新型FDR土壤水盐一体传感器标定研究与应用

运用新型频域反射(FDR)技术和分频技术,实现传感器水盐同时测量。因土壤质地、容重等差异,土壤水盐标定是利用FDR监测土壤水盐过程中的必要环节。以东北壤土为试验对象,利用"由湿到干,由小到大"的土壤水盐运动规律,通过土柱试验,用烘干法和土壤溶液电导率法对FDR进行室内标定研究。同时,将时域反射(TDR)式水盐传感器作为对照系,进行稳定性、精准度比较。结果表明:1)经土壤水分标定曲线校正后,FDR式水盐一体传感器具有很高的测量精度,可达±1%~3%;2)在土壤里对同一水盐含量进行百次重复测定,TDR传感器水分平均值为20.07%,相对标准偏差为0.18%;盐分(电导率)平均值为0.29 m S/cm,相对标准偏差为11.06%;新型FDR传感器水分平均值为20.08%,相对标准差为0.21%;盐分(电导率)平均值为0.31m S/cm,相对标准差为8.49%。新型FDR土壤水盐一体传感器可用于农田土壤连续水盐监测,提供稳定、精确的基础数据,结合数据分析软件,指导种植生产。     

积水入渗条件下土壤水分动态变化的野外观测与分析——以内蒙古敖包小流域为例

结合野外积水入渗试验，利用时域反射仪和中子仪进行了积水入渗条件下土壤水分动态变化的观测，并把时域反射仪和中子仪测定的土壤含水率与烘干法进行了对比；分析了入渗过程中土壤水分动态变化规律及入渗后土壤水分再分布规律。     

黄土区刺槐林地土壤水分剖面的垂直分层

 为从蒸散耗水角度对黄土区刺槐林地土壤水分剖面进行垂直分层,在山西吉县蔡家川流域刺槐林地布设频域反射仪对0～150cm土层分层连续测定土壤水分,综合利用灰关联分析法和有序聚类法对各土层、不同时间蒸散耗水特性进行研究。结果表明:从蒸散耗水角度,黄土区刺槐林地土壤水分可垂直划分为地表植物蒸散耗水层(0～10cm)、林下灌木蒸散耗水层(10～40 cm)、刺槐蒸散耗水层(40～150cm);灰关联分析法和有序聚类法可以综合应用于土壤水分剖面垂直分层研究。分层方法数学理论基础较严密,取得的分层结果与现有相关研究结果基本一致,因此,有较高可信度,可为黄土区刺槐林地土壤水分研究提供参考。     

TRIME-TDR土壤水分测定系统的原理及其在黄土高原土壤水分监测中的应用

 时域反射仪(TDR)作为目前较为先进的土壤水分监测仪器,具有便利、快捷、准确的特性,并能连续、自动地定位监测土壤水分动态变化。在众多的TDR产品中,TRIMETDR是目前较为普遍使用的一种。介绍了时域反射技术的基本原理,TRIMETDR土壤水分测定系统的组成、构造和在黄土地区的实地安装、标定、使用,以及影响其测值准确性的相关因素。     

保水剂对苹果节水及灌溉制度的影响研究

该文通过对保水剂在苹果灌溉上的试验研究，分析了保水剂对苹果园灌溉的影响。试验中采用中子仪观测土壤水分的动态变化，通过对不同用量保水剂小区的土壤水分观测，结合果树土壤水分灌溉底线来指导灌溉。结果表明：施用保水剂后水分利用效率提高，施用量200 g/棵是本试验的最优水平，每公顷节水900 m³，同时对保水剂下的果树灌溉制度进行了研究，提出了不同降雨年型的灌溉制度。     

黄土高原土壤水分的自动监测——TDR系统及其应用

TDR(Time Domain Reflectory)——时域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器 ,这是一种利用电磁脉冲方法 ,根据电磁波在介质中传播速度来测试介质的介电常数从而测定土壤水分的仪器。本文介绍了一套 TDR系统的组成和测量方法 ,并对测量结果进行了室内和野外校正 ,结果表明 ,野外校正比较符合实际情况 ,可以作为黄土高原地区进行 TDR校正的参考。由于具有快速、准确等优点 ,能自动、连续地监测土壤含水量 ,TDR是一种值得推广的土壤水分测定仪器     

