乔木茎体水分传感器探针结构实验

基于驻波率测量原理的乔木茎体水分传感器,其测量装置由信号源、同轴传输线及双针平行不锈钢探针组成.乔木茎体的介电特性决定了同轴传输线两端电压差值(即传感器的输出电压)的大小,通过测量传感器的输出电压,可达到测量乔木茎体体积含水率的目的.通过两个实验来确定传感器的探针结构:模拟实验中研究了在不同有机试剂中探针长度对传感器输出电压的影响,实验中选取了不同的有机试剂来模拟不同体积含水率的乔木茎体.根据模拟实验数据,得出了传感器输出电压与探针长度的单调变化关系,选取了传感器的探针结构参数;对侧柏乔木茎体样本进行了干燥实验,得出传感器的输出电压与样本的体积含水率之间有较好的线性关系.     

水分传感器埋设深度及个数对墒情精度的影响

在灌溉预报过程中,要利用土壤水分传感器监测土壤墒情,同一剖面土壤水分传感器埋设数量越多,测墒精度就越高,在实际应用时,就要求减少土壤水分传感器的埋设数量以降低系统的成本,并保证一定的测墒精度。选取4个试验区,在0～100 cm土层深度内,采用取土烘干法测得5个测试深度土壤水分数据。分析了0～60和0～100 cm土壤剖面平均含水率与监测点含水率的相关关系,并设置了1个监测点和2个监测点不同组合的对比,分别计算了各种情况下土壤剖面平均含水率与监测点含水率的相关系数(R2)、平均相对误差(δR)以及均方根误差(RMSE)。研究结果显示:一个监测点时,40 cm深度的含水率能较好地反映0～60 cm土壤剖面平均含水率,R2达到0.95以上; 0～100 cm土壤剖面平均含水率用60 cm深度含水率反映,R2能达到0.93。两个监测点时,20/50 cm处的含水率与0～60 cm土壤剖面平均含水率的相关性最高,R2为0.994; 0～100 cm土壤剖面平均含水率与40/70 cm处的含水率相关性最高,各试验区平均的R2为0.965。     

基于土壤含水率垂向变化规律的水分传感器布设

对苜蓿地进行了土壤含水率连续采集试验.通过相关性分析,发现不同深度处的土壤含水率序列具有较高的线性相关性,层间距离越近相关性越高.用R型谱系聚类法,对8个土壤深度处的土壤含水率数据进行了聚类分类,给出了具体的分类方法.通过分析发现,分为3类时,在10、20和50cm处埋设土壤水分传感器.就能较好地监测0～100 cm的土壤水分状况.     

线区域尺度土壤水分实时测量方法研究

提出了一种线区域尺度的土壤水分测量方法,设计了基于频域振荡法实时检测植物根区尺度土壤水分信息的传感系统。系统由土壤水分传感器、PVC套管、电动机牵引系统以及控制器组成,控制器控制电动机牵引传感器在套管中往复运动,可以实时获取240 cm长度上的土壤体积含水率信息。土壤水分传感器的动态响应时间为32 ms,稳定性测试结果的标准差为0.006 1 V,与时域反射(TDR)土壤水分传感器测量结果的相关性决定系数达到0.989,满足区域性土壤水分实时检测的要求。野外试验证明:当传感系统埋设深度为30 cm时,与相距10 cm平行埋设的BD-Ⅲ型土壤水分传感器(精度为±2%)测量结果的均方误差小于0.5%,能够测量到因降水导致的土壤水分变化,验证了系统的有效性。     

基于驻波原理的无接触土壤含水率测量方法的研究

我国是一个缺水的农业大国,实现精细灌溉是节约水资源的有效途径,而精确地测量土壤体积含水率是实现精细灌溉的重要保障之一.为此,提出了一种基于驻波率原理的土壤含水率测量的新方法-无接触式测量方法,介绍了其工作原理,研究出了无接触式土壤水分传感器的结构.用烘干法进行对比试验,从而得出SWR无接触式土壤含水率测量方法是一种高性能的测量方法.     

