土壤水分空间分布快速测试仪器的开发

针对土壤墒情监测和指导田间变量灌溉的要求,研制开发了能同时测量采样点经纬度位置和土壤含水率(体积分数)的土壤水分空间分布快速测试仪.该测试仪由80C552微控制器、GPS接收机、水分传感器等几部分组成.测量得到的数据经串口传到上位机经过处理和分析后,采用GIS软件对采样点试验数据进行分析,生成土壤水分空间分布图.对地表下10cm深度土壤含水率的采样试验结果表明,2组测量数据在小范围内空间变异系数＜10%,说明仪器性能稳定可靠.该测试仪能为变量灌溉和墒情监测提供科学依据.     

电阻式土壤含水率非扰动连续测量装置的研究

介绍了一种电阻式土壤含水率非扰动连续测量装置;阐述了电阻式土壤水分传感器的结构与工作原理;分析推导了传感器电阻、土壤水势及土壤含水率之间的关系;同时介绍了测量装置的接口电路、单片机数据采集、处理、计算与控制系统的硬件结构及应用程序框图。试验表明,该装置测量速度快、测量精度高,具有显示直观、操作方便、便于携带、适用范围广的优点。     

土壤水分入渗的温度效应及其数学模式

通过水平和垂直土柱入渗试验,定量研究了温度对两种不同质地土壤水分入渗性能的影响。结果表明,温度对实验土柱含水率分布及土壤水分入渗特性速率产生显著影响。在此基础上由 Philip 扩散理论和 Swartzendruber 毛管模型所产生的推导式对其温度效应的机理进行了分析,对用理论模式计算与实测数据进行了比较。     

附加电阻高频电容法土壤水分传感器的研究

分析了高频电容土壤水分传感机理,建立了附加电阻高频土壤水分数学模型,设计了附加电阻平行板电容传感器检测电路,并进行实际土壤测试实验.结果表明,土壤电容值与土壤的重量含水量近似成线性关系,在1%的土壤水分含量误差范围内,能够准确地测定土壤水分含量,消除了电导引起的测量误差.     

地下滴灌灌水设计参数对土壤水分分布影响的计算机模拟

利用能模拟地下滴灌系统水流二维运动的HYDRUS-2D计算机模型在不同的地下滴灌灌水设计参数条件下,对土壤水分分布的影响进行了模拟分析.模拟简便、快速、灵活,不受试验条件限制.模拟结果表明,土壤质地、土壤初始含水率、滴头出流量、滴头埋深等均是影响地下滴灌土壤水分分布的重要参数.     

辣椒不同深度土壤墒情预报的BP神经网络模型

依据内蒙古河套灌区治丰试验基地的不同深度土壤水分传感器采样土壤含水率以及气象、地下水、灌水(降雨)数据,建立了基于BP人工神经网络的辣椒同时输出不同深度土层体积含水率预报模型,并用实测土壤含水率数据对模型进行了检验.结果表明,模型具有较好的预报效果,应用于不同深度土壤墒情分析和预报是可行的.     

湖北省自动土壤水分站容积含水率订正系数阈值探讨

利用监利县、房县的土壤水分、雨量资料,诊断分析出2个站订正系数的不合理取值,依据一定规则,确定了A_0、A_12个系数阈值的初值范围。根据湖北省历年人工土壤水分观测资料,推算出不同层次“容积含水率的变幅”;将1.5年的CLDAS土壤容积含水率小时模拟网格数据,插值到湖北省46个自动土壤水分站点、8个层次;计算所有观测站(层)小时容积含水率的器测值与CLDAS的相关系数r2、与终值的相关系数r1。挑取r10.8、r20.6且容积含水率终值的极差位于“容积含水率的变幅”内的资料作为依据,得到湖北省2个系数阈值的经验值范围。A_1出现负值违背了DZN系列土壤水分站测湿的工作原理,且A_1不能太小;一般情况下,2个系数阈值的初值范围分别为A_0(-36,36)和A_1(0.1,10);由湖北省2个系数阈值的经验值范围缩小为A_0(-20,35)和A_1(0.25,1.57);田间标定方法中,确保作为常数的土壤容重值的真实可靠性,才能减小计算订正系数A_0和A_1的误差。     