灌溉农田土壤湿度的时空变化特征

为了探讨现代土壤墒情监测手段在业务监测实践中的应用方法,利用中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验基地的业务和试验资料,对灌溉农田土壤湿度的时间变化特征和空间关系进行了分析。结果表明,灌溉农田的土壤湿度呈一年的周期性变化;浅层(0-50cm)土壤湿度时空波动显著,且各层的变化存在不一致性,60cm以下土层湿度时空变化很小,0-50cm土层的平均土壤湿度能较好地反映0-200cm土层的土壤水分状况,对土壤湿度的监测应集中在浅层50cm内,并需要逐层测量;浅层土壤湿度变异明显,大田中两点各层土壤湿度的相关性一般随两点距离增加而减小,单个测点的土壤湿度测值的代表性差,因此在自动土壤水分仪器布点时,要获得地段的平均土壤湿度信息,必须设置多个观测重复;表层5cm的土壤湿度变化剧烈而迅速,不能正确反映作物根系主要分布层的土壤水分状况,而表层10cm的土壤湿度与作物根系主要分布层的土壤湿度具有很好的联动性,可以较好地反映作物生长的环境土壤水分状况,因此,在应用微波遥感监测土壤墒情时,其对地表的探测深度需要达到10cm以上才能获得关于作物根系主要分布层的土壤水分状况信息,相应地,在土壤墒情微波遥感监测中,需要采用5GHz以下的频率。     

便携式土壤湿度检测装置用于精准灌溉决策系统

采用最先进的技术进行精准灌溉是现代农业发展的必然趋势,但在准确预测被监测区域的土壤湿度时,面临一个两难的处境:少量土壤湿度固定检测点不能良好地反映作物区域土壤墒情信息,而大量布置传感器检测点又使得投资成本较大。因此该文设计了一种便携式土壤检测装置,同时基于该装置构建了一个精准灌溉决策系统,并把该系统应用于田间的精准灌溉决策。该系统由便携式土壤湿度检测装置和上位机决策软件2部分组成,其中便携式土壤湿度检测装置由FDR原理土壤水分传感器MS-10、低功耗单片机C8051F410、蓝牙无线传输模块、数据显示模块以及部分外围电路组成,可以独立实现时间记录、数据存储和实时显示。经过试验标定,装置的允许最大误差为2.2%,设计精度为95%;上位机决策软件分为数据接收模块、分布式二进制一致性算法模块和系统操作界面3个子模块,分别采用Visual Basic、Matlab和Matlab GUI设计而成,实现对便携式装置所采集数据的无线传输、归一化处理和数据融合处理,能够根据不同区域划分和不同作物灌水下限进行相应的运算,从而得到估计精度较高、区域大小可调的多尺度精准灌溉决策信息。最后通过30 m×30 m草坪的土壤湿度为检测参数的田间验证,该系统的平均决策准确率大于90%,且可以根据需要增减检测点个数。因此既可以独立应用,也可以作为固定检测方式的有效补充,实现作物区域土壤湿度信息的精确采集,有效提高水资源利用率。     

负水头供水裸燕麦需水特性及其对不同土壤湿度的生理响应

为进一步明确裸燕麦耗水量及其在不同土壤水分状况下的生理反应,论文在盆栽试验条件下,以负水头持续供水系统为供水装置,比较了裸燕麦、玉米、高粱、大麦和小麦旱地禾本科作物的水分耗散;设置40、60和80cm3个负水头控压高度,测定了"高-中-低"3种土壤湿度下裸燕麦孕穗期叶片光响应曲线及叶片保护酶活力。结果显示:裸燕麦蒸腾系数为455.37,显著(P<0.05)高于其他作物,较高叶片蒸腾速率和较低净光合速率是主要生理原因;降低土壤含水量将降低裸燕麦叶片相对叶绿素含量,但适度降低土壤含水量并未显著(P>0.05)降低叶片光合能力,而适度提高气孔受限程度,有利于提高叶片水分利用效率;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等叶片保护酶活性对不同土壤水分状况响应不一致,中等土壤湿度时SOD活性较高,高土壤湿度时POD活性较高,低土壤湿度时CAT活性响应程度较高。     

基于FDR的土壤原位水盐一体传感器设计与应用

土壤中的水盐含量及其动态演化与农田生产及生态环境等密切相关。土壤水盐含量受到作物、土壤和栽培技术等多重因素的影响,其动态监测是业界的一大难题。该文结合水盐含量影响土壤介电特性这一特性,通过运用新型频域反射、分频技术,进行高频段土壤水分以及低频段土壤水盐含量的测定,再采用基于土壤质地的水盐标定方法,排除水分对盐分数据的影响,从而实现土壤孔隙水盐含量的同时测定。从2013年至今,将FDR传感器在天津市18个监测点的应用情况进行了分析,证明了该种传感器工作的有效性和准确性。     