一种土壤水分传感器性能测试的方法及应用

针对目前土壤水分传感器室内标定时很难得到含水率均匀的土样,设计了一种试验装置和测试方法。通过一系列室内试验,对3种土壤水分传感器进行了测试和标定。结果证明,这种方法对于短探针土壤水分传感器的标定切实可用,同一种传感器在不同质地土壤中标定曲线不同,给出了3种传感器在砂土、壤土、粘土中的标定曲线,并分别从线性度、敏感度、稳定性等方面对3种土壤水分传感器进行了分析比较。     

基于水平尺度扩展的土壤水分介电传感技术

设计了一种水平放置管式结构的介电水分传感器测量系统,通过水平往复移动扫描,测量一定深度下水平剖面的土壤水分。水分传感器的测量原理为频域(FD)外缘场阻抗法,该系统实现了土壤水平剖面含水率的线扫描测量,其最大扫描长度为380 cm。为了检验该测量系统的技术性能与可应用性,结合农田滴灌试验给出了2个点源激励下土壤入渗的应用测试案例。试验结果显示了不同质地土壤的入渗差异并记录了点源激励下土壤入渗过程的时间、空间三维数据。     

农田土壤含水率与坚实度快速信息采集系统

介绍了一种农田土壤含水率与坚实度快速信息采集系统.本系统包括土壤介电传感器、圆锥指数传感器及深度传感器,可以快速、同步、实时地获得0～500mm范围内土壤剖面含水率与圆锥指数信息.同时,本系统还结合了GPS和GIS技术,实现了土壤参数的空间分析,可以更方便地把系统应用于农田信息管理.本系统为实现土壤水分和坚实度的同步测量搭建了一个智能化的试验平台,并且在与德国波恩大学农业工程研究所的合作中成功地应用于田间测量.     

番茄盛果期根系层土壤水分变化规律研究

为了解温室番茄根系层土壤水分变化规律与根系之间的关系,采用TREME水分传感器测定了番茄盛果期根系层距植株不同水平距离不同土层的土壤含水率,同时测定了番茄盛果期不同阶段根的长度及数量,研究了土壤含水率在水平方向及竖直方向随时间的变化规律。同时根据番茄根系层土壤含水率等值线分布图及根系层土壤含水率低值区,分析了根系层土壤含水率变化规律与番茄根系分布间的关系。结果表明:番茄盛果期由于耗水量较大,根系得到较大发展,总根数及最长根长度均呈递增趋势,根系吸水范围扩大,主根系长度主要集中在5~20cm。盛果期0~30cm土层土壤含水率变化明显,地表以下15~25cm距植株0~10cm范围内最易出现土壤水分低值区,且随时间的推移,土壤水分低值区向外逐渐扩展。根系密集分布区易形成土壤水分低值区,根系的分布范围与土壤水分的明显变化区域具有较好的一致性,番茄根系附近的土壤水分状况可作为确定灌水量和灌水时间的依据。     

一种新型土壤水分传感器的研究

为了满足精确灌溉的需要，一种能快速、准确测量土壤水分的传感器变得越来越重要。介绍了一种根据土壤介电常数和驻波原理研制的土壤水分传感器．并通过从探针结构和土壤种类两个方面对该传感器的工作特性进行试验研究，结果表明该传感器工作稳定、可靠，测量精度高，线性度好，适合大多数土壤类型的测量。     

土壤剖面水分线性尺度测量方法

针对现有土壤水分点尺度下测量的局限性,提出了一种线性尺度下的土壤剖面水分测量方法,并设计了一种基于驻波比法的土壤剖面水分信息测量传感系统。借助HFSS高频电磁场仿真软件与网络矢量分析仪对传感器环形探头的电场强度分布情况与阻抗特性进行了分析研究,确定了环形探头适应性与敏感区域。以2种不同质地的土壤作为试验样本,对土壤水分传感器的输出与对应的测量值进行了多项式拟合,决定系数均达到了0.99以上,传感器的稳态与动态性能均能满足土壤剖面水分的测量要求。通过多层水分土柱穿层试验与对比试验表明,该系统能够满足线性尺度下土壤剖面水分的实时测量需求,具有较高的测量精度与稳定性。设计的土壤剖面水分线性测量系统的各项指标均达到实际应用的需求,具有较高的应用推广价值。     