便携式自动土壤观测仪校准测试方法

针对自动土壤水分观测仪定期校准需要中断该设备正常连续观测时间以及设备送检的时间成本、运输成本和运输风险等问题,提出了一种自动土壤水分观测仪的现场校准方法.首先,分析了水分分布对铜环式自动土壤水分观测仪观测数据的影响;其次,设计了自动土壤水分观测仪在不同距离、同等水分条件下的电信号变化试验;最后,建立了自动土壤水分观测仪电场中水分分布对观测数据的影响模型,得到了水分分布与电场中心的距离和电信号变化之间的关系.结果表明,建立的模型在距离传感器外缘45 mm处,直径和高度均为10 mm的圆柱形水体的权重为0.015,能满足铜环式自动土壤水分观测仪分辨力0.02的要求,验证了便携式自动土壤水分观测仪检测方法的可行性.     

陕北沙区天然臭柏灌丛地土壤水分特性研究

对陕北沙区天然臭柏灌丛地土壤水分特性进行研究,结果表明,①臭柏灌丛内外,有81.48%的土样含水率集中在2%~4%;土壤含水率的垂直分布规律为：在0~100 cm土层内,土壤含水率随土层深度的增加而逐渐降低。②臭柏灌丛内外土壤含水率的变异系数为37%,在不同土层中,土壤含水率的变异系数不同。在40~60 cm土层内,土壤水分变异系数最大,说明在该层土壤水分异质性程度最高。③陕北沙区臭柏灌丛地、油蒿覆盖地和裸地中,土壤水分的分布规律不同,其中油蒿覆盖地土壤含水率最低。陕北沙区臭柏灌丛地的土壤含水率变化规律可能与陕北沙区特有的地貌结构和气候条件有关。     

水分胁迫下油蒿光合光响应过程及其模拟

油蒿是荒漠与半荒漠地区植物群落的优势种或主要伴生种,研究其在不同土壤水分条件下的光合作用特性 及光响应过程对于了解其适应性非常重要。采用盆栽试验方法,在土壤体积含水率分别为19%、16%、12%、9%、 5%的5 个不同土壤水分水平上,研究了水分胁迫条件下油蒿的光响应过程,并分别采用3 种不同光响应模型对其 进行了模拟。结果表明:1)随着土壤含水量的降低,油蒿的净光合速率(Pn)总体上呈下降趋势,当光照强度(PAR) 低于1 000mol/ (m2s)时,体积含水率16%处理的Pn大于19% 处理的。在受到较强光照条件下,随着光强的增 加,19%、16%、12%、9% 4 种土壤水分处理下的Pn能维持在最大光合速率(Pnmax )水平,受到的光抑制不明显;5% 土壤水分处理下的Pn在光照强度大于500mol/ (m2s)后随光强的增加表现出下降趋势,显示出明显的光抑制现 象。所采用的3 个模型均能较好地拟合19%、16%、12%、9% 4 种土壤水分处理下油蒿光合作用的光响应过程及 其表观量子效率、光补偿点和暗呼吸速率等光响应特征参数,但对于5%土壤水分处理下的油蒿光响应过程及其光 响应特征参数,只有直角双曲线修正模型拟合结果较好,能够满足试验要求。      

两种园林用FDR土壤水分传感器的精度校正

利用质地差异较大的园土及草炭∶陶粒∶园土=3∶1∶1（体积比）的混合基质对2种土壤水分频域反射仪（FDR）进行了室内标定.结果显示,在目前园林应用的测量精度内,土壤质地对两种FDR土壤水分传感器的测量影响不显著,但FDR测量值较烘干法明显偏高,校正斜率介于0.68～0.70之间.相关分析表明FDR测量值与真实值之间有极显著的相关性,相关系数大于0.97.利用获得的线性函数进行校正,校正后的土壤水分值与采用传统的烘干称重法测得的值相符.基于以上结果,FDR土壤水分传感器能准确、快速测定土壤含水量,在城市园林节水灌溉管理中发挥重要作用.     