宇宙射线中子法在复杂下垫面土壤水分测量中的应用

宇宙射线中子法是介于点测量与遥感监测的中尺度、非接触土壤水分测量方法。将测量点设于土壤异质性较大的山地地形下垫面,以烘干称重法为标准对比,以频域反射法为连续性观测对照,对宇宙射线中子法在复杂下垫面的测量进行对比研究。结果显示:在复杂下垫面条件下,宇宙射线中子法对区域土壤水分测量值与烘干称重法多点平均计算值所代表的真值间直线方程的拟合优度(R^2)为0.8717,均方根误差(RMSE)为0.0159kg·kg^−1,纳什效率系数(NSE)为0.854,说明宇宙射线中子法测量结果准确可信。宇宙射线中子法与频域反射法对较长时间序列的土壤水分变化趋势反映完全一致,且对降水过程引起土壤水分变化的响应,宇宙射线中子法灵敏性优于频域反射法。宇宙射线中子法能够应用于复杂下垫面的区域土壤水分测量,且具有不受土壤异质性干扰的优点,能够更好地反映中尺度土壤水分的平均状况。     

根据土壤水分动态变化计算农田蒸散

本文用DTS-1型土壤湿度仪测定了地中5、10、15、20、30、50、70、100cm深处逐日土壤湿度,通过分析土壤湿度剖面,分别取小麦和玉米的蒸散作用深度为2m和1m。从水分平衡原理出发,根据土壤水分的逐日动态变化,得出日蒸散计算式为:■。同时,根据实测土壤值的拟合,发现50—200cm土层与30—50cm土层的土壤含水量具有良好的线性关系:M_(60-200)=108.11 4.521M_(30-500)     

土壤湿度对冬小麦光合速率的影响

本文通过盆栽及大田试验,对冬小麦开花灌浆期不同土壤湿度的小麦叶片光合速率测定得出:(1)土壤湿度在田间持水量的70%-85%时小麦光合速率最高,光合对土壤湿度的反应低湿较高湿更敏感;(2)土壤干旱可使小麦光合午休加重,适当灌溉可减小光合速率中午降低的程度;(3)土壤干旱后灌水,可明显提高小麦光合速率,以适宜土壤湿度下限时灌水效果最好.     

南方红壤丘陵区不同土地利用方式土壤水力学性质研究

非饱和导水率是研究土壤水分和溶质运移的重要参数。本论文利用压力膜仪法以及FDR和Watermark(R) granular matrix田间原位测定数据,分别获得室内和田间的水分特征曲线,并利用van Genuchten模型间接推求非饱和导水率。同时,以原位的零通量内排水法直接测得的非饱和导水率作为标准,分析了不同方法所获得的非饱和导水率的异同。研究结果表明：在花生地,压力膜仪法测得的VG曲线参数推求非饱和导水率和实际非饱和导水率相近;而在橘园地由于根系空间分布异质性导致室内与田间所获得非饱和导水率差异性较大。同时, 直接法测得的非饱和导水率结果也说明在该地区两种不同土地利用方式下水分运动的特征存在差异。     

甘肃黄土高原土壤水分演变特征

分析了近30年甘肃黄土高原区域土壤湿度变化,结果表明:土壤湿度垂直分布变化阶段性明显,土壤水分变化存在突变;不同作物对土壤水分的垂直分布影响显著;土壤水分由表层向深层(1m)渗透一般需要4旬;时间演变规律上,生长期土壤水分有减少的趋势,蓄水期土壤水分存在增加的趋势;小波分析还发现作物生长期间土壤湿度存在2年、4年、6~9年振荡,蓄水期存在2年、4年~9年振荡,年均土壤湿度存在2年、4~9年和14年左右的振荡。     

黄土高原苹果园深层土壤干燥化特征

为了评价黄土高原苹果产区深层土壤干燥化特征及其区域分布规律,测定了其半湿润黄土台塬区(Ⅰ)、半湿润易旱黄土旱塬区(Ⅱ)、半湿润偏旱和半干旱黄土丘陵区(Ⅲ)等不同气候和地貌类型区32块苹果园地0～1500cm土层土壤湿度,定量比较和分析了各类型区苹果园地深层土壤含水率、土壤湿度剖面分布及其土壤干燥化特征。结果表明:1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区苹果园地0～1500cm土层土壤含水率依次为17.53%、13.44%和10.29%,土壤有效贮水量依次为1273.70、973.98和864.05mm,土壤水分过耗量依次为199.93、465.10和362.70mm,年均土壤干燥化速率依次为8.47、26.29和23.44mm/a。人工补灌、树龄、种植密度和地貌类型等因素影响果园土壤湿度和土壤干燥化程度。2)各区有补充灌溉的果园土壤剖面湿度显著高于旱作果园,不存在或部分土层存在干燥化现象;旱作果园土壤剖面均存在深厚的干燥化土层。3)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区有补充灌溉的苹果园地土壤干燥化指数(SDI)分别为-8%、-11%和-34%;旱作果园土壤干燥化指数(SDI)分别为32%、50%和46%,各类型干层厚度分别达到或超过790、1297和910cm。研究结果为黄土高原苹果园地深层土壤水分可持续利用和苹果生产基地可持续发展提供参考。     

