本发明属于土壤水分特征参数测定，具体涉及一种基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法。
背景技术：
1、众所周知，在农业工程和土壤学领域中，涉及诸多表征土壤水分特征的参数，比如田间持水量、含水量、吸湿系数等。然而，现阶段能够表征土壤水分保持能力的参数主要是田间持水量，为了获得土壤的水分保持能力，需要测定土壤的田间持水量。
2、田间持水量是指土壤中悬着毛管水达到最大量时的土壤含水量，是土壤不受地下水影响所能保持水量的最大值。田间持水量是每种类型土壤都具有的特性常数，是一个固定值，而土壤的含水量是一个动态的变化值，所以测定田间持水量只能获得土壤含水量的某一固定值，而不能实时观测土壤含水量的动态变化情况，也不能预测土壤何时处于干旱状态，何时需要及时补水。
3、在农业工程和土壤学领域的现有技术中，从未有专家学者提出土壤水分保持系数这一参数，而对于土壤水分保持系数的测定方法更是空白。土壤水分保持系数可认为是定量表征单位时间内水分从土壤内部迁移至表层并挥发至空气中的情况，简而言之，土壤水分保持系数越大，意味着水分越难以从土壤深层挥发至空气中，越能够保持在土壤内部，从而增强了土壤的水分保持能力。土壤从它吸满水分(也即土壤达到饱和状态)之后开始失水，在整个失水过程中，根据土壤位置(也即土壤深度)的不同、失水时间点的不同，则土壤的含水量就会不同，土壤的水分保持系数也会不同，可见土壤水分保持系数是一个变量。
4、为了更加全面的分析土壤的水分保持能力，有必要对土壤水分保持系数进行测定与分析，这对评定土壤水分保持能力和判断土壤干旱情况具有重要的参考价值，因此需要开发一种土壤水分保持系数的测定方法，该测定方法基于核磁共振技术(简称nmr技术)，同时在测定方法中建立精准的土壤水分保持能力的数学模型，进而预测土壤是否处于干旱状态，是否需要及时补水，使土壤保持合适的含水量。
5、申请公布号为cn113030431a的发明专利公开了一种土壤田间持水量的测定方法及系统，包括以下步骤：构建含水率时序数据集；根据土壤水分变化状态、土体饱和状态，确定单次饱和退水区间作为时间序列变化数据集；对时间序列变化数据集中的数据进行两次相邻点斜率计算，获取土壤含水量二次斜率数据集；在相邻时刻的土壤含水量二次斜率差值绝对值小于预设阈值的土壤含水量作为田间持水量。
6、申请公布号为cn110909467a的发明专利公开了一种三维土壤田间持水量预测方法及系统，包括以下步骤：获取多个采样点的土壤样本和多个环境数据；根据各采样点的土壤样本，确定多个土壤田间持水量；根据各土壤田间持水量，建立土壤田间持水量深度分布函数模型；根据土壤田间持水量深度分布函数模型，确定采样点的土壤田间持水量深度分布函数模型参数；根据采样点的土壤田间持水量深度分布函数模型参数和环境数据，预测非采样点的土壤田间持水量深度分布函数模型参数；根据非采样点的土壤田间持水量深度分布函数模型参数和土壤田间持水量深度分布函数模型，确定非采样点土壤田间持水量预测值。
7、上述两项专利技术都是针对固定常数田间持水量进行测定或预测，主要是提高田间持水量的测定准确度或预测准确度，但是田间持水量作为一个固定值，无法实时观测土壤含水量的动态变化，也无法预测土壤何时处于干旱状态、何时需要及时补水，因此本发明提出了土壤水分保持系数这一变量参数，并探索土壤水分保持系数的测定方法。
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，所述测定方法按照先后顺序包括以下步骤：
2、步骤一：按照设计要求制备土壤试样，并将土壤试样放入第一试样模具中；将装有土壤试样的第一试样模具浸泡于盛有蒸馏水的容器中进行吸水，每隔一定时间后，从容器中取出第一试样模具，再从第一试样模具中取出土壤试样，并对土壤试样进行称重，直至土壤试样的质量不再增加，此时终止吸水过程，并记录土壤试样吸水后的质量；将吸水后的土壤试样放入烘箱中进行烘干，每隔一定时间后，从烘箱中取出土壤试样，并对土壤试样进行称重，直至土壤试样的质量不再减少，此时终止烘干过程，并记录土壤试样烘干后的质量；根据土壤试样吸水后的质量和土壤试样烘干后的质量计算土壤试样的饱和含水量，同时根据土壤试样的类型设计补偿含水量，最后将饱和含水量与补偿含水量之和作为后续土壤水分保持试验的总滴水量；
