连续定位测定土壤孔隙度的热脉冲-时域反射技术及其应用研究

Soil porosity , an important physical parameters of the greenhouse gas emissions of farmland ecosystems, affect soil mocrobial activity , gas generation and transfer of CO2 and N2O in soils. Soil porosity varies with time and location. There is no research on dynamic monitoring soil porosity in situ ,due to the limitations of traditional methods of measurement. The objective of this study is to improve the thermo-time domain reflectometry (Thermo-TDR) sensor design to imliement the dynamic monitoring of soil porosity. This study discussed the mechanism of soil porosity changes on CO2 and N2O production and emission under different conservation tillage systems, using combination of laboratory experiments and field experiments, experimental research and simulation. The results are important for study of farmland ecosystems and human development.

土壤孔隙度影响着土壤中微生物的活性、CO2和N2O气体在土壤中的产生与传输等一系列过程，是研究农田生态系统温室气体排放的重要物理参数。土壤孔隙度随时间呈现动态变化特征，由于传统方法测量的局限性，目前还没有关于土壤孔隙度动态监测方面的研究。本项目利用热脉冲-时域反射技术，通过理论分析优化热脉冲-时域反射探头的设计，实现土壤孔隙度的连续定位监测。研究采用室内实验和田间实验相结合、实验研究与模拟相结合的方法，系统探讨我国保护性耕作系统不同耕作方式下农田土壤孔隙度的动态变化对土壤CO2和N2O的产生与排放的影响机制，为研究农田生态系统和人类发展都有着重要的现实意义。

土壤孔隙度（n）是研究农田生态系统温室气体排放的重要物理参数，对研究土壤中作物根系对水分和养分的吸收以及研究土壤中各种物理、生物和化学过程具有重要作用。土壤孔隙度随时间呈现动态变化特征，由于传统方法测量的局限性，目前还没有关于土壤孔隙度动态监测方面的研究。本项目利用热脉冲-时域反射技术，通过理论分析优化热脉冲-时域反射探头的设计，通过室内外实验评估筛选出优化的thermo—TDR探头设计（直径2 mm，长度40 mm，间距8 mm），大大提高了thermo—TDR测定土壤孔隙度的准确性。并进一步将改进后的thermo—TDR探头应用在田间不同质地的土壤中连续定位监测土壤孔隙度的动态变化，实现土壤孔隙度的连续定位监测。Thermo-TDR技术具有快速、对土壤自然结构影响轻微、自动化程度高、环境适应性强、无辐射危害等优越性，本研究提供了一种全新的快速、准确定位测定土壤孔隙度的技术。主要研究结果如下：..第一，.结合热脉冲探头和时域反射探头的设计标准，在Ren等（1999）常规探头基础上，本研究进行了热脉冲时域反射探头的优化设计，并通过室内及野外试验筛选出了优化的thermo—TDR探头设计（直径2 mm，长度40 mm，间距8 mm）。改进后的探头在室内测量土壤孔隙度的均方根误差（RMSE）值为0.019，野外RMSE值为0.039。.第二，.热脉冲-时域反射技术测定土壤充气孔隙度的准确性受、土壤固体比热（cs）、加热过程中能量大小（q）、探针间距（r）和探针最大温升（Tm）等因素的共同影响，而探针间距r和q的不确定性是误差的最主要来源。.第三，.利用改进后的探头，本研究进一步进行了田间动态土壤孔隙度的连续定位监测，解决了传统方法不能连续反复测定原状土壤孔隙度的难题。实验结果表明，改进的thermo—TDR探头测量田间土壤动态容重、土壤充气孔隙度相对误差均在5%以内。因此，该技术可以准确、自动、快速监测田间土壤孔隙度的动态变化。