專利名稱：農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀。
背景技術(shù)：
我國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，水土流失分布范圍廣、面積大。據(jù)報(bào)道，我國(guó)的水土流失面積達(dá)356萬km2，占國(guó)土總面積的37%，侵蝕形式多樣，類型復(fù)雜，水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕及滑坡泥石流等重力侵蝕特點(diǎn)各異，相互交錯(cuò)，成因復(fù)雜。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年流失的土壤總量達(dá)50億t。長(zhǎng)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(dá)15. 6億t，黃河流域、黃土高原區(qū)每年進(jìn)入黃河的泥沙多達(dá)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(zhì)松軟易蝕，高強(qiáng)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(shè)破壞地表植被后不及時(shí)恢復(fù)，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(duì)當(dāng)?shù)睾秃恿飨掠蔚纳鷳B(tài)環(huán)境、生產(chǎn)、生活和經(jīng)濟(jì)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(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展，導(dǎo)致群眾生活貧困、生產(chǎn)條件惡化，阻礙經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。黨的十八大提出，建設(shè)中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)總體布局由經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會(huì)建設(shè)“四位一體”拓展為包括生態(tài)文明建設(shè)的“五位一體”，控制水土流失是生態(tài)文明建設(shè)的一個(gè)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(kuò)大林草種植面積、改善操場(chǎng)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(qiáng)，適合何種土壤進(jìn)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(cè)方式簡(jiǎn)陋，需要專業(yè)的人員來檢測(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，沒有一個(gè)很好的解決途徑。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述不足，本發(fā)明提供一種農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀，其包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、測(cè)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(jì)，壓力發(fā)生裝置用于給剪切箱作用力，并測(cè)定該作用力大小，所述測(cè)距裝置用于測(cè)量剪切箱的位移。為使測(cè)定更加簡(jiǎn)易化，本發(fā)明測(cè)定儀還包括處理器和顯示器，所述壓力計(jì)將實(shí)時(shí)壓力值傳送給處理器，所述測(cè)距裝置將實(shí)時(shí)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(dāng)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(chǔ)器，用于存儲(chǔ)測(cè)定的數(shù)據(jù)。此外存儲(chǔ)器中還可以預(yù)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(cè)的土壤，使剪切箱中的土壤整體移動(dòng)，從而下層土壤和上層土壤之間整體發(fā)生相對(duì)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(hào)，例如長(zhǎng)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(duì)固土能力的檢測(cè)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(cè)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(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀可以直觀地檢測(cè)農(nóng)作物固土能力。進(jìn)一步，本發(fā)明提供農(nóng)作物固土能力測(cè)定方法，該方法通過上述的農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀測(cè)定農(nóng)作物根系所在土壤在所述原位測(cè)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(dāng)然可以通過預(yù)置規(guī)則，直接判讀出農(nóng)作物的固土能力。在檢測(cè)時(shí)還包括在同等條件下測(cè)定不含農(nóng)作物根系的土壤在所述原位測(cè)定儀作用下的壓力值和位移值作為對(duì)照。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀可以簡(jiǎn)便快速地測(cè)定作物根系土壤的力學(xué)情況，通過對(duì)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(cè)定儀的使用無需專業(yè)知識(shí)，適合推廣應(yīng)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(diǎn)。