3、步骤二：按照设计要求制备与步骤一具有相同类型和相同大小的土壤试样，将土壤试样放入烘箱中进行烘干，每隔一定时间后，从烘箱中取出土壤试样，并对土壤试样进行称重，直至土壤试样的质量不再减少，此时终止烘干过程；将烘干后的土壤试样放入第二试样模具中，并盖上密封盖，自然冷却至室温；
4、步骤三：打开密封盖，露出土壤试样的顶面，每隔一定时间后，在土壤试样的顶面滴入一定质量的蒸馏水，并将蒸馏水均匀平铺在土壤试样的顶面上，直至将总滴水量的蒸馏水全部滴入土壤试样中，此时终止滴水过程，每次滴完蒸馏水后均使用塑料薄膜进行密封；
5、步骤四：待总滴水量的蒸馏水全部滴入土壤试样后，让土壤试样在第二试样模具中静置吸水，每隔一定时间后，从第二试样模具中取出土壤试样，并对土壤试样进行称重，直至土壤试样的质量不再增加，此时土壤试样达到饱和含水量状态，终止吸水过程，并记录土壤试样达到饱和含水量状态后的质量，每次称重前均将土壤试样外表面附着的水滴擦拭干净，每次称重后静置吸水时均使用塑料薄膜进行密封；将第二试样模具内部残留的水分擦拭干净，并将达到饱和含水量状态后的土壤试样放回第二试样模具中，不需要密封，使土壤试样的顶面暴露在空气中；
6、步骤五：将装有土壤试样的第二试样模具放置在室内环境中进行失水，并测量不同失水时间后土壤试样的质量；
7、步骤六：在前述步骤的操作过程中，将步骤二中烘干后的土壤试样、步骤四中不同吸水时间后的土壤试样、步骤五中不同失水时间后的土壤试样分别放入低场核磁共振仪中，并运用一维频率编码技术测定土壤试样中不同位置的氢原子信号量，然后对采集的氢原子信号量进行归一化处理，得到土壤试样中水分在几何空间上的分布状态；
8、步骤七：根据传递理论、菲克定律以及所获得的土壤试样中水分在几何空间上的分布状态，建立土壤水分保持系数的计算模型，通过计算模型即可获得土壤水分保持系数。
9、优选的是，步骤一中，所述土壤试样为圆柱形，其直径为50mm、高度为50mm；所述第一试样模具为圆筒形，其顶部开口、底部采用透水石、侧壁密封，所述第一试样模具的内腔直径略大于50mm、内腔高度为50mm；将装有土壤试样的第一试样模具浸泡于盛有蒸馏水的容器中，确保第一试样模具的顶部边缘比容器中的蒸馏水液面高1-2mm。
10、在上述任一方案中优选的是，步骤一中，在吸水过程中，每浸泡4-8h后取出土壤试样进行称重；在烘干过程中，烘干温度为100-110℃，每烘干4-6h后取出土壤试样进行称重；土壤试样的饱和含水量等于土壤试样吸水后的质量与土壤试样烘干后的质量之差；土壤试样的补偿含水量为其饱和含水量的5-10％。
11、在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所述土壤试样为圆柱形，其直径为50mm、高度为50mm；所述第二试样模具为圆筒形，其顶部开口、底部密封、侧壁密封，所述第二试样模具的内腔直径略大于50mm、内腔高度比土壤试样高4-6mm；在烘干过程中，烘干温度为100-120℃，每烘干4-6h后取出土壤试样进行称重。
12、在上述任一方案中优选的是，步骤三中，在滴水过程中，每隔4-6min向土壤试样的顶面滴入3-7g蒸馏水。
13、在上述任一方案中优选的是，步骤四中，在吸水过程中，每静置8h后取出土壤试样进行称重。
14、在上述任一方案中优选的是，步骤五中，所述室内环境的温度为25℃、相对湿度为60％；在失水过程中，分别测量失水8h、失水24h、失水72h、失水168h、失水312h后土壤试样的质量。
15、在上述任一方案中优选的是，步骤六中，对采集的氢原子信号量进行归一化处理，归一化处理模型为式中：
16、x——土壤试样归一化前的氢原子信号量；
17、xnew——土壤试样归一化后的氢原子信号量；
18、xmin——土壤试样氢原子信号量的最小值；
19、xmax——土壤试样氢原子信号量的最大值。
