土壤水分剖面测量系统设计与应用性能检验

针对农田环境下观测不同作物根区土壤水分变化的实际需要,研制了一种可快速获取0～200 cm深度范围内土壤剖面含水率的传感器及其测量系统。其中水分传感器工作原理为基于电容边缘场效应测量电极周围介质的介电常数,与土壤接触采用PVC套筒式结构,深度测量为霍尔磁敏传感器阵列,测量系统数据处理平台为PDA。对于测量方法的理论研究,该文给出了传感器工作原理的解析分析,进一步提出了传感器应用性能检验的试验方法。结果表明,该传感器性能指标达到实际应用需求,具备应用推广价值。     

土壤水分介电频差式传感器的研究

在分析了非盐碱性土壤相对介电常数、电导率和最大电导抽耗角变化规律的基础上,提出了一种新型介电频差式土壤水分传感器,研究了其量测特性,研究表明：在测量频率段内非盐碱性土壤的电导损耗角正切值大,土壤为高变损耗材料,利用频差式LC谐振电路,大幅度提高测量回路的品质因数,可以有效消除土壤电导变化对介电常数测量的干扰,以此为基础研制的土壤水分传感器可以基本上满足非盐碱性土壤定点水分测量的要求。     

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     

番茄种植地土壤水分传感器最佳埋设深度试验

土壤水分传感器测定土壤含水率从而指导灌溉,对于提高作物水分利用效率和产量都具有十分重要的意义。对番茄种植中产量与水分利用效率最佳的水分条件以及土壤水分传感器的最佳埋设位置进行了试验研究。结果表明,在开花坐果期土壤含水率下限控制在60%的田间持水率,结果盛期土壤含水率下限控制在75%的田间持水率是番茄生长的最优水分条件;同时,10-20cm土层土壤含水率能很好地代表计划湿润层内的平均土壤含水率(开花坐果期和盛果期R²分别达到0.95和0.85以上),把土壤水分传感器埋设于此土层深度比较合理。     

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,...     

基于EM38-MK2的南疆干旱区表观电导率反演土壤水分研究

土壤水分含量是农田进行定额灌溉的基本参数,南疆地处干旱区,土壤水资源稀缺,实现田间定额灌溉更利于充分利用土壤水分。EM38-MK2快速和高效获取土壤水分含量数据,适时监测土壤水分含量,可成为农田精准灌溉的重要途径。用EM38-MK2测定轻度、中度和重度3个不同程度盐渍化区域土壤0～0.75 m和0～1.5 m的表观电导率,结合同步采集的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土壤剖面剖面及室内测定含水量数据,对比三个不同盐渍化程度表观电导率反演土壤含水率模型精度,比较分区模型和全区模型的反演精度,分析土壤盐分含量对反演土壤含水率精度的影响。结果表明,用EM38-MK2对土壤含水率反演效果在轻度盐渍化表现最好,中度盐渍化次之,重度盐渍化较差。不同深度土层的分区模型精度均高于全区模型精度,分区模型R²为0.73～0.88,RMSE低于全区模型,全区模型各层的RPD均低于1.5,不具备预测能力。土壤盐分含量对土壤水分的反演有影响,并且随土壤盐分含量的增加,反演精度下降。     

土壤水分动态及防灾减灾分析研究

通过对林地土壤水势和土壤含水量变化规律得出在降雨人渗过程中，土壤水分变化过程是零通量面发散和收敛型的相互转换；土壤含水量和土壤水势变化规律基本相同，林地10-20cm剖面水分变化受环境影响最显著，属表层急变型；30cm剖面水分变化相对缓慢为过渡层；50-100cm剖面水分变化较为一致，含水率也较为接近为稳变层。     

电介质型水分传感器测定栽培基质含水率的标定模型

土壤与基质的理化特性相差较大,土壤水分传感器测定基质含水率时有较大误差,不能直接用于基质含水率测定。为实现栽培基质水分快速检测,在不同配比的基质中采用电介质型EC-5土壤水分传感器进行了适应性测试。试验研究了温度、体积质量和电导率对传感器输出值的影响,采用多项式和线性回归处理方法,建立了基于温度、体积质量影响下的基质含水率标定模型。试验表明,经标定后,EC-5电介质型土壤水分传感器的测定含水率与实际含水率之间有较好的线性关系（R2＞0.9791）,且最大误差小于13%,因此,EC-5电介质型土壤水分传感器经标定后可作为基质的快速检测设备。     

基于Wenner和Schlumberger双组态融合的土壤电导率测量装置

土壤电导率的准确、实时和原位获取可为农业生产精准管理提供有效的数据支撑,为提高传统电流-电压四端法测量精度,该研究基于电流-电压四端法3种测量组态,开展土壤电导率主要影响因素（土壤含水率、电极入土深度、土壤坚实度和土壤处理方式）对电流-电压四端法的3种测量组态测量精度影响的试验。结果表明,Wenner和Schlumberger两种测量组态可较好的适用于不同土壤环境条件。进一步以Wenner和Schlumberger两种测量组态所测土壤电导率值为输入量,基于BP神经网络构建了双组态融合的土壤电导率回归模型,并在此基础上设计了一种土壤电导率测量装置,该装置主要包括JESTON nano、STM32单片机数据采集模块、传感器、激励源及差分放大模块等组件。工作稳定性试验结果显示,该装置在不同土壤电导率梯度条件下测量数据的标准偏差均小于0.43 μS/mm,田间性能对比试验结果显示,该装置测量数据的均方根误差值为0.18 μS/mm,测量精度优于传统单独测量组态和市面常用土壤电导率测量仪,以上结果表明所研制的土壤电导率测量装置具有较好的工作稳定性和测量精度。该研究可为田间土壤信息的实时原位采集提供一种高精度的检测工具和技术手段。     

