CN112630271A

CN112630271A - 一种基于浓差电池监测土壤水分扩散的方法

Info

Publication number: CN112630271A
Application number: CN202011328680.1A
Authority: CN
Inventors: 邓欢; 周文丽; 周卓浩; 罗文彬; 李晨露; 钟文辉
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2040-11-24
Also published as: CN112630271B

Abstract

本发明公开了一种基于浓差电池监测土壤水分扩散的方法，属于环境检测技术领域。由于土壤中含有大量的Ca²⁺、K²⁺、Na²⁺等盐离子，当土壤进行滴灌或渗灌时，水分加入土壤的位置含水量高、盐离子浓度低，而水分扩散边缘土壤含水量低、盐离子浓度高，因此在土壤滴灌或渗灌的位置与水分扩散的边缘存在盐离子的浓度差，通过在土壤中构建浓差电池检测两者之间的浓差电压，即可作为在线监测土壤水分扩散范围和深度的信号。与现有的土壤水分扩散监测方法相比，本发明的监测方法具有成本低、操作简单、可在线连续监测的优势，弥补了已有检测方法的不足。

Description

一种基于浓差电池监测土壤水分扩散的方法

技术领域

本发明属于环境检测技术领域，具体涉及一种基于浓差电池监测土壤水分扩散的方法。

背景技术

我国人均水资源严重不足，而且有限的水资源分布不均，制约了农业生产，限制了粮食产量，因此提倡大力发展节水灌溉十分必要。节水灌溉主要包含滴灌、渗灌等措施，这些措施用水量少，一方面起到了节水的作用，但另一方面，有限的水分能否扩散到作物根系关系到节水灌溉措施的效果。不同地区的土壤理化性质存在较大差异，因此不同土壤的水分扩散范围和深度也不同。鉴于此，有必要监测和掌握不同土壤水分扩散的范围和深度，从而提高滴灌和渗灌的精准性和有效性，更好服务于粮食增产。

目前对于土壤水分扩散的监测主要通过目测观察浸润线、取土样烘干法测含水量、中子法等。这些方法存在明显的不足，如：人工观察浸润线耗时费力，且浸润深度不好观察；取土加热测含水量的方法耗费能源，加热等待时间久，无法在线连续监测，；而中子法存在成本较高的问题。因此，设计一种可在线连续监测土壤水分扩散的简便方法，意义重大。

发明内容

解决的技术问题：为了解决现有土壤水分扩散监测方法存在的种种不足，本发明提供一种基于浓差电池监测土壤水分扩散的方法。该方法具有成本低、操作简单、可在线监测的优势，而且监测过程不使用任何化学物质，有助于提高不同地区滴灌和渗灌的精准性和有效性，更好服务于粮食增产。

技术方案：一种基于浓差电池监测土壤水分扩散的方法，包括以下步骤：

步骤1，将基准电极垂直插入待测土壤中，然后以基准电极为中心向外延伸布设平面电极，平面电极插入土壤的深度与基准电极相同，再以基准电极为起点向下延伸布设深度电极，深度电极插入土壤的深度大于基准电极；

步骤2，将基准电极和平面电极通过导线连接，并串联电压记录设备，构成监测水平方向水分扩散的浓差电池，同样将基准电极和深度电极通过导线连接，并串联电压记录设备，构成监测垂直方向水分扩散的浓差电池；

步骤3，在插有基准电极的土壤处滴加溶液，当平面电极和基准电极串联的电压记录设备显示电压读数，即可说明水分在水平方向的扩散范围、速度和时间，当深度电极和基准电极串联的电压记录设备显示电压读数，即可说明水分在垂直方向的扩散范围、速度和时间。

进一步地，所述平面电极的数量至少为一根，平面电极之间的间距为0.1-20cm。

进一步地，所述深度电极的数量至少为一根，深度电极之间的间距为0.1-20cm。

进一步地，所述基准电极、平面电极、深度电极的形状为柱状或针状，材质为不锈钢、钛或石墨。

进一步地，所述导线的材质为铜、铝或钛。

进一步地，所述电压记录设备为万用表、数据采集卡或电化学工作站。

进一步地，所述平面电极插入土壤的方向为垂直或斜插。

进一步地，所述深度电极插入土壤的方向为垂直或斜插。

由于土壤中含有大量的Ca²⁺、K²⁺、Na²⁺等盐离子，当土壤进行滴灌或渗灌时，水分加入土壤的位置含水量高、盐离子浓度低，而水分扩散边缘土壤含水量低、盐离子浓度高，因此在土壤滴灌或渗灌的位置与水分扩散的边缘存在盐离子的浓度差，通过在土壤中构建浓差电池检测两者之间的浓差电压，即可作为在线监测土壤水分扩散范围和深度的信号。

