一种土壤盐分传感器的敏感场分析及其校正研究

从基本理论出发,计算了一种新型探针式四电极外部电势的理论分布,通过对敏感场分析得出了该四电极的敏感响应范围为径向直径约1.5倍电流电极间距的椭球体.通过研究土壤表观电导率(ECa)、土壤盐分(EC1:5)和土壤质量含水率(θ)之间的关系,利用非线性回归的方法获得了精度较高的ECa-EC1:5校正模型,为土壤盐渍化调查和监测提供了便捷有效且费用低廉的方法.     

基于差分信号控制的土壤含水率传感器设计

研究土壤含水率的测定对于农作物生长,灌溉及农业自动化发展具有重要意义。该文针对传统含水率传感器电极输出信号谐波失真较大的问题,设计了一种差分信号控制的土壤含水率传感器。鉴于传感器电极输出的信号失真是由于土壤非线性因素引起的,该文利用集成时基计时器设计差分输入信号控制电路,减少输出信号的总谐波失真度。此外,建立相应的数学模型,得到土壤阻抗与信号周期变化关系。构建传感器硬件结构,通过微处理控制器测量信号周期得出土壤含水率变化数值。试验表明,传感器输出端的信号总谐波失真较传统结构减少12.56%。土壤质量含水率在5%~30%时,土壤含水率测试最大误差不超过4.89%,土壤阻抗测试误差不超过2%。     

基于RC网络相频特性的土壤含水率传感器设计

土壤中的水分影响土壤养分的溶解、转移和微生物的活动,是作物赖以生存的基本要素。土壤含水率的快速准确监测对于农业生产具有重要意义。该文设计了一种基于RC网络相频特性的土壤含水率传感器。不同含水率的土壤的介电常数的变化会导致RC电路网络的相频特性的变化。传感器通过感知这种变化进而确定土壤含水率。此外,针对RC网络电路元件参数和工作频率选择的问题,该文采用最优化方法求解从而使传感器在量程范围内具有最佳的灵敏度。其中最优的工作频率为f*=1.9412×108 Hz,最优的串联电阻R*=13.1 Ω。试验表明,该传感器对砖红壤土含水率的预测模型的决定系数R2为0.9889,实际预测误差≤4.58%。     

农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计

为解决传统土壤含水率监测中所存在的监测区域面积小、采样率低等问题,设计和开发了基于无线传感器网络技术的土壤含水率监测系统,包括10个传感器节点,1个簇首和1个基站节点,可按任意时间间隔全自动地采集、处理、传输和存储地表以下4个不同土层土壤含水率变化状况;各类节点采用TinyOS操作系统,节点间通信遵循ZigBee协议;含水率测量采用EC-5传感器;太阳能供电模块的供电能力满足传感器节点及簇首的能耗需求;进行了数据包传输率试验,10个传感器节点中有7个的数据包正确传输率高于90%,1个节点的数据包正确传输率为89.2%,2个节点的传输率低于70%。造成2个节点数据包传输率较低的主要原因是太阳能供电电路制作,通过更换电路板解决了该问题。试验结果表明,系统能够实现稳定的数据传输,适合农田土壤含水率的实时监测。     

土壤含盐量与土壤电导率及水分含量关系的试验研究

应用不同盐分含量土壤，进行了土壤电导率与土壤含盐量关系的试验研究，获得了不同含盐量土壤的电导率随水分含量变化的规律，并且建立了土壤含盐量与土壤电导率及水分含量的关系．本文所用方法简便可行，试验结果具有较高精度．本研究为较精确测定土壤含盐量及快　速进行较大规模盐渍土壤调查提供了一种较佳方法．     

黑土区土壤剖面水分动态变化研究

通过对2007年5-9月作物生长季内农Ikt黑土土壤剖面水分含量的监测,分析了黑土区土壤剖面水分分布特征,季节性动态变化和变异系数.结果表明,在观测期内农田黑土水分在剖面上随土层深度的增加呈现出先增加,再减少,后增加的趋势;土壤剖面各土层土壤水分含量随时间的变化表现为先减小,后增加,再减小的波浪式,这与降雨量的季节性分布和作物生长发育密切相关;在观测期内没有发现激变层,土壤水分变异系数的最大值出现于0-10 cm,随着土层深度的增加变异系数呈减小的趋势.     