圖2為本發(fā)明測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)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(jì)，5為測(cè)距裝置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明運(yùn)用于坡耕地農(nóng)作物根系的測(cè)定，以期采用量化的數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)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(guān)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(xué)特性的相互作用。完整的F— S曲線反映了以下三個(gè)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(diǎn)(此點(diǎn)范圍內(nèi)根系與土壤之間發(fā)生的是彈性形變，簡(jiǎn)稱Fl)。屈服拉力點(diǎn)(根系與土壤的相互作用由彈性形變?yōu)橹鬟M(jìn)入以塑性形變?yōu)橹鞯呐R界點(diǎn)，簡(jiǎn)稱F2)?？估瓨O限點(diǎn)(根系水平抵抗滑坡的極限點(diǎn)，簡(jiǎn)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(dòng)的距離。由測(cè)距裝置測(cè)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(shí)載荷較小，載荷與形變呈線形變化。其中此階段又包括兩個(gè)特征點(diǎn)F1和F2。Fl為比例極限點(diǎn)，在此點(diǎn)范圍內(nèi)對(duì)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(rèn)為根系與土壤之間發(fā)生的是彈性形變，此CN 102944475 A
書
明
說
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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(fù)原來在土壤中的狀態(tài)。此時(shí)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(jié)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(dāng)停止外力作用后根系和土壤都能恢復(fù)原位。F2為屈服拉力點(diǎn)，它可被認(rèn)為是根系與土壤的相互作用由彈性形變?yōu)橹鬟M(jìn)入以塑性形變?yōu)橹鞯呐R界點(diǎn)。 (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(dāng)大到超過b點(diǎn)時(shí)，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(jié)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(dòng)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(dòng)。此時(shí)如果停止外力作用，根系已不在恢復(fù)原位，但全部根系未被拉出土體。其中的特征點(diǎn)F3為抗拉極限點(diǎn)，在此點(diǎn)可以認(rèn)為根系本身和土壤都達(dá)到塑性形變狀態(tài)，施加給土墩的拉力稍有增加根系就會(huì)產(chǎn)生較大的位移，此點(diǎn)為根系水平抵抗滑坡的極限點(diǎn)。(3)蠕變階段及完全破壞階段對(duì)應(yīng)于F— S曲線的Cd部分，此階段根系本身和土壤都達(dá)到塑性形變狀態(tài)。根系在拉力增加的過程中會(huì)出現(xiàn)兩種情況一是根系被拉出，二是根系被拉斷。當(dāng)被拉出時(shí)，是根系在進(jìn)入塑性形變階段后，根系抗拉已達(dá)到強(qiáng)度峰值，此峰值會(huì)維持一段時(shí)間，隨后根系被完全拉出。當(dāng)被拉斷時(shí)，是根系在進(jìn)入塑性形變階段后，由于其根端阻力作用，會(huì)出現(xiàn)根系應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象，而根系被拉出的位移較小，當(dāng)拉力達(dá)到峰值的瞬間根系被拉斷。此階段的特征點(diǎn)F4為破壞拉力點(diǎn)，到此點(diǎn)時(shí)根系被完全破壞，此點(diǎn)在根系抵抗土體滑動(dòng)時(shí)沒有任何實(shí)際意義，但具有一定的理論意義。從開始對(duì)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(qiáng)。本發(fā)明基于原位剪切的原理設(shè)計(jì)出一套符合農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀，該儀器包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、測(cè)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(duì)于農(nóng)作物根土的拉力)，壓力發(fā)生裝置上具有壓力計(jì)，壓力發(fā)生裝置用于給剪切箱作用力，并測(cè)定該作用力大小，測(cè)距裝置用于測(cè)量剪切箱的位移。測(cè)定儀還可包括處理器和顯示器，壓力計(jì)將實(shí)時(shí)壓力值傳送給處理器，測(cè)距裝置將實(shí)時(shí)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(dāng)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(chǔ)器，用于存儲(chǔ)測(cè)定的數(shù)據(jù)。剪切箱用于固定待測(cè)的土壤，使剪切箱中的土壤整體移動(dòng)，從而下層土壤和上層土壤之間整體發(fā)生相對(duì)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(hào)，例如長(zhǎng)寬高為30cm的剪切箱。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例I如圖2所示，本發(fā)明農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀包括剪切箱I、壓力發(fā)生裝置2、固定裝置3、測(cè)距裝置5，在所述壓力發(fā)生裝置上具有壓力計(jì)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(zhǎng)X寬X深=30. OcmX 30. OcmX 10. Ocm,用于選定土墩樣方的固定，以便測(cè)定在設(shè)定負(fù)荷下土墩樣方的位移。