与现有的土壤水分扩散监测方法相比，本发明的监测方法具有成本低、操作简单、可在线连续监测的优势，弥补了已有检测方法的不足。

有益效果：本发明能够实现原位在线监测滴灌和/或渗灌措施下，水分在土壤中的扩散范围和深度，从而提高节水灌溉的精准性和有效性。本发明还具有成本低、操作简单，以及不使用任何化学物质的优点。

附图说明

图1为实施例1中监测土壤水分扩散的实验室检测装置，其中：1为检测箱、2为基准电极、3为平面电极、4为深度电极、5为导线、6为电压记录设备万用表。

图2为实施例2中监测土壤水分扩散的装置，其中：1为基准电极、2为平面电极、3为深度电极、4为导线、5为电压记录设备万用表。

具体实施方式

目前对于土壤水分扩散的监测主要通过目测观察浸润线、取土样烘干法测含水量、中子法等，而这些方法均存在耗时费力、无法在线连续监测，本发明提供了一种基于浓差电池监测土壤水分扩散的方法。具体包括以下步骤：

步骤1，将基准电极垂直插入待测土壤中，然后以基准电极为中心向外延伸布设多根平面电极，平面电极和基准电极在土壤中的插入位置在同一水平直线，且平面电极插入土壤的深度与基准电极相同，再以基准电极为起点向下延伸布设多根深度电极，深度电极和基准电极在土壤中的插入位置在同一垂直线，且深度电极插入土壤的深度大于基准电极；

步骤2，将基准电极和平面电极通过导线连接，并串联电压记录设备，即可构成监测水平方向水分扩散的浓差电池，同样将基准电极和深度电极通过导线连接，并串联电压记录设备，即可构成监测垂直方向水分扩散的浓差电池；

步骤3，在插有基准电极的土壤处滴加溶液，如蒸馏水、自来水或植物营养液时，随着水分在水平方向和垂直方向的扩散，在土壤滴加溶液的位置与水分扩散的边缘会存在盐离子的浓差电压，通过平面电极和基准电极串联的电压记录设备显示的电压读数可以得知水分在水平方向的扩散范围、速度和时间，同样，通过深度电极和基准电极串联的电压记录设备显示电压读数，即可说明水分在垂直方向的扩散范围、速度和时间。

由于不同土壤水分扩散速度存在差异，因此多根平面电极之间的间距可根据实际需要来设定，对于水分扩散快的土壤，平面电极之间的间距较小，可以为0.1cm，对于水分扩散慢的土壤，平面电极之间的间距可大些，为20cm；同样，深度电极之间的间距，也可以为0.1-20cm。

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

如图1所示，本实施例在实验室构建了基于浓差电池的监测土壤水分扩散的装置，其中：1为检测箱、2为基准电极、3为平面电极、4为深度电极、5为导线、6为电压记录设备万用表，检测箱1为有机玻璃材质、边长6 cm的立方体。检测箱内装有待测土壤，土壤采集自河北省，土壤含水量为6.15%，质地为壤土，为典型北方农田旱地土壤。将200 g土壤装满检测箱后盖上顶盖。将基准电极从检测箱顶部垂直插入土壤中，深度0.5 cm。以基准电极为中心相距基准电极0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm和2.0 cm向外延伸布设4根电极作为平面电极，插入土壤中的深度与基准电极一致，均为0.5 cm；采用铜导线将每一根平面电极通过一个万用表与基准电极连接，水平方向的万用表依次为V1、V2、V3、V4。另外，将4根深度电极穿过检测箱侧壁孔洞插入土壤中，直到4根电极末端位于基准电极正下方0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm和2.0 cm处；采用铜导线将深度电极的每根电极通过一个万用表与基准电极连接，垂直方向的万用表依次为V5、V6、V7、V8。上述所用基准电极、平面电极和深度电极均为直径1 mm的钛丝，钛丝外包裹绝缘层，在插入土壤的电极末端为剪去绝缘层的3 mm长的裸露钛丝。