20、本发明运用低场核磁共振设备的一维频率编码技术，针对不同的土壤类型，在其吸水与失水的不同阶段，能够详细测定水分在几何空间中的分布状态，同时能够直观地展示不同失水时间、不同土壤位置中氢原子信号幅度的分布情况，也即土壤中水分的分布情况。经过归一化处理后，将数据结果限定在0-1的范围内，以确保氢原子信号量能够进行纵向比较和横向比较。
21、在上述任一方案中优选的是，步骤七中，所述土壤水分保持系数的计算模型为式中：
22、d——土壤水分保持系数，m2/s；
23、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
24、t——失水时间，s；
25、w(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的含水量，升；
26、wj——在失水时间t后土壤初始位置的含水量，也即在失水时间t后土壤中z＝0位置的含水量，升。
27、在上述任一方案中优选的是，步骤七中，通过土壤水分保持系数的计算模型可以计算得到特定失水时间、特定土壤位置的土壤水分保持系数，然后通过origin软件进行数据拟合，得到决定系数较大的拟合方程，再根据拟合方程可以计算得到任意失水时间、任意土壤位置的土壤水分保持系数。
28、本发明中，土壤水分保持系数计算模型的推演过程非常关键，以下进行详细阐述。通过土壤水分保持试验，可以得到水分在不同失水时间下的分布规律。土壤中z＝0的位置，也即土壤的初始位置，xoy面为失水面。由于土壤在吸水过程中，通过吸收此面的水分来达到自身水分的储备，在失水过程中又仅通过此面与外界进行交换，失去体系内的水分，因此只考虑水分从此面进行迁移。失水面积为a，取任意一个薄层进行研究，其厚度为δz，体积为aδz。
29、根据传递理论，可以推算出位置z处的薄层中水的质量平衡式，从而得到水分沿z轴的分布情况。由于薄层中水分的含量为该点流入的水分减去该点失去的水分，所以可转化为公式(1)。
30、
31、式中：
32、——偏导数；
33、t——失水时间，s；
34、a——失水面积，m2；
35、δz——薄层厚度，m；
36、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
37、w——土壤的含水量，也即含水量的值等于氢原子信号量的值，升；
38、j|z——在z方向上通过位置z处的水通量，m3/s；
39、j|z+δz——在z方向上通过位置z+δz处的水通量，m3/s。
40、根据菲克定律，可以得到公式(2)。
41、
42、式中：
43、j——水通量，m3/s；
44、t——失水时间，s；
45、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
46、d——土壤水分保持系数，m2/s；
47、w(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的含水量，升；
48、——偏导数。
49、假设土壤水分保持系数d不随含水量变化。当失水时间t→0、薄层厚度δz→0时，可以得到公式(3)。
50、
51、式中：
52、——偏导数；
53、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
54、t——失水时间，s；
55、w(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的含水量，升；
56、j(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的水通量，m3/s。
57、将公式(2)代入公式(3)中，可以得到公式(4)。
58、
59、式中：
60、——偏导数；
61、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
62、t——失水时间，s；
63、w(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的含水量，升。
64、公式(4)为偏微分方程，根据土壤水分保持试验和土壤水分保持模型可知此方程的初始条件和边界条件。本发明中，初始条件和边界条件的设定非常关键，具体如下：当失水时间t＝0时，对于土壤中的任意位置z，w＝wc；当失水时间t＞0、土壤位置z＝0时，w＝wj；当土壤位置z→∞时，w＝0。其中，w表示土壤的含水量；wc表示土壤的饱和含水量；wj表示失水时间t后土壤初始位置的含水量，也即在失水时间t后土壤中z＝0位置的含水量。
