利用非线性模型提高加长型热脉冲双探针土壤热参数测定精度

热脉冲双探针技术被广泛应用于土壤热参数和含水率的测定。然而长度为2.8 cm的常规热脉冲双探针空间测试范围太小,加长探针可增加测定结果的代表性,但容易出现探针倾斜(探针间距改变),进而影响测量精度。设计制作了长度为10 cm的热脉冲双探针,通过室内土柱试验测定了四种倾斜方式(共面外倾、非共面外倾、共面内倾以及非共面内倾)下的土壤热参数和含水率,并利用线性和非线性修正模型对探针倾斜引起的测定误差进行了校正。结果表明:对于加长型双探针,非线性模型对探针间距的原位校正效果明显优于线性模型;非线性模型校正后的土壤容积热容和含水率准确度大幅提高。有效解决了加长型热脉冲双探针倾斜引起的测量误差,为探针的广泛应用提供了理论基础。     

探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响

在利用热脉冲方法测定热特性时,通常对探针形状做理想化处理,即假设探针为线性热源,热导率无限大而热容量为零。在实际应用中,探针本身的有限特性(有限半径以及有限热容量)会导致热特性测定误差。为了研究探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响,该研究采用改进的热脉冲探针(直径2 mm、长度40 mm、间距8 mm)测定土壤热特性,并分别使用PILS(pulsed infinite line source,无限长线性脉冲热源)和ICPC(identical cylindrical perfect conductors,近似圆柱形完美导体)2种理论估计土壤热特性,比较分析了探针有限特性对热脉冲技术测定热特性结果的影响。结果表明:1)与PILS理论相比,利用ICPC理论拟合得到的温度升高曲线,可以有效减少探针有限半径和热容量对土壤热特性测定结果的影响。与ICPC理论相比,在0.03~0.25 m3/m3的含水率范围内,用PILS理论得到的砂土热扩散率和热导率分别偏低11.8%和5.2%;与模拟热容量相比,PILS和ICPC理论分别将热容量高估16.1%和7.9%;2)探针有限特性对土壤热特性的影响与含水率有关:在干土上最大;随着土壤含水率的增加,其影响逐渐降低。该研究对提高热脉冲技术测定土壤热特性的准确性具有指导意义。     

探地雷达地波法测定红壤区土壤水分的参数律定研究

探地雷达地波法是一种农田尺度快速测量土壤体积含水量的有效技术,能够弥补传统方法和卫星遥感方法在含水量监测上的不足。但地波法在红壤地区进行含水量反演的最佳参数仍未确定,相关研究鲜有报道。本研究以位于南方红壤区江西省鹰潭市孙家流域为例,采用地波法对区域土壤体积含水量进行了探测:先使用共中心点法确定所用雷达的系统延时、有效反演深度,并利用Topp、Roth、Ferre和朱安宁四种常用的经验模型由介电常数ε反演土壤含水量;然后通过固定间距法进行区域性的土壤体积含水量测量,确定雷达测量时的最佳天线间距。这一系列过程中,土壤含水量实测值是用烘干法校正的管式时域反射仪(time domain reflectometry,TDR)测定的土壤体积含水量。研究的目的是为了律定地波法在红壤区测定土壤含水量的有效反演深度、最优模型和最佳天线间距等参数。结果表明:60 MHz探地雷达地波法反演0～40 cm土层的土壤体积含水量时精度最高,误差最小;Roth经验模型更适合于红壤地区0～40 cm土层土壤含水量的反演,均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.022 m3m-3;地波法的最佳天线间距为1.0 m,能够准确地反演土壤体积含水量;土地利用类型对雷达的探测精度具有一定影响,在1.0 m天线间距下,旱地上的反演精度优于果园,旱地和果园的RMSE分别为0.004和0.020 m3m-3。     

利用热脉冲技术测量土壤表层含水率

准确测定表层土壤水分对陆地-大气间水热交换研究具有重要意义。由于对土壤结构影响轻微,热脉冲技术在原位监测含水率方面具有较大优越性,但目前田间应用集中在5 cm以下土层。该研究利用多针热脉冲传感器测定土壤容积热容量,然后基于热脉冲含水率法和热脉冲含水率变化法分别得到了3、9、21和39 mm的土壤含水率。结果表明,与烘干法含水率比较,热脉冲含水率变化法含水率在4个深度的均方根误差分别为0.022、0.006、0.004和0.006 m3/m3,均小于相应深度上热脉冲含水率法含水率的均方根误差。另外,热脉冲含水率变化法也降低了4个热脉冲传感器测定含水率的变异性。因此,热脉冲技术能够监测表层的土壤水分动态,表层土壤含水率的均方根误差在0.022 m3/m3以内。     