蔬菜大棚墒情传感器垂向埋设位置研究

针对当前国内外墒情传感器分层布置的习惯及降低传感器埋设量的愿望,研究了蔬菜大棚墒情传感器在垂向上的代表性问题。以江苏省宿迁市宿城区番茄大棚为例,利用Hydrus-1D模型分别模拟番茄苗期、开花坐果期和盛果采摘期灌水之后15 d内的根系层内含水率分布变化的情况。根据模拟结果,将40 cm的主要根系层平均分为10个土层,通过对灌水后各个土层含水率与根系层平均含水率进行显著性检验,进一步将无显著性差异土层内各测点的含水率与根系层平均含水率进行比较。结果表明,10~16 cm深度区域的土壤含水率基本能够代表根系层的平均含水率。因此,蔬菜大棚内单个墒情传感器应当埋设在10~16 cm的深度范围。     

Multi-wire time domain reflectometry (TDR) probe with electrical impedance discontinuities for measuring water content distribution

The adequate estimation of water content distribution in wetted volume is fundamental in determining the number of drippers per plant and their location below the plant canopy in drip irrigation. Measurements of water content distribution are usually made by opening trenches, which is a time-consuming method and sometimes imprecise. Recent scientific developments have created the possibility of monitoring the soil moisture content using electronic sensors. The objective of this research was to develop and test two multi-wire time domain reflectometry (TDR) probes with electrical impedance discontinuities (referred to as the multi-wire probe) for sensing soil profile water content distribution. The experiment was divided in two parts. In part one, the laboratory performance of two multi-wire probe designs was studied and their reliability to monitor the water content variation in a porous media profile was evaluated. The second part was conducted in a 250 l bucket and the soil water content distribution, for an application depth of 15 mm, was evaluated by monitoring over 6 days at discharge rates of 2 and 4 l h⁻¹. The results demonstrated the viability of using multi-wire probes to estimate soil water content distribution with different probe designs and to consistently obtain water content measurement in water dynamic processes. The following conclusion may drawn from the main results: (1) The measured characteristic impedance of the multi-wire probe for different designs was not the same as that geometrically calculated. This was due to the non-ideal probe geometry which provoked signal loss, thus, hindering peak impedance interpretation, mainly for probe 1 design. (2) The use of multi-wire probes in the TDR equipment showed a speedy determination of soil profile water content distribution using a single measurement.     

基于太阳能的土壤含水率远程实时监测仪研制

为实现土壤含水率实时监测及数据的远程传输,以太阳能电池及锂电池作为整个系统的能量供给,采用电场法测量土壤含水率;通过GSM网络,利用短消息实现土壤含水率数据的实时传输。电源模块实现太阳能的收集及存储,并对整个系统的电源实现管理。系统将土壤含水率转换成电压信号后,对其整流、A/D转换、计算等相关处理后得到土壤的含水率。利用实时时钟电路与SD卡,可实现每天的数据存储。土壤含水率及系统状态异常信息可通过短消息发送到指定手机或终端。试验表明,当被监测的紫色土或黄壤含水率低于30%时,测量误差小于6%。系统每6h测量并存储一次监测数据,每24h发送一次,其余时间处于休眠状态。在该条件下,3 W的太阳能电池能满足系统的能量需求。如果太阳能电源模块出现故障,导致锂电池无法充电时,系统能发送警告短消息,提醒用户及时排除故障。     

