利用热脉冲探针改进土壤热导率测量：不同耕作制度下的热效率与能量需求

《Soil and Tillage Research》：Improving soil thermal conductivity measurements with a heat-pulse probe: Thermal efficiency and energy demand across tillage systems

　　

土壤热导率（λ）是调控土壤剖面内及土壤与大气间热量传递的基本属性，深刻影响种子萌发、微生物活性、根系发育及土壤-大气能量平衡等农业环境过程。因此，λ是连接土壤物理学、植物生理学与环境动力学的重要纽带。准确且节能地测量该属性，对于理解原位土壤过程、优化农业实践及制定可持续土壤管理策略至关重要。然而，在田间条件下获得可靠的λ测量值仍面临挑战。传统的稳态技术（如针式探针、防护热板法（GHP）、热箱法（TC）和盒式探针（BP））在受控实验室条件下通常较为准确，但受限于测量时间长、隔热要求严格及对田间环境的适应性差。为克服这些限制，研究人员开发了瞬态方法，包括热脉冲探针（HPP）、瞬态线热源法、瞬态平面热源法（TPS）、瞬态热线法（THW）、激光闪射法（LF）和时域反射法（TDR）。这些方法使得更快、更实用的测量成为可能，但其应用常受制于高能量需求、仪器复杂性及对环境变化的敏感性。开发一种在真实田间条件下既准确又节能的HPP，是本研究面临的核心技术挑战。此外，一个常被忽视的因素使得该挑战更为复杂：农业耕作制度从根本上改变了控制热量传递和探针性能的土壤性质。耕作制度会改变土壤容重（ρ_b）、孔隙度、结构和含水量（θ），直接影响土壤的热状况。传统耕作（CT）（通常涉及铧式犁翻耕）常降低ρ_b并增加通气性，可能增强热量传递。相比之下，免耕（NT）能保持土壤团聚体和有机质，形成更稳定的结构，可能对热流起到隔热作用。旋转耙（RH）和深松机（SP）以不同方式改变土壤结构，产生空间异质性，进一步影响土壤热性质。尽管耕作对土壤物理性质的影响众所周知，但关于这些变化如何影响热脉冲探针在准确性和能量效率方面的性能，人们知之甚少。这一空白意义重大，因为耕作实践不仅是背景条件，更是决定测量时土壤结构状态的活跃变量。如果HPP的能量需求和热效率随耕作强度呈现系统性变化，那么最佳探针操作参数（如加热时长）可能需要针对特定耕作制度进行优化。从热力学角度看，瞬态热注入会在线热源周围建立局部温度梯度（ΔT）。在瞬态热激励的初始阶段，热量耗散严格局限于土壤基质边界内，并有效过渡到瞬态稳态导热状态，从而能够准确提取λ。然而，随着加热持续时间的延长，系统会发生严重的能量损耗。根据能量守恒原理，总电能输入（Q_in）被划分为有效土壤热通量（Q_soil）和累积的环境耗散（Q_loss）。这些损耗可通过探针绝缘层的传导（Q_cond）、向周围空气的对流（Q_conv）以及探针表面的辐射（Q_rad）发生，共同降低探针的热效率（η_th）并增加其单位能耗（Q_con）。因此，延长加热时间并不能从根本上改善λ的信号稳定性，反而会因这些环境耗散途径的逐步放大而在数学上抑制η_th。当前HPP设计主要侧重于便携性、经济性和易部署性，然而其在以多样化耕作为特征的真实田间条件下的能量效率仍未得到验证。此外，尽管土壤传递函数（PTFs）被广泛用作从土壤性质（如质地、ρ_b和θ）间接估算λ的手段，但在耕作和非耕作土壤中与直接HPP测量结果相比，其可靠性尚未完全确立。基于以上背景，本研究旨在回答一个核心问题：土壤耕作实践和加热时长如何影响HPP原位测量土壤λ的热效率和能量消耗？为实现此目标，研究人员设置了四个具体目标：首先，研究不同耕作制度和加热时长下HPP的热效率和能量使用，阐明管理引起的容重和孔隙度变化如何影响测量结果；其次，量化对比耕作制度和土壤深度下传导、对流和辐射的热损失；第三，将基于HPP的λ测量值与土壤传递函数（PTF）估算值进行对比验证，并强调造成差异的土壤属性；最后，探索HPP设计和操作的潜在改进方案，以期在降低能耗的同时提高准确性。

