塞好瓶 塞，用滤纸擦干后称重(精确到0.001g)，同时用温度计测定瓶内的水温t1(准 确到0.1℃)，求得mbws1。

3.结果计算：土壤比重:ρ_s＝(m_s/(m_s+m_bw1-m_bws1))×ρ_w1

式中：ρ_s—土壤比重，g.cm^-3；m_s—烘干土样质量，g；m_bw1—t₁℃时比重瓶 +水质量，g；m_bws1—t₁℃时比重瓶+水质+土样量，g。

第三步：计算土壤三相比

1.土壤孔隙度(％)＝(1－容重/比重)×100

2.土壤固相＝100×(1－土壤孔隙度)

3.土壤液相＝100×土壤含水率；

4.土壤气相＝100×(土壤孔隙度－土壤含水率)

土壤三相比为土壤固相：土壤液相：土壤气相＝100×(1－土壤孔隙度)：100 ×土壤含水率：100×(土壤孔隙度－土壤含水率)

实施例1

本发明提供了一种测定土壤三相比的装置，它包括环刀、烘箱、U型管和量 筒，所述环刀上设有密封上盖和密封下盖，环刀置于烘箱中；所述U型管设置 在烘箱的外侧，U型管中载满水，U型管的一端与环刀的密封上盖之间设有导管 I，导管I分别与U型管、环刀的内部相通，U型管的另一端设有导管II，导管 II的一端与U型管相通，导管II的另一端伸入至量筒的底部。

一种使用上述的测定土壤三相比的装置测定土壤三相比的方法，包括如下步 骤：

(1)装置的搭建：用环刀在剖面坑中取土，将露出环刀部分的土壤用工具 刀削平，将取有土样的环刀用密封上盖和密封下盖将环刀密封好置于烘箱中，将 导管I的一端依次穿过烘箱侧孔和密封上盖伸入至环刀内部的土壤上部，将导管 I的另一端与载满水的U型管的一端连通，U型管的另一端连有导管II，导管II 的另一端与伸入至量筒的底部，检测装置的气密性，直到装置不漏气为止；

(2)将步骤(1)中的烘箱温度设置为103℃～107℃，保持24小时，然后 阻断导管I，停止加热；加热过程中，环刀内土壤样品受热，水转化为水蒸气和 土壤空气沿着导管I进入U型管，空气聚集在U型管顶部，而水蒸气则液化为 水，U型管内的水在土壤空气和水蒸气的作用下通过导管II流入量筒中，U型管 中收集的气体即为土壤中所含的气体，水的增加量即为土壤样品中水的含量；

(3)土壤样品三相比数据的分析：

环刀内土壤样品液相的计算方法为，设U型管容积为V0，量筒内收集液体 体积为V2,U型管内剩余液体体积为V3,环刀容积为V_环刀，则环刀内土壤样品的 液相为：

V_液相＝(100×(V3+V2-V0))/V_环刀

环刀内土壤样品气相的计算方法为，设U型管两端液面高度差为H,大气压 强为P,U型管内收集气体体积为V1,则环刀内土壤样品的气相为：

V_气相＝(100×(V1×(P+9.8H))/P)/V_环刀

环刀内土壤样品固相的计算方法为：

V_固相＝100-V_液相-V_气相。

采用对比例方法即为旧方法与本发明方法即为新方法这两种方法测得的土 壤三相比数据，试验结果见表1：

表1、两种方法测得的土壤三相比数据

由图1和图2可以看出，两种方法测得土壤固相、液相和气相数据走势基本 一致，其中气相和液相数据尤为接近，而土壤固相数据差异较大，这与环刀取土 过程中的误差和测定过程中的系统误差有关，上述数据能够证明，本发明所提出 测定土壤三相比数据的新方法能够在科研和生产上应用。

对本领域技术人员来说，可以根据上述说明加以改进，而所有这些改进都应 属于本发明所附权利要求的保护范围。