积分方法用于校定逆转型土壤盐渍剖面的磁感式电导

Various calibration methods have been propounded to determine profiles of apparent bulk soil electrical conductivity （ECa） and soil electrical conductivity of a saturated soil paste extract （ECe） or a 1：5 soil water extract （EC1：5） using an electromagnetic induction instrument （EM38）. The modeled coefficients, one of the successful and classical methods hitherto, were chosen to calibrate the EM38 measurements of the inverted salinity profiles of characteristic coastal saline soils at selected sites of Xincao Farm, Jiangsu Province, China. However, this method required three parameters for each depth layer. An integration approach, based on an exponential decay profile model, was proposed and the model was fitted to all the calibration sites. The obtained model can then be used to predict EC1：5 at a certain depth from electromagnetic measurements made using the EM38 device positioned in horizontal and vertical positions at the soil surface. This exponential decay model predicted the EC1：5 well according to the results of a one-way analysis of variance, and the further comparison indicated that the modeled coefficients appeared to be slightly superior to, but not statistically different from, this exponential decay model. Nevertheless, this exponential decay model was more significant and practical because it depended on less empirical parameters and could be used to perform point predictions of EC1：5 continuously with depth.     

喀斯特地区洼地剖面土壤含水率的动态变化规律

本文基于连续2年土壤水分的定位监测数据,分析探讨了喀斯特地区不同地质背景(纯灰岩与白云质灰岩)洼地剖面(0～90 cm)土壤含水率的动态变化规律。结果表明:洼地剖面土壤含水率总体较高,且从表层到深层表现为增长型;2009年和2010年土壤含水率的变化均具有明显的分层现象,从上到下依次为活跃层、次活跃层、相对稳定层,但均无速变层,不同地质背景的具体分层略有差异;活跃层和次活跃层集中分布在浅层土壤层,相对稳定层较厚,对应着较差的水文调蓄功能,洼地土壤的水分调蓄功能可能会因其相对较深厚(80～100 cm)的土层而被高估。受降雨、蒸发及植物蒸腾等因素的影响,土壤储水量具有明显的动态变化特征,一年中可分为相对稳定期、消耗期和补给期3个阶段,而土壤水分亏缺的补偿和恢复,主要依靠强度适中、历时较长且雨量较大的降雨,微雨和暴雨的作用较小。     

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,...     

四端法土壤电导率原位快速检测传感器设计与试验

实现土壤电导率的快速获取可为农业生产精准管理提供有效的数据支撑。目前,田间电导率采集在农业生产前进行,需要专门的电导率检测设备对种植田块开展大范围数据采集并生成电导率空间分布图,该方式操作繁琐、费时费力,同时检测的电导率值由于时间滞后原因,难以准确反映农业生产各环节(如播种)实施过程中的真实电导率情况。针对上述问题,基于交流"电流-电压"四端法原理,该研究设计了一种土壤电导率原位快速检测传感器,用于搭载在不同的农业生产机具上,实现土壤电导率的实时检测与作业参数的在线调整。该传感器以STM32处理器为核心,配合电源电路、交流信号源电路、有效值检测电路及其他外围电路搭建了硬件及软件架构,同时集成了信息的实时检测与显示、定时存储与无线传输等功能,实现了土壤电导率的原位高精度获取。传感器标定试验及工作稳定性试验结果表明,传感器输出值与DDB-303A电导率仪测得的电导率值呈明显线性关系,线性拟合R2为0.995,且在不同电导率水平下,连续测量的标准偏差均小于0.76μS/cm,具有较高的准确性及工作稳定性。与JXBS-3001传感器在实验室条件下(温度25℃),对配置的不同电导率浓度土样(含水率15%)检测的对比试验结果表明,所设计的电导率传感器的测量误差及响应时间更低,绝对误差为-5.9～19.4μS/cm,相对误差为-1.05%～2.39%,响应时间小于2.01s。利用电导率传感器在现场(温度20.6℃)对地块不同位置测量的绝对误差为-11.36～25.30μS/cm,相对误差为-7.91%～7.88%。综合而言,该研究所设计的土壤电导率传感器能快速准确的检测土壤电导率信息,可为无人农场的土壤信息采集提供一种高精度的检测工具。     

三深度土壤水分传感器的研制及试验

针对当前植物根区不同深度下土壤含水量测量存在的传感器安装困难、对原位土壤扰动大以及传感器间一致性差等问题,该文基于阻抗法设计了一种三深度土壤水分传感器。该传感器不仅可以同时测量3个不同深度的土壤含水量,并且在安装时对原位土壤扰动极小。试验标定结果显示,该传感器具有较高的精度,所测的土壤含水量与烘干法所得的实际含水量非常吻合,决定系数R2和均方根误差(RMSE,root mean square error)分别达到0.996和0.013 cm3/cm3;传感器可适用于多种不同质地的土壤,在3种不同质地土壤中的输出灵敏度均大于1V/(cm3/cm3)。传感器的输出与土壤体积含水量呈现良好的线性关系,对黏土、砂土及壤土的决定系数R2分别达到0.983、0.965和0.975;土壤水分入渗试验结果进一步表明,该传感器性能良好,3个不同深度的传感器电极具有较高的一致性,在壤土和砂土样本中3个深度传感器电极的输出,相对误差分别小于2%和5%。     

采用探地雷达频谱分析的复垦土壤含水率反演

快速、准确、无损获取采煤塌陷区复垦土壤含水率分布情况是实现精准灌溉的基础和关键.该研究以安徽省淮北市某塌陷复垦区土壤为研究对象,借助探地雷达系统对试验区土壤进行探测,并对周围未复垦区域设置对照组,通过线性调频Z变换频域细化法(Chirp-Z-Transform,CZT)寻找特征频率,结合瑞利散射原理分析不同土壤体积含水...     