基于采样密度不同土壤的水分特征参数的预测及误差分析

目前土壤水分特征曲线（h-θ曲线）的研究普遍采用vanGenuchten模型（简称VG模型）。利用不同取样精度的土壤，将土壤质地（砂土、粘粒、粉粒含量）和容重作为输入值，探讨了使用基于土壤转换函数的BP神经网络模型来预测0～20cm表层土壤水分特征曲线参数，用甘肃称钩河流域小流域的土样进行了预测和误差分析。结果表明，使用线性回归能够减小预测误差与实测值差距；BP神经网络预测饱和体积含水量的准确性比预测剩余体积含水量和田间持水量要高。为了进一步提高预测精度，还应尽可能地包括土壤结构、有机质含量等信息。     

覆盖秸秆对梨树几项水分生理指标的影响

1997～ 1998年对梨园覆盖秸秆后的土壤含水量和叶片几项水分生理指标进行了测定。结果表明 ,秸秆覆盖后 ,能明显增加梨园不同土层的含水量 ,其中表层土含水量增加最多。这种效应在覆盖两年后及干旱季节表现更加明显。秸秆覆盖后 ,明显提高了叶片的水势、相对含水量、饱和渗透势和膨压消失点的渗透势 ,增大了细胞最大体积弹性模量     

内蒙古典型草原区光伏电板降水再分配与土壤水分蒸散分异规律

针对草原地区光伏电站投产使用后光伏电板下不同位置降水、气候环境和土壤水分运移过程发生改变的问题，以内蒙古中部地区典型草原光伏电站为研究对象，采用野外观测及试验的方法对单次降水事件中光伏电板对雨水的再分配作用进行量化，并对光伏电板下不同位置土壤水分蒸散量及大气温、湿度进行逐日测定。最终通过相关分析及线性回归方程得出光伏电板下土壤水分和土壤蒸散量对降水事件的响应过程，确定其耦合关系。结果表明:1)光伏电板对地面水分收集产生了重新分配，光伏电板前檐下方由于电板的汇水作用降水量较未架设电板处平均增加了111.33 mm，电板遮挡下方降水量较未架设电板区域显著降低；2)光伏电板下各土层体积含水率整体高于未架设电板区域的土壤体积含水率，其中对照处0~10 cm土层体积含水率分别占光伏电板前檐下方和电板拼接缝隙下方土层体积含水率的47.61%和38.08%。光伏电板下的2个螺栓下方和电板后檐下方的土壤累积蒸发量仅为3.52、2.76和2.91 mm，均低于未架设电板区域的土壤蒸发量；3)光伏电板下0~10 cm和10~20 cm 土层蓄水量与降水量的回归系数R²分别为0.716 6和0.829 2，表层0~20 cm土层蓄水量受降水影响较为明显。光伏电板下土壤累计蒸发量与降水量拟合R²为0.771 6。土壤逐日蒸发量与初始土壤体积含水率具有较强的相关关系，且随时间推移相关性逐渐增强。     

基于HYDRUS软件的植物混掺土壤水分特征曲线分析

为探求植物混掺对土壤持水性产生的影响,以甘肃景泰地区土壤为试验材料,设置1%玉米芯、1%玉米叶、3%玉米芯、3%玉米叶等不同比例、不同秸秆混掺物4种处理,采用离心机法测定土壤水分特性曲线,同时利用HYDRUS软件进行模拟计算。结果表明,在相同吸力下,相同混掺物处理,混掺比为3%的土壤体积含水率高于混掺比为1%的土壤;相同混掺比处理,混掺玉米叶的土壤体积含水率高于混掺玉米芯的土壤,且混掺处理后土壤体积含水率均高于纯土;不同土壤水分特征曲线的模型拟合分析表明,不同处理的最优拟合模型均为Van Genuchten模型。研究结果可为探索该地区植物混掺条件下土壤水盐运移规律提供一定参考。     

基于STC90C51单片机的土壤水分检测系统设计与开发

根据农田环境的应用需求,为快速、准确地获取农田中土壤体积含水率和水分变化信息,研究一种基于STC90C51单片机的土壤水分检测系统的硬件结构及功能设计。该系统采用基于FDR（Frequency Domain Reflectometry）的传感器作为土壤温湿度的采集端,可实现对土壤水分含量的自动采集、显示、存储和监测。对于土壤水分的监测试验结果表明,该系统性能稳定,工作可靠,为农田监测、节水灌溉等提供了有效、可靠的监测手段。     

Cat No 5500盐分传感器测定土壤盐分的研究

对ＣａｔＮｏ５５００盐分传感器测定范围、平衡时间、土壤含水量下限等基本性能进行了研究和检验，并利用其测定了人工盐土和自然盐土的含盐量。结果表明，利用ＣａｔＮｏ５５００盐分传感器测定土壤盐分含量是可靠的     