猕猴桃果园不同采样密度下土壤含水率空间变异性研究

为揭示小区尺度乃至微尺度土壤含水率的空间变异性,在杨凌地区猕猴桃果园选取40 m×40 m区域,并在此基础上再以8、2 m为间距进行网格划分,基于经典统计学和地统计学理论,对不同采样密度条件下0~60 cm土层土壤含水率的空间分布特征及其空间变异性进行了研究。结果表明,对于40 m×40 m(L)、8 m×8 m(M)和2 m×2 m(S)3种尺度,0~60 cm深度各土层土壤含水率在水平方向上的变异强度表现为弱变异至中等(偏弱)变异,且随尺度减小和土层深度增加而减小,且所有取样点处0~60 cm深度内土壤含水率在垂直方向上的变异强度表现为弱变异至中等(偏弱)变异。在3种尺度中,土壤含水率存在强烈的空间相关性,表征土壤含水率空间分布形态的半方差函数因尺度不同存在较大差异,L尺度可采用球状和指数模型,M尺度可采用线性模型,S尺度可采用高斯、指数、线性模型。L尺度合理取样数较实际少,而M和S尺度合理取样数较实际多,对于3种尺度,基本表现出0~30 cm土层合理取样数较实际多、30~60 cm土层合理取样数较实际少,表明取样点的合理性分布有待进一步优化。由于地形原因导致当地果园内南北侧土壤含水率空间分布存在较大差异。     

绿洲新垦沙地春玉米农田有限灌溉试验研究

在临泽绿洲耕作层保水能力较差的新垦沙地,开展了春玉米有限灌溉试验研究。结果表明,不同水分处理玉米0~20 cm土层土壤含水量在玉米成熟期以前,以播前水分最高,拔节期达到次高点,灌浆期降至最低点,约为播前水分的39%。20~40 cm和40~100 cm土层土壤水分含量变化趋势基本一致,但与0~20 cm土层有较大差异。在成熟期以前,土壤水分以播前最高,抽雄期达到次高点,灌浆期降至最低点,分别为播前土壤含水量的54%和73%左右;0~100 cm土层全生育期土壤含水量变化趋势与40 cm以下土层基本相似,灌浆期降至最低点,约为播前含水量的55%。玉米的行粒数、穗粒重和千粒重,以对照处理CK为最高。在整个生育期内,植株株高WT1与对照差异不显著,WT2、WT3均高于对照,且WT2、WT3在六叶期分别比对照增加28.4%、8.1%,在抽雄期分别比对照增加17.3%、14.3%,在灌浆初期分别比对照增加5.2%、7.0%。叶面积指数增长最快的阶段在拔节期至抽雄期,增长幅度在72.7%~178.3%之间,WT1在拔节期之前高于对照,之后均低于对照,六叶期比对照增加9.1%;WT2除了在吐丝期略低于对照外,其他时期均高于对照,六叶期比对照增加63.6%;WT3在整个生育期都高于对照,六叶期比对照增加18.2%。     

土壤质地对机采棉土壤水热状况及生长发育影响研究

为了进一步明确玛纳斯河流域土壤质地对机采棉水热状况及生长发育的影响,通过测坑试验,对3种不同土壤质地(壤土、砂土、黏土)下的土壤温度、土壤含水率、机采棉、株高、叶面积及产量进行了对比分析。结果表明,不同土壤质地条件下地温日变化及不同时间段温度增量表现为:砂土黏土壤土;不同土壤质地条件下0~60 cm和0~100 cm土层土壤质量含水率大小顺序为:黏土壤土砂土;不同土壤质地下机采棉的生长及产量均表现为壤土黏土砂土。研究认为壤土质地种植机采棉,提高了其生育前期的土壤温度,有效保持了土壤水分,有利于其生长发育。因此,为了提高水分利用效率及产量,建议玛纳斯河流域应增加壤土质地种植机采棉的比例。     

塔里木灌区膜下滴灌棉田土壤水分动态与耗水特性

土壤水分条件是棉花生长和发育的重要因素。为了研究塔里木灌区膜下滴灌棉田土壤水分特征,于2014年4月18日至10月31日采用中子仪对膜下滴灌棉田0~120cm土壤水分进行观测,分析了不同生育期土壤含水率的时空变化,采用水量平衡原理计算了膜下滴灌棉田耗水量。结果表明:4月中旬到7月中旬为土壤水分稳定期,7月中旬到8月底为土壤水分剧烈变化期,8月底到10月底为缓慢消耗期;0~20cm为土壤水分活跃层,20~60cm为土壤水分次活跃层,60~120cm为土壤水分稳定层;灌溉入渗水主要分布在0~40cm;膜下滴灌棉田苗期、蕾期、花铃期、吐絮期的耗水强度分别为0.63、2.62、7.01、0.71mm/d。