监测水分扩散时，将20滴蒸馏水从基准电极的位置连续滴入土壤中，此时，水分以基准电极为圆心向土壤四周扩散。加水之前，所有万用表均显示电压为0 mV。第一滴蒸馏水进入土壤后5秒时，V1显示电压为21.7 mV，表明水分平面扩散0.5 cm距离；11秒时，V2显示电压为29.2 mV，表明水分平面扩散1.0 cm距离；23秒时，V3显示电压为18.5 mV，表明水分平面扩散1.5 cm距离；V4始终显示电压为0 mV，表明水分平面扩散未达到2.0 cm距离；水分平面扩散过程中，通过电压判断的扩散范围与目测扩散范围一致。

第一滴蒸馏水进入土壤后4 秒时，V5显示电压为23.1 mV，表明水分扩散至0.5 cm深度；8 秒时，V6显示电压为26.4 mV，表明水分扩散至1.0 cm深度；12秒时，V7显示电压为27.6 mV，表明水分扩散至1.5 cm深度；17秒时，V8显示电压为26.9 mV，表明水分扩散至2.0cm深度。

实施例2

如图2所示，本实施例在田间构建了基于浓差电池的监测土壤水分扩散的装置，其中：1为基准电极、2为平面电极、3为深度电极、4为导线、5为电压记录设备万用表。田间检测地点位于江西省鹰潭市，土壤含水量为6.50%，质地为黏壤土，为典型南方农田旱地土壤。将基准电极垂直插入土壤中，深度0.5 cm。以基准电极为中心相距基准电极2.0 cm、4.0 cm、6.0 cm和8.0 cm向外延伸布设4根电极作为平面电极，插入土壤中的深度与基准电极一致，均为0.5 cm，采用铜导线将每一根平面电极通过一个万用表与基准电极连接。另外，将4根深度电极与地面保持45° 角插入土壤中，直到4根电极末端位于基准电极正下方2.0 cm、4.0 cm、6.0 cm和8.0 cm处，采用铜导线将深度电极的每根电极通过一个万用表与基准电极连接。上述所用基准电极、平面电极和深度电极均为直径1 mm的钛丝，钛丝外包裹绝缘层，在插入土壤的电极末端为剪去绝缘层的3 mm长的裸露钛丝。

监测水分扩散时，以1滴/秒的频率将蒸馏水从基准电极的位置连续滴入土壤中，共持续1小时。加水之前，所有万用表均显示电压为0 mV。第一滴蒸馏水进入土壤后15秒时，V1显示电压为17.1 mV，表明水分平面扩散2.0 cm距离；12分57秒时，V2显示电压为25.8mV，表明水分平面扩散4.0 cm距离；55分27秒时，V3显示电压为19.6 mV，表明水分平面扩散6.0 cm距离；V4始终显示电压为0 mV，表明水分平面扩散未达到8.0 cm距离；水分平面扩散过程中，通过电压判断的扩散范围与目测扩散范围一致。

第一滴蒸馏水进入土壤后14秒时，V5显示电压为15.2 mV，表明水分扩散至2.0 cm深度；11分38 秒时，V6显示电压为24.5 mV，表明水分扩散至4.0 cm深度；42分33秒时，V7显示电压为18.9 mV，表明水分扩散至6.0 cm深度；加入蒸馏水1小时内V8始终显示电压为0mV，表明水分未扩散至8.0 cm深度。

根据以上结果可知，当土壤进行滴灌或渗灌时，水分加入土壤的位置含水量高、盐离子浓度低，而水分扩散边缘土壤含水量低、盐离子浓度高，通过在土壤中构建浓差电池检测土壤滴灌或渗灌的位置与水分扩散的边缘的浓差电压，即可作为在线监测土壤水分扩散范围和深度的信号。本发明能够实现原位在线监测滴灌和/或渗灌措施下，水分在土壤中的扩散范围和深度，从而提高节水灌溉的精准性和有效性。

Claims

1.一种基于浓差电池监测土壤水分扩散的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤3，在插有基准电极的土壤处滴加溶液，当平面电极和基准电极串联的电压记录设备显示电压读数，即可说明水分在水平方向的扩散范围和时间，当深度电极和基准电极串联的电压记录设备显示电压读数，即可说明水分在垂直方向的扩散范围和时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述平面电极的数量至少为一根，平面电极之间的间距为0.1-20cm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述深度电极的数量至少为一根，深度电极之间的间距为0.1-20cm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基准电极、平面电极、深度电极的形状为柱状或针状，材质为不锈钢、钛或石墨。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述导线的材质为铜、铝或钛。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电压记录设备为万用表、数据采集卡或电化学工作站。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述平面电极插入土壤的方向为垂直或斜插。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述深度电极插入土壤的方向为垂直或斜插。