65、对于公式(4)所示的方程，采用变量置换法求解。取变量ξ表示水在土壤中传递的无因次变量，然后用一个新函数表征w(z,t)，得到公式(5)。
66、
67、式中：
68、a0——常数，无量纲；
69、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
70、t——失水时间，s；
71、d——土壤水分保持系数，m2/s；
72、w(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的含水量，升；
73、ξ——水在土壤中传递的无因次变量，无量纲；
74、f——函数。
75、将公式(5)带入公式(4)中，得到公式(6)。
76、
77、式中：
78、d——导数；
79、f——函数；
80、ξ——水在土壤中传递的无因次变量，无量纲。
81、设定公式(6)括号中的项为0，得到公式(6)的一个解，具体为公式(7)。
82、
83、式中：
84、a0——常数，无量纲；
85、ξ——水在土壤中传递的无因次变量，无量纲；
86、f——函数；
87、e——指数函数。
88、最终得到关于土壤水分保持系数的相关方程为公式(8)。
89、
90、式中：
91、w(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的含水量，升；
92、a0——常数，无量纲；
93、d——土壤水分保持系数，m2/s；
94、t——失水时间，s；
95、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
96、e——指数函数。
97、对应公式(4)的边界条件，得到土壤水分保持系数的近似公式(9)。
98、
99、式中：
100、d——土壤水分保持系数，m2/s；
101、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
102、t——失水时间，s；
103、w(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的含水量，升；
104、wj——在失水时间t后土壤初始位置的含水量，也即在失水时间t后土壤中z＝0位置的含水量，升。
105、根据可知，d不为负数，可得到土壤水分保持系数的计算模型为公式(10)。
106、
107、式中：
108、d——土壤水分保持系数，m2/s；
109、z——土壤中某一位置，也即土壤距离失水面的深度，m；
110、t——失水时间，s；
111、w(z,t)——在失水时间t后土壤中z位置的含水量，升；
112、wj——在失水时间t后土壤初始位置的含水量，也即在失水时间t后土壤中z＝0位置的含水量，升。
113、当已知某一失水时间t、在失水时间t后土壤中某一位置z处的含水量w(z,t)、在失水时间t后土壤初始位置(z＝0位置)的含水量wj时，即可通过公式(10)计算出水在该土壤中的水分保持系数d。
114、本发明中，在推演出土壤水分保持系数的计算模型后，可通过该计算模型计算得到特定失水时间、特定土壤位置的土壤水分保持系数；然后通过origin软件进行数据拟合，可得到决定系数较大的拟合方程，决定系数在0-1之间，决定系数越接近于1，说明拟合效果越好，经过拟合后可得到若干个拟合方程，比如y＝a*xb、y＝a+(b-a)/(1+(x-x0)p)等；再根据拟合方程计算得到任意失水时间、任意土壤位置的土壤水分保持系数。
115、拟合方程中的参数定义为：a、b、p——常数，无量纲；x0——常数，比如失水时间t、土壤位置z；y——土壤水分保持系数，m2/s；x——变量，比如失水时间t、土壤位置z。
116、本发明基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，具有如下有益效果：