多针热脉冲技术测定土壤热导率误差分析

土壤热导率是研究土壤热传输、水热耦合运移的基本物理参数。为了探知多针热脉冲技术的误差,该研究以能够准确测定热导率的单针法作为参比,在4种质地土壤上,对多针热脉冲技术在不同体积质量、含水率和气压条件下测定的热导率进行了分析。结果表明,多针热脉冲技术的热导率结果与单针法总体符合较好,其热导率测定值的平均误差为0.074 W/(m·K)。干土热导率随气压增大呈现对数增长,这是由于气体分子平均自由程下降的原因。多针热脉冲技术的测定误差主要出现在中等含水率区域,关键问题是加热针的温度升高偏大,促进了水汽潜热传输。另外,土壤与探针之间的热接触阻力、探针导致的土壤体积质量改变、温度梯度引起的液水流也影响测定结果的准确性。该研究可为农业水土工程中的土壤热导率模拟提供依据。     

加热光纤法同步测定土壤水热参数误差分析

土壤水热参数是研究土壤水热传输的基本物理参数。当前热脉冲探针法（HPP）可同步测定土壤水热参数,但该方法仅限于在点尺度下测定。与其具有相同理论基础的加热光纤法（SPHP-DTS）,可将测定尺度增大至田间千米尺度,但其测定精度尚未得到有效验证。为了探知SPHP-DTS法的误差,本研究进行了SPHP-DTS法与HPP法测定土壤水热参数的对比试验。结果表明,以HPP为标准,加热光纤法测定热导率的精度RMSE为0.13 W?m-1?℃-1。SPHP-DTS法测定的热导率显著高于HPP法,主要原因在于加热光纤时产生的温度效应。通过热导率法测定土壤含水率时,在热导率测定误差的影响下,SPHP-DTS法的测定精度明显低于HPP法。SPHP-DTS法测定土壤水热参数的其他误差来源包括光纤与土壤之间多个界面的接触热阻、光纤的温度敏感性、噪音干扰以及温度梯度驱动下的水分迁移。本研究可为SPHP-DTS法提升土壤水热参数测定精度提供理论参考。     

利用热脉冲-时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数 Ⅰ.原理

由于土壤特性的时空变异性 ,对土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态监测是土壤学研究的重要课题。本文以热脉冲技术和时域反射技术的理论为基础 ,介绍了利用热脉冲技术 时域反射技术 (Thermo TDR)连续定位测定土壤含水量、电导率、温度和热特性的原理 ,并利用土壤热特性与容重和含水量的关系 ,导出了土壤容重、饱和度和通气孔度的计算公式。     

太阳能供电的土壤剖面水分动态原位自动监测系统的研制

目前,商业化的土壤水分传感器在野外观测土壤剖面含水率时仍然存在测量深度不可调节、多传感器探头之间的互换误差、野外长期监测供电困难、成本较高等问题。为此,该研究设计并研制了一种太阳能供电的可实现野外长期工作的介电管式土壤剖面水分原位自动监测系统。该系统组成包括:传感器模块、主控模块、太阳能供电模块和参数设置软件。测量时,先将PVC管垂直安装至待测土壤中,安装过程不扰动土壤结构,主控与存储模块控制土壤含水率传感器在PVC管中上下移动测量土壤含水率,并同步记录土壤深度。此外,该系统可以根据实际需求通过PC机参数设置软件进行灵活设定测量参数(传感器测量深度、测量深度间隔和测量周期)。针对该系统的性能与测量精度开展了相关测试与观测试验,功耗测试结果表明该系统待机功率为0.35 W,工作功率为1.4 W,太阳能电池板最大输出功率为5W,太阳能电池板和锂电池配合供电的情况下能实现长时间续航;土壤含水率传感器在砂土和粉壤土中的标定试验表明:该系统测量结果与实际土壤体积含水率高度吻合,标定曲线决定系数R~2均大于0.99;经过校正后,该系统探头深度定位的标准偏差在0.2 cm以内。在两种质地土壤的滴灌试验结果表明:该系统分别在6和15 mL/min两种滴水速率下均能准确获取土壤剖面含水率的动态变化过程,为观测作物生长状态和根区水分变化、制定合理的灌溉策略以及研究并检验土壤入渗水动态模型提供了可靠的技术支持和保障。     