潮棕壤土水分特征曲线预测方法研究

借助于最小二乘法,形成了确定Brooks-Corey(1964)模型,van Genuchen(1980)模型中的参数所对应的非线性方程组,并用Picard迭代求解它们。用VB语言编写了程序,用压力膜法测定了潮棕壤土同一地点不同层的水分特征曲线。最后,用以上两种模型对土壤水分特性曲线进行了预测,结果表明:VG模型与BC模型的预测值均与实测值具有良好的一致性,VG模型较BC模型对潮棕壤土土壤水分特征曲线的预测效果更好些。     

A mobile lab-on-a-chip device for on-site soil nutrient analysis

In this paper, a mobile sensor for on-site analysis of soil sample extracts is presented. As a versatile tool for scanning ion concentrations in liquid samples, it especially allows the analysis of NO₃, NH₄, K and PO₄. The sensor mainly consists of a microfluidic chip in which the sample ions are separated in an electric field (capillary electrophoresis) and the individual ion concentrations are detected by a conductivity measurement. For the adaption of the device to field conditions, two major concerns were addressed. Firstly, nano-porous material was used as a barrier between the sample container and the analysis channel of the microfluidic chip. This prevents pressure driven leakage of the sample into the chip due to non-horizontal orientation of the device. Secondly, a new method for the injection of the sample into the chip was used. It reduces the number of fluidic connections between chip and operation device to three instead of the commonly used four connections. The sensor performance was tested on multi-ion solutions with calibration series for NO₃, NH₄, K and PO₄. For the first on-site test, a quick soil nutrient extraction procedure with water was used. The sensor data was compared to standard laboratory results. The potential of the sensor for soil nutrient analysis is discussed together with required improvements of the sensor performance and of the nutrient extraction procedure.     

免耕覆盖下土壤水分、团聚体稳定性及其有机碳分布对小麦产量的协同效应

【目的】基于山西运城8年（2008—2015）长期定位试验,研究免耕覆盖下土壤团聚体稳定性、团聚体活性有机碳分布特征、冬小麦水分利用效率和产量变化特征,分析土壤水分、土壤团聚体稳定性及其有机碳组分对小麦籽粒产量的协同关系,为选择适宜黄土高原旱作农业区最佳耕作模式提供理论依据。【方法】选取传统耕作秸秆翻耕还田（CT-SP）和免耕秸秆覆盖还田（NT-SM）两种耕作措施,在冬小麦收获期,利用干筛法测定土壤团聚体各粒级质量分数;测定各粒级土壤团聚体有机碳（SOC）及活性有机碳（可溶性有机碳,DOC;易氧化有机碳,EOC;微生物量碳,MBC）含量;测定土壤水分（土壤体积含水量,θ_v;播种前贮水量,SB;收获后贮水量,SA;生育期耗水量,ET;降水利用效率,PUE;水分利用效率,WUE）和作物产量等关键指标。【结果】（1）与CT-SP处理相比,NT-SM处理显著提高0.25—2 mm团聚体含量、>0.25 mm 团聚体含量（R_0.25）和几何平均直径（GMD）,分别提升13.9%、8.8%和9.6%。（2）与CT-SP处理相比,NT-SM处理中全土SOC、>2 mm和0.25—2 mm粒级团聚体SOC与MBC含量分别提升17.7%与23.6%、18.4%与18.2%和22.4%与39.2%。0.25—2 mm粒级团聚体对SOC和MBC的贡献率,分别提升18.4%和28.4%。（3）与CT-SP处理相比,NT-SM处理提高了SA、PUE、WUE和小麦产量,分别提升17.7%、8.92%、14.98%和8.92%,并且SOC、WUE、R_0.25、MWD和GMD等指标与小麦产量相关系数均达到0.9以上。（4）通过结构方程模型分析发现,土壤团聚体DOC和EOC通过协同效应影响MBC的变化,MBC含量对SOC的总效应为0.88,是影响SOC变化的主导因子。（5）土壤贮水量、土壤团聚体稳定性及其有机碳分布协同影响小麦产量,并且土壤团聚体稳定性对小麦产量表现为极显著正效应。【结论】在黄土高原旱作农业区,免耕秸秆覆盖还田可改善土壤团聚体结构,增加土壤水分含量,提高小麦水分利用效率,显著增加耕层土壤有机碳和活性有机碳组分含量,从而实现土壤固碳保墒和作物增产的协同效应。