117、(1)本发明首次提出了土壤水分保持系数的概念，同时开创了土壤水分保持系数的测定方法，这对评定土壤水分保持能力和判断土壤干旱情况具有重要的参考价值。
118、(2)本发明的测定方法基于核磁共振技术(简称nmr技术)，同时在测定方法中建立了精准的土壤水分保持能力的数学模型，进而能够准确的预测土壤是否处于干旱状态、是否需要及时补水，使土壤保持在一个合适的含水量状态。
119、(3)本发明借助nmr的一维频率编码技术、菲克定律以及传递学理论设计了土壤水分保持试验，并对土壤内部的水分保持过程进行了可视化研究，分析了含水量在几何空间上和孔隙结构中的分布情况以及随时间的变化规律；同时建立了土壤水分保持系数的数学模型，并通过数学模型计算得到土壤水分保持系数，能够准确的预测土壤内部的实时含水量。
120、(4)本发明解决了现有技术无法实时评定土壤水分保持能力、对土壤水分保持情况难以定量分析等技术难题，本发明适用于各种类型土壤(也即各种配方的土壤)的水分保持系数的测定。
1.一种基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：所述测定方法按照先后顺序包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤一中，所述土壤试样为圆柱形，其直径为50mm、高度为50mm；所述第一试样模具为圆筒形，其顶部开口、底部采用透水石、侧壁密封，所述第一试样模具的内腔直径略大于50mm、内腔高度为50mm；将装有土壤试样的第一试样模具浸泡于盛有蒸馏水的容器中，确保第一试样模具的顶部边缘比容器中的蒸馏水液面高1-2mm。
3.根据权利要求2所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤一中，在吸水过程中，每浸泡4-8h后取出土壤试样进行称重；在烘干过程中，烘干温度为100-110℃，每烘干4-6h后取出土壤试样进行称重；土壤试样的饱和含水量等于土壤试样吸水后的质量与土壤试样烘干后的质量之差；土壤试样的补偿含水量为其饱和含水量的5-10％。
4.根据权利要求3所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤二中，所述土壤试样为圆柱形，其直径为50mm、高度为50mm；所述第二试样模具为圆筒形，其顶部开口、底部密封、侧壁密封，所述第二试样模具的内腔直径略大于50mm、内腔高度比土壤试样高4-6mm；在烘干过程中，烘干温度为100-120℃，每烘干4-6h后取出土壤试样进行称重。
5.根据权利要求4所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤三中，在滴水过程中，每隔4-6min向土壤试样的顶面滴入3-7g蒸馏水。
6.根据权利要求5所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤四中，在吸水过程中，每静置8h后取出土壤试样进行称重。
7.根据权利要求6所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤五中，所述室内环境的温度为25℃、相对湿度为60％；在失水过程中，分别测量失水8h、失水24h、失水72h、失水168h、失水312h后土壤试样的质量。
8.根据权利要求7所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤六中，对采集的氢原子信号量进行归一化处理，归一化处理模型为式中，x——土壤试样归一化前的氢原子信号量；
9.根据权利要求8所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤七中，所述土壤水分保持系数的计算模型为式中，
10.根据权利要求9所述的基于核磁共振的土壤水分保持系数测定方法，其特征在于：步骤七中，通过土壤水分保持系数的计算模型可以计算得到特定失水时间、特定土壤位置的土壤水分保持系数，然后通过origin软件进行数据拟合，得到决定系数较大的拟合方程，再根据拟合方程可以计算得到任意失水时间、任意土壤位置的土壤水分保持系数。