剪切箱的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮農(nóng)作物和草本植物的根系生長(zhǎng)狀況，使測(cè)定結(jié)果能真實(shí)反映根系對(duì)土壤的固定能力。壓力發(fā)生裝置可產(chǎn)生額定拉力20T，測(cè)距裝置的精度達(dá)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(dòng)。在使用時(shí)，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I(lǐng)Ocm和20cm的小溝，使剪切箱的上邊緣與地面相持平。把相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)挖空，一側(cè)約20cm左右。在其中一側(cè)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(cè)距裝置觀測(cè)土方的位移。操作壓力發(fā)生裝置，使剪切箱中根系復(fù)合體在壓力發(fā)生裝置的作用下，產(chǎn)生作用力進(jìn)行移動(dòng)，并間斷性地記錄壓力計(jì)的讀書和相應(yīng)的位移，直至樣方土墩達(dá)到滑動(dòng)，記錄位移值。在檢測(cè)時(shí)還包括在同等條件下測(cè)定不含農(nóng)作物根系的土壤在所述原位測(cè)定儀作用下的壓力值和位移值作為對(duì)照。另外，還可以借助電子彈簧秤等工具測(cè)定單根拉力。實(shí)施例2本例中的農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀與實(shí)施例I相類似，除包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、固定裝置、測(cè)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(jì)(壓力傳感器)將實(shí)時(shí)壓力值傳送給處理器，測(cè)距裝置(如位移傳感器)將實(shí)時(shí)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(dāng)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(jìn)一步包括存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)測(cè)定的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器中還可以預(yù)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(qiáng)。通過預(yù)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(chǔ)，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(guān)參數(shù)和能力。從而使普通工人即可具備測(cè)定農(nóng)作物固土作用的能力。
權(quán)利要求
1.農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀，其包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、測(cè)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(jì)，壓力發(fā)生裝置用于給剪切箱作用力，并測(cè)定該作用力大小，所述測(cè)距裝置用于測(cè)量剪切箱的位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測(cè)定儀，其特征在于，還包括處理器和顯示器，所述壓力計(jì)將實(shí)時(shí)壓力值傳送給處理器，所述測(cè)距裝置將實(shí)時(shí)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(dāng)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(quán)利要求2所述的測(cè)定儀，其特征在于，還包括存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)測(cè)定的數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求f3任一項(xiàng)所述的測(cè)定儀，其特征在于，所述剪切箱為中空體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)定儀，其特征在于，所述剪切箱高度為l(T30cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求f3任一項(xiàng)所述的測(cè)定儀，其特征在于，所述測(cè)距裝置的精度為I μ m。
7.權(quán)利要求I飛任一項(xiàng)所述的農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀在檢測(cè)農(nóng)作物固土能力上的應(yīng)用。
8.農(nóng)作物固土能力測(cè)定方法，該方法通過權(quán)利要求廣6任一項(xiàng)所述的農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀測(cè)定農(nóng)作物根系所在土壤在所述原位測(cè)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(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括在同等條件下測(cè)定不含農(nóng)作物根系的土壤在所述原位測(cè)定儀作用下的壓力值和位移值作為對(duì)照。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀，其包括剪切箱、壓力發(fā)生裝置、測(cè)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(jì)，壓力發(fā)生裝置用于給剪切箱作用力，并測(cè)定該作用力大小，所述測(cè)距裝置用于測(cè)量剪切箱的位移。本發(fā)明還提供了其在檢測(cè)農(nóng)作物固土能力中的應(yīng)用。利用本發(fā)明農(nóng)作物根土復(fù)合體固土力學(xué)原位測(cè)定儀可以簡(jiǎn)便快速地測(cè)定作物根系土壤的力學(xué)情況，通過對(duì)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(hào)G01N3/08GK102944475SQ20121049921
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:云南農(nóng)業(yè)大學(xué)