Investigating soil physical properties and yield response in a grassland field using a dual‐sensor penetrometer and EM38

Precision‐farming applications are mainly based on site‐specific information of soil properties at the field scale. For this purpose, a number of novel sensor techniques have been developed but not intensively tested under different field conditions. This study presents a combined application of a self‐developed dual‐sensor vertical penetrometer (DVP) for measuring volumetric soil water content (VSWC) and cone index (CI), and an EM38 for soil apparent electrical conductivity (EC_a) in a pasture (1.4 ha). To verify the feasibility of the DVP for interpreting the depth‐specific information in the field, not only the soil physical properties and their geographical coordinates were measured, but also geo‐referenced yield data were collected. We found that the yield pattern was quite similar to the soil water‐content pattern of each layer (layer‐1: 5–15 cm; layer‐2: 15–25 cm, layer‐3: 25–35 cm) and EC_a pattern. Using the map‐based comparisons in conjunction with the statistical analyses, the effect of each measured soil physical property (VSWC, CI, and EC_a) on the yield was investigated. The regression between the yield and VSWC at each layer fitted a quadratic equation (R² = 0.515 at 5–15 cm; R² = 0.623, at 15–25 cm; R² = 0.406 at 25–35 cm). The negative correlation between yield and CI at each layer fitted a linear model with R² ≥ 0.510.     

水分亏缺程度对变量灌溉水分传感器埋设位置预判的影响

基于土壤黏粒含量遴选可代表平均土壤含水率的点位,是确定变量灌溉系统土壤水分传感器网络埋设位置的重要方法。为了评估水分亏缺程度对传感器埋设位置的影响,该研究通过在不同土壤可利用水量管理区内设置不同的水分亏缺灌溉处理,基于土壤含水率时间稳定性原理,分析了水分亏缺程度和土壤性质对冬小麦主要根系层内土壤含水率空间分布结构相似性和直接代表平均土壤含水率点位的影响。结果表明,受土壤性质和水分亏缺程度的影响,在土壤砂粒含量随土层深度增加而增大的1区,土壤含水率空间分布结构相似性仅在2016年的雨养处理达到了显著水平(P0.05),而在土壤剖面质地均匀的2区,2016年的雨养和高、中、低水分亏缺处理和2017年的中、低水分亏缺处理均达到了显著水平(P0.05)。在冬小麦主要根系层内,不同土壤性质管理区直接代表平均土壤含水率点位占总测点数的比例基本相等。受水分亏缺程度的影响,1区直接代表平均土壤含水率的测点比例随水分亏缺程度减小而增加,2区则呈先减小后略有增加趋势。除2016年高水分亏缺处理外,0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.6 m土层代表平均土壤含水率点位的黏粒含量与该土层平均黏粒含量之间均存在显著的线性关系(P0.05),2 a拟合系数变化范围为0.66~1.03,且2017年拟合系数随土壤水分亏缺程度增加呈增大趋势。因此,在砂壤土地块变量灌溉管理区内,基于管理区平均土壤黏粒含量进行土壤水分传感器埋设位置遴选时,需根据拟采用的水分亏缺管理模式对拟合系数进行修正。     

Comparison of Geonics EM38 and Dualem 1S electromagnetic induction sensors for the measurement of salinity and other soil properties

The electromagnetic induction (EMI) Geonics EM38 (G‐EM38) and Dualem 1S (D‐1S) sensors are used frequently for assessment of soil salinity and other soil characteristics in irrigated agriculture. We compared these two sensors to determine whether they could be used interchangeably for the measurement of apparent soil electrical conductivity (ECa) in horizontal (ECa‐h) and vertical (ECa‐v) coil receiver modes. Readings were taken at 201 locations identified in three irrigation districts in both modes, and statistical comparisons were made on the raw data and from maps of a 2‐ha irrigated field made using 1680 horizontal mode readings. Both sensors gave the same ECa‐v readings (mean G‐EM38 and D‐1S difference = 0), whereas the ECa‐h readings were slightly greater with the Geonics EM38 than with the Dualem D‐1S (mean difference = 0.075 and 0.05 dS/m for the 201 and 1680 observations, respectively). The degree of coincidence between both sensors for soil profile ECa classification was acceptable: 82% for normal profiles (i.e. ECa‐h/ECa‐v < 0.9) and 90% for inverted profiles (i.e. ECa‐h/ECa‐v > 1.1). In practical terms, Geonics EM38 and Dualem 1S sensors could be used interchangeably with similar or very close results.     