不同种植间距对香根草植物边坡优先流发育特征的影响

[目的] 分析优先流在香根草边坡中的发育特征,研究植物根系与优先流之间的关系,为进一步研究降雨条件下植物根系对边坡土体稳定性的影响提供理论依据。[方法] 以种植间距为50 cm和10 cm的香根草为研究对象,模拟30 mm和50 mm两种不同的降雨量,采用示踪剂试验研究了香根草边坡土壤的优先流发育特征。[结果] 香根草种植间距从50 cm减少到10 cm会增大边坡的水力响应。在50 mm的降雨量作用下,10 cm种植间距的香根草边坡土壤的染色面积比率和优先流比分别是50 cm的1.55,1.76倍。表层土0—10 cm土层深度范围内染色路径数量变化不明显,在10—35 cm深度土层范围,10 cm种植间距的染色路径数量多于50 cm种植间距的香根草边坡土壤。当降雨量由30 mm增加至50 mm时,水流会通过优势通道更迅速迁移到边坡土壤中。降雨量为30 mm土壤的染色面积比率（36.11%）和优先流比（67.25%）小于50 mm土壤的染色面积比率（49.68%）和优先流比（79.96%）,并且染色路径数量随着降雨量的增加而增多。[结论] 香根草根系特征与优先流关系密切。选择植物护坡时,应合理选择植物的种植间距,使根系护坡在力学效应和水文效应上最大化。     

排盐暗管间距对河套灌区重度盐碱土盐碱特征与肥力的影响

为合理设计暗管排盐参数,提高河套灌区盐碱土的改良效果,通过布设田间试验,在轮灌方式下,对比分析了10、20、30m暗管间距条件下土壤盐离子、碱化程度和肥力指标特征,研究了暗管间距对河套灌区重度盐碱土脱盐治碱效果的影响。结果表明:(1)10、20、30 m间距处理0～10 cm土层淋洗前土壤含盐量分别为17.22、17.74和17.17 g/kg,秋浇前分别为10.78、11.56、11.95 g/kg,不同暗管间距处理的土壤脱盐率表现为:10 m20 m30 m。(2)灌水后各处理土壤碱化指标均表现出先增大后减小的变化趋势,10、20、30 m间距处理0～10 cm土层土壤p H在秋浇前较第3次淋洗后分别降低了4.47%、3.72%和2.96%,说明小间距的暗管布设更具有缓解土壤碱化程度的潜力。(3)暗管排水过程中会使土壤养分大量流失,各间距处理的流失量依次为10 m20 m 30 m。     

Comparison of nuclear and capacitance‐based soil water measuring techniques in salt‐affected soils

A field calibration experiment was carried out on salt‐affected clayey soil in Syria, to compare the sensitivity to soil electrical conductivity (ECe), and bulk density (ρ_b) of two instruments for estimating soil moisture: the neutron probe (NP) and the Diviner 2000 capacitance probe (CP). The results showed that the values of the correlation coefficient of the calibration were decreased when the ECe and ρ_b values increased; this decrease was more pronounced for the Diviner 2000, indicating that it was more sensitive to ρ_b and ECe than the NP. When only scaled frequency was used in the fitted equation, the Diviner 2000 in wet soil underestimated soil water content significantly at all depths, but especially in the top layer, by up to 0.09 cm³/cm³ compared with gravimetric determinations. However, in dry soil, the Diviner 2000 overestimated the volumetric water content by up to 0.05 cm³/cm³ in the top 15 cm, and by 0.03 cm³/cm³ at 30‐45 cm depth. The performance of the neutron probe was better overall; using a factory calibration curve no significant differences were observed between NP estimates and the gravimetric values. Including both ρ_b and ECe in the calibration equations improved the fits, although the regression coefficient (R²) for the Diviner 2000 remained low.     

Can the PR1 capacitance probe replace the neutron probe for routine soil‐water measurement?

Abstract. A study was conducted to compare the performance of the PR1 capacitance probe (Delta-T Devices) in measuring soil volumetric moisture content (θ) with two established standard methods: the neutron probe (Didcot Instruments) and the gravimetric method. Over a two-year period, the three methods were used to measure θ in glasshouse plots containing crops of either oilseed rape (Brassica napus L.) or bambara groundnut (Vigna subterranea L.). The PR1 probe gave variable performance depending on the depth and soil profile where the measurements were made. In most cases, the PR1 probe significantly overestimated θ. In some cases, it significantly underestimated θ or gave similar values to the other methods. Despite this frequent overestimation of θ, the PR1 probe adequately registered the relative changes in θ Its measurements were linearly and positively related to those of the gravimetric and neutron-probe methods. However, the regression lines significantly deviated from the 1:l line. This paper discusses the possible reasons for the unsatisfactory performance of the PR1 probe and the practical problems associated with the installation of its access tubes.     