**论文解读：基于热脉冲探针的土壤热导率测量效率与能耗研究**

**1. 研究背景与意义**

土壤热导率（λ）是描述土壤传递热量能力的核心物理参数，它调控着土壤剖面内及土壤与大气间的能量交换，深刻影响种子萌发、微生物活性、根系发育等关键农业生态过程。精确测量田间条件下的λ对于理解土壤过程、优化农业管理及制定可持续策略至关重要。然而，传统稳态测量技术（如针式探针、防护热板法（GHP）等）虽在实验室精准，却受限于测量时间长、隔热要求苛刻及环境适应性差等缺陷。瞬态方法，特别是热脉冲探针（HPP），提供了更快速便捷的解决方案，但其现场应用常受高能耗、仪器复杂性和环境敏感性制约。更为关键的是，农业耕作制度通过改变土壤容重（ρ_b）、孔隙度、结构与含水量（θ），从根本上改变了土壤的热特性，进而可能影响HPP的测量性能。尽管耕作对土壤物理性质的影响已众所周知，但耕作制度如何具体影响HPP的测量精度与能量效率，尤其是两者间的量化关系，此前尚缺乏系统评估。本研究正是针对这一空白，系统探讨了不同耕作制度与加热时长对HPP热效率（η_th）和单位能耗（Q_con）的综合影响，旨在为田间条件下HPP的优化操作提供科学依据，并推动精准农业中节能型土壤监测工具的发展。该研究发表于《Soil and Tillage Research》。

**2. 研究方法与技术**

本研究在伊拉克南部Al-Suwaira地区典型的半干旱黏壤土上进行，试验采用随机完全区组设计，设置四种耕作制度：免耕（NT）、铧式犁翻耕（MP）、旋转耙（RH）和深松（SP），并结合四种HPP加热时长（60、120、180、240秒）。研究对改进型HPP系统进行了评估，该系统包含电子控制系统（ECS）、测量室（MC）及不锈钢取样环。关键评估指标包括净土壤热通量（Q_soil）、温度增量（ΔT）、传导/对流/辐射热损失（Q_cond/Q_conv/Q_rad）、Q_con和η_th。通过与Kersten土壤传递函数（PTF）估算值对比，并计算均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和决定系数（R2），全面评估HPP的测量精度。数据采用双因素随机区组方差分析（ANOVA）及Tukey HSD检验。

**3. 研究结果与讨论**

**3.1 净土壤热输入（Q_soil）分析**
研究发现，耕作制度与加热时长均显著影响净土壤热输入。深层翻耕（MP）和免耕（NT）处理在表层土壤中保留了更多热量，而深松（SP）处理在各深度均表现出最低的Q_soil。同时，随着加热时间从60秒延长至240秒，Q_soil在所有深度均呈持续下降趋势，表明短时加热（≤120秒）能有效减少环境热损耗，提高能量利用效率。

**3.2 土壤温升（ΔT）动态分析**
温度响应分析显示，MP处理产生了最高的ΔT值，这归因于其强烈的土壤翻转作用改善了颗粒间接触，促进了热量快速传递。相比之下，NT和RH处理因保持较完整的土壤结构，ΔT响应显著较低。加热时长对ΔT具有主导性线性效应，从60秒至240秒，ΔT值增长约三倍，但过长的加热时间并未带来额外的测量优势，反而加剧了能量耗散。