时域反射仪对水分非均匀分布土壤含水率的测定

为了评估时域反射仪测定水分非均匀分布土壤的含水率的性能,该研究在室内试验中将土柱纵向分为上下2层,设置土壤水分差为0.05、0.10和0.15 cm3/cm3 3种情况,进行不同含水率梯度下水分非均匀分布对该仪器测定土壤含水率的影响试验,并在田间试验中进行了实地测试。结果表明,在室内新型时域反射仪随着上下2层土壤含水率梯度差的增加,测定土壤含水率的均方根误差略有增大,在水分分布相对均匀的土壤中测定土壤含水率的均方根误差小于 0.028 cm3/cm3。在田间竖直埋设探头,上湿下干和上干下湿的土壤     

石羊河流域农田休闲期耗水规律研究

通过微型蒸渗器和diviner2000土壤水分测定仪测定了不同耕作及储水灌溉条件下农田休闲期土壤水分动态变化规律,并结合气象数据比较不同耕作方式和灌水处理的优越性,分析了休闲期不同耕作方式及储水灌溉措施对土壤水分及降水利用的影响。研究结果表明,春耕可减少农田表层土壤蒸发,保水效果较好;低定额储水灌溉既没有造成深层渗漏,且蒸发损失小;冬季大定额储水灌溉产生43.86 mm的深层渗漏和121.11mm的土壤水分蒸发,形成了水资源的无效流失;而春耕+免储水灌溉只产生54.41 mm水分损失,节水效果显著。土壤蒸发和深层渗漏产生的土壤水分损失大小顺序为:传统冬季储水灌溉>低定额储水灌溉>秋耕+免储水灌溉>春耕+免储水灌溉,低定额储水灌、秋耕+免储水灌溉、春耕+免储水灌溉处理土壤水分损失较对照分别减少53.44 mm、97.52 mm和110.56 mm(土面蒸发+深层渗漏)。石羊河流域春耕+免储水灌溉处理可有效减少休闲期水分损失,提高休闲期水分利用效率。     

气候变化与土壤湿度关系的研究进展

在分析气候变化与土壤湿度关系研究现状的基础上,综述了该研究的进展。首先,描述了用数值模拟方法研究气候变化与土壤湿度之间关系的现状;论述了该研究取得的成果和需要进一步研究的问题;其次,简要总结了目前研究仍显薄弱的资料诊断分析工作及取得的成果。土壤湿度的监测与预报是制定合理的灌溉制度从而实现适时适量灌溉的基础,因此本文对气候变化条件下土壤湿度变化趋势的研究及节水灌溉(特别是干旱地区)具有重要的意义。     

原状水稻土土壤湿度高光谱特征及反演模型

室内高光谱遥感定量反演土壤湿度的相关研究,可以为利用星载或机载遥感数据源进行大尺度土壤水分监测提供理论基础;原状土土样相较于当前广泛使用的研磨土土样,能更好地保持土壤的原始光谱特性和持水性能。为了得到更可靠的土壤湿度光谱特征与更具有适用性的反演模型,利用ASD Field Spec 3光谱仪采集了江苏省金坛市竹林镇的62个原状水稻土土样12套不同湿度梯度的可见光-近红外反射光谱,通过反射率、相对反射率以及水分吸收峰特征参数探究原状湿土光谱特征;在此基础上,选择对土壤湿度变化响应明显的变量,采用偏最小二乘回归反演土壤湿度,并对比选出最佳反演模型。结果表明:(1)随着风干过程中土壤湿度的降低:土壤反射率整体先下降后上升,可见光波段在土壤湿度较低时存在误差;1450 nm和1950 nm吸收峰的位置向短波方向偏移,吸收峰深度、宽度和面积不断减小,2 200 nm处吸收峰右肩高度不断降低。(2)土壤水分吸收峰特征参数对土壤湿度响应明显;反射率和相对反射率与土壤湿度相关性较高的波段均出现在>1300 nm以后。(3)反射率(R)反演原状土湿度精度较低,R2val=0.752,RPD=1.81,经过数学形式和相对反射率(Rr)变换后,[lg(1/Rr)]'建模中R2val=0.820,RPD=1.99;基于水分吸收峰特征参数建立的模型R2val=0.800,RMSEP=62.70 g kg-1,RPD=2.29,最佳主成分数为3,是反演原状土土壤湿度的最佳建模变量。