SMP-01型土壤水分传感器性能测试

通过对SMP-01型土壤水分传感器在3种土壤质地（砂土、壤土、粘土）在不同土壤水分含量下对应的传感器输出的测试，分析比较研究其对应的拟合曲线，进行率定，并同时研究了传感器对酸性土、盐碱土的测试情况。实验结果表明SMP-01土壤水分传感器在各种性能上都能满足农业上对于测定土壤水分的精度要求，具有较好的应用前景。     

The form of the calibration curve of a neutron moisture meter near the soil surface

Abstract

A considerable increase in accuracy of soil moisture determinations near the soil surface was possible with the depth probe of a neutron moisture meter when quadratic calibration curves were used     

Spatial and temporal variability of soil hydraulic conductivity in relation to soil water distribution, using an exponential model.

An internal drainage experiment was conducted to examine soil water content variability in space and in time. It is shown that the flux-gradient model used to describe water flow in field soil profiles, based on the Darcy–Buckingham equation, yielded results of extreme variability and questionable validity. The problem lies in the representativeness of a site due to soil variability, horizontally and vertically in time, which added to the character of the hydraulic conductivity versus soil water content relation, which in many cases can be approximated by exponential functions, leads to coefficients of variation up to 170% in the estimation of soil hydraulic conductivity values.     

厌氧去除活性污泥中痕量有机污染物:15年实验研究

Knowledge of cellular metal homeostasis will provide a better understanding of the mechanisms involved in metal tolerance and hyperaccumulation in metal-hyperaccumulating plants. Energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) was used to determine the localization of cadmium (Cd) in leaves of the Zn/Cd hyperaccumulator Picris divaricata which had a shoot Cd concentration of 565 mg kg 1 after 2 weeks of growth in solution culture supplying 10 μmol L-1 CdCl2 . The results indicated that Cd was distributed mainly in the trichomes, upper and lower epidermis and bundle sheath cells, with a relatively low level of Cd in mesophyll cells. Mesophyll protoplasts isolated from leaves remained viable after 24 h exposure to CdCl2 at a concentration up to 1 mmol L-1 , indicating their high tolerance to Cd. The intracellular Cd was visualized by staining with Leadmium Green dye, a cellular permeable Cd fluorescence probe. The results showed that the majority of protoplasts (> 82%) did not accumulate Cd, with only a minority (< 18%) showing Cd accumulation. In the Cd-accumulating protoplasts, Cd accumulation was depressed by the addition of Fe2+ , Mn2+ and the metabolic inhibitor carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone (CCCP), but not by Ca 2+ or Zn2+ . Furthermore, the entire process of Cd uptake from external solution into the cytoplasm and subsequent sequestration into vacuoles was successfully recorded by confocal images. These results suggested that reduced cellular Cd accumulation and efficient Cd vacuolar sequestration in mesophyll cells might be responsible for cellular Cd tolerance and distribution in the leaves of P. divaricata.     

全面推进城市水土保持试点工作

城市水土保持是一个全新的课题。在城市水土保持工作的探索中,深圳市已经进行了3年的艰苦努力,取得了一定的成效。总结了深圳市城市水土保持工作经验,从探索管理机制、治理途径以至预防监督方面,分析了城市水土保持特点。作为全国城市水土保持试点城市,深圳的作法对全国其它城市也有一定的借鉴意义。     

气相色谱法检测辐照牛肉中的碳氢化合物

利用气相色谱法分析牛肉辐照前后碳氢化合物的类型与浓度差异,建立了一种能判别辐照牛肉的鉴定方法。本试验通过正己烷溶剂萃取,Florisil柱分离和气相色谱分析,对辐照牛肉产生的6种碳氢化合物进行了定性和定量分析。研究结果表明,牛肉经辐照处理后,显著产生1,7-C16:2(1,7-十六二烯),而在未辐照的牛肉中没有检测到,因而1,7-C16:2是鉴定牛肉是否经过辐照处理的最适合标志物。     

锌离子荧光探针的最新研究进展

锌离子是生物体必需的微量元素之一,具有重要的生理功能,选择性识别和检测锌离子,对化学、生物学、临床医学和农学等领域的相关研究具有十分重要的意义。荧光探针分析法具有选择性好、灵敏度高以及操作简单等优势,因此设计合成锌离子荧光探针成为近几年的研究热点。本文基于不同母体化学结构,对近5年来锌离子荧光探针的研究进展进行了归纳总结,并对未来的发展提出了展望,旨在对后续锌离子荧光探针的进一步研究提供重要参考。