**3.3 土壤热导率（λ）测定分析**
土壤热导率测定结果表明，MP处理在所有深度均获得最高λ值（0.91-0.96 W/m·K），而SP处理λ值最低。值得注意的是，λ在加热开始后的头两分钟内即迅速稳定，延长加热时间（>120秒）对λ估算值影响甚微。与加热时长相比，土壤深度对λ的影响更为显著，10-20 cm土层表现出最稳定的导热性能。

**3.4 传导热损失（Q_cond）分析**
传导热损失与土壤λ变化规律高度一致。MP处理因土壤压实和含水量较高，产生最大的传导损失，而SP处理因扰动模式限制，传导损失最低。Q_cond损失随深度和加热时长的增加而增大，这与更深土层具有更高的容重和热导率有关。

**3.5 对流传热损失（Q_conv）分析**
对流热损失方面，SP处理因形成垂直裂隙和空气通道，其对流损失最高，而完全翻转土壤的MP处理对流损失最低。研究揭示，当土壤导热效率较低时（如SP），对流传热成为主要的能量耗散途径。此外，长时间加热（>120秒）会导致探针附近土壤干燥收缩，形成微裂隙，进而加剧对流损失。

**3.6 辐射热损失（Q_rad）分析**
辐射热损失在所有热损失途径中占比最小，但其变化趋势仍能反映耕作制度的影响。RH处理因适度的扰动留下较大的暴露表面，辐射损失最高；而NT处理因表层覆盖物起到隔热作用，辐射损失最低。

**3.7 单位能耗（Q_con）分析**
单位能耗分析显示，SP处理因土壤孔隙率高、导热性差，需消耗最多能量以达到目标ΔT，而MP处理通过优化颗粒接触，成为能耗最低的耕作方式。加热时长对Q_con影响显著，延长加热时间导致能耗持续增加。值得注意的是，SP处理在深层（20-30 cm）出现了非单调的能量需求模式，这与深层土壤的压实和结构异质性有关。

**3.8 HPP热效率（η_th）分析**
热效率分析结果表明，MP处理在所有深度和时间点上均表现出最高的η_th，尤其是在60秒短时加热条件下，其热效率超过90%，代表最优的操作状态。NT处理的热效率相对稳定但略低于MP。随着加热时长增加，所有处理的η_th均显著下降，在240秒时降至80%以下，证实了短时加热对维持高热效率的重要性。

**3.9 HPP性能综合评估**
将HPP测量值与Kersten PTF模型对比发现，两者一致性良好，R2介于0.86至0.94之间，表明HPP测量结果可靠。其中，RH处理在表层土壤（0-10 cm）表现出最高的测量精度，这与其形成的相对均匀的土壤结构有关。研究还发现，探针与土壤间的接触热阻（R_c）随深度增加而增大，其中NT处理的接触热阻最低且最稳定，表明免耕土壤的自然连续性有利于探针接触。

**4. 研究结论与展望**

本研究通过对不同耕作制度与加热时长下HPP性能的系统评估，得出以下核心结论：铧式犁翻耕（MP）在热效率（η_th为86.10%）和能耗（Q_con为104.30 W/m·K）方面表现最优，较深松（SP）能耗降低约23%；而旋转耙（RH）处理则提供了最高的测量一致性（R2=0.94）。研究确认，短加热时间（60-120秒）是兼顾测量准确性与能量效率的最优选择，能有效最小化各路径热损失并保持稳定的λ测量值。中层土壤（10-20 cm）提供了最稳定的测量条件。与Kersten PTF的对比验证了改进型HPP的可靠性（R2=0.86-0.94）。研究结论强调，不同耕作制度优化了HPP性能的不同方面：MP最大化热效率并最小化能耗，而RH提供最高测量精度，因此实际操作条件取决于优先考虑的目标。研究同时指出，未来需将试验拓展至更多土壤类型与气候区，并建议整合实时水分传感器及机器学习模型，以进一步提升HPP在复杂田间环境下的适应性与准确性。尽管改进型HPP在优化条件下可实现超过90%的热效率，但在集成到完整精准农业系统（如实时灌溉或耕作反馈控制）前，仍需更多直接测试来验证其系统级性能。