基于遗传算法的土壤墒情传感器优化布局策略

针对用于节水灌溉的土壤墒情传感器布局问题,该文提出一种结合了基于全局优化遗传算法和改进的加权圆集布局理论的人机交互优化布局策略。该策略综合考虑了传感器覆盖精度、重叠限制等约束条件。通过在人机交互中引入专家知识和在遗传算法中采用十进制编码,策略易于与其它算法和附加参数协作以进行升级或移植于其它的应用场合。在给定传感器成本的仿真实验中,该文算法比四边形方案节约成本17.5%,比六边形方案节约成本34.0%。     

积雪覆盖条件下土壤液态含水率空间分布

为了揭示季节性冻土区积雪覆盖条件下土壤垂直剖面各层次液态含水率序列的复杂性变化过程,基于(2013年11月-2014年4月)实测的田间数据,分析了裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下5、10、15、20、40、60、100、140、180 cm土层土壤液态含水率的变化过程,采用变异系数、方差等指标评价其时间序列的离散程度,同时利用小波变换信息量系数(wavelet transform information cost function,WT-ICF)值对含水率序列的复杂性进行识别验证。结果表明:冻融期,积雪覆盖阻碍了土壤与环境之间的水汽传输与能量交换过程,裸地处理条件下土壤含水率变幅最大的层面出现在20 cm土层处,其含水率变幅为18.31%,自然降雪、积雪压实和积雪加厚条件下其最大变幅层面分别为15、15、10 cm,层面逐渐上升;裸地处理条件下20 cm土层处的离散程度最大,随着积雪覆盖厚度的增加和密度的增大,序列离散程度最大的层面逐渐上移,其变异系数依次为6.0189%、6.1367%和6.8546%,波动性增强;小波变换信息量系数能够精确的测算各土层土壤含水率的复杂度,裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚处理条件下其复杂性活跃层依次为21、18、14和10 cm,积雪的存在导致了环境因子对于土壤的影响区域减小,复杂性活跃层向地表移动。该研究揭示了北方寒区冻融期土壤水分迁移的复杂性特征,对于合理预测春播期土壤墒情,精准、高效的利用土壤水资源具有指导意义。     

基于磁感式土壤表观电导率空间变异性的插值方法比较

针对目前黄河三角洲地区存在的土壤盐渍障碍问题,以该地区典型地块为研究对象,运用磁感大地电导率仪(EM38),结合GIS与地统计学研究了不同样点密度下土壤表观电导率的空间变异特征,确定了最佳的空间插值模式,并采用偏差指数对各分布图层的空间相似性进行了评价。结果表明：不同样点密度下的土壤表观电导率均呈中等变异强度,并服从对数正态分布;各样点密度下的土壤表观电导率均表现为强空间相关性,其空间变异主要表现在小于10 m的田间尺度上,且对于预测精度,泛克立格>普通克立格>反距离权重>局部多项式。偏差指数法分析表明,各插值方法分布图的空间相似性均随样点密度的降低而下降;对于相同的样点密度减小比例下的空间信息保留度,泛克立格>普通克立格>反距离权重>局部多项式,采用泛克立格法可以在保证预测精度的基础上合理降低样点密度。该研究为黄河三角洲地区盐渍土地磁感式田间数据采集的合理密度确定以及优化空间插值模式选取提供了理论依据与技术参考。     

Apparent electrical conductivity integrated from layered soil profiles

Time domain reflectometry (TDR) trace analysis aims at extracting the water content profile along TDR probes. This can be done by applying a TDR forward solver inversely. Thus, TDR‐trace inversion is basically an optimization problem. As in any optimization procedure, it is worthwhile to include as much a priori information as possible about the problem to be solved. In this study, we discuss the feasibility to use the apparent electrical conductivity as constraint for the TDR inversion. The resistors‐in‐parallel circuit can be used to integrate a multislice soil model to obtain the apparent electrical conductivity. We apply additionally Archie's law to link the water content of a particular slice with its electrical conductivity. We compare the results from this approach with measured TDR traces and show that the problem is solved exactly. Finally, we address the thin‐layer issue because thin layers with a high permittivity contrast result in a delay of the run time of an electromagnetic pulse. We test numerically whether a similar behavior can be observed for a thin layered electrical conductivity profile. Our results show that the thickness of the soil layer with respect to electrical conductivity has no effect on the apparent electrical conductivity. We conclude that the apparent electrical conductivity is appropriate as boundary condition in TDR inversion as long as a procedure is known to convert the water content of a slice to its electrical conductivity