水蚀风蚀交错带土壤剖面水力学性质变异

土壤剖面水力学性质的确定是土壤水分动态预测的基础。该文在水蚀风蚀交错区六道沟流域分别对居于坡中和坡上两块样地160 cm土层不同深度未扰动土壤的水分特征曲线进行了测定，将Van Genuchtens水分特征曲线模式与Mualem导水模式相结合，确定了两样地土壤剖面的水力学参数，对水力学参数在剖面的变化进行了分析。结果表明，土壤剖面饱和含水率、滞留含水率、进气吸力倒数和孔隙大小分布因子沿剖面变化不大，滞留含水率、进气吸力倒数属于中等程度变异，饱和含水率和孔隙大小分布指标属于弱变异，但经方差检验均不显著，说明该地区160 cm土壤剖面可以处理成均质剖面。     

土壤水分-基质势-温度复合传感器研制

土壤水分、基质势是描述土壤持水特性的重要参数,不同类型土壤的水分特征曲线存在明显差异。目前在野外环境下通常采用传感器分离测量法测定土壤水分特征曲线,但因土壤的空间异质性导致较大的测量误差。为此,该研究设计了一种可同步测量土壤水分、基质势和温度的复合传感器,主要组成部分包括32位MCU主控芯片、继电器切换模块、介电水分/基质势测量模块和温度测量模块,主控芯片通过控制继电器切换实现土壤水分、基质势和温度的同步测定,同时进行温度校正。采用森林土壤、农田壤土和砂土对复合传感器进行性能测试、标定和观测试验,并与商业化仪器的测量结果进行对比。结果表明：在干燥至近饱和范围内,复合传感器测定的土壤水分和基质势均具有良好的单调性,决定系数R2均大于0.98,土壤体积含水率和基质势的测量范围分别为0～40%和-1 500～-15 kPa,水分和基质势的响应时间分别为450 ms和150 s。采用商业化仪器分离测量方法与本文复合传感器分别同步测定森林土壤、农田壤土和砂土的水分特征曲线,2种方法测得的土壤水分特征曲线的皮尔逊相关系数均大于0.96。本文研制的复合传感器可以实现不同类型土壤水分特征曲线的准确测定,为农业生产和环境监测等领域提供可靠的技术支持。     

土壤探针阻抗计算方法的理论分析与实验研究

在基于TDR、FD和SWR等不同方法的土壤水分测量仪器中 ,多针土壤探头作为采样传感器的一个重要组成部分 ,深入研究它的阻抗计算方法对于改进这些仪器的测量精确度具有很高的理论与应用价值。由于描述多针土壤探头电磁特性的麦克斯韦尔方程的边界条件很难确定 ,所以试图利用麦氏方程的解析解分析其阻抗特性从理论上说是“可望而不可及”的。本文依据高频传输线阻抗变换理论与数学分析中夹逼定理的思想 ,提出了一种土壤探针阻抗计算模型。进一步通过对该模型的计算机仿真与实验研究 ,发现土壤探针的阻抗特性可随着测试频率与针长等相关参数的改变在感性负载与容性负载间相互转化。此外 ,当这些相关参数改变时 ,土壤探针的阻抗计算模型还存在着周期性的间断点。     

近红外反射土壤含水率测量仪设计

水资源是制约中国农业生产最重要的因素之一,土壤含水率的检测对农业生产实践具有至关重要的指导意义。该文根据土壤水分对不同光谱的吸收和反射特性,以发光二极管作为测量仪器光源,中心波长为1 940 nm的光为测量光,1 800 nm为参考光设计了专用的测量电路和相应的软件程序来测量土壤含水率。系统光源发出的光照射到土壤表面,经反射后光电转换器,再送至放大电路、模数转换器、显示和存储。试验表明:土壤含水率与相对吸收深度之间存在正比例关系,线性回归的确定系数为0.86。为了证明测量仪器的测量进度,将实际土壤含水率与仪器的测量结果进行比较修正,结果表明:烘干法与本仪器测量的土壤含水率的结果的均方根误差均为3.9%。因此,本次设计的测量仪器可满足对土壤含水率的测量要求,研究结果在指导农业生产,水资源合理利用,精细灌溉的实时监测中具有良好的应用前景。     

附加电阻法快速测定土壤含水率的试验

为了消除电容土壤水分检测中电导影响,提出了基于附加电阻的高频电容土壤水分测定技术,分析了高频电容土壤水分传感器的机理, 建立了基于附加电阻的高频土壤水分数学模型,通过求解土壤水分引起的电容因子,消除了电导的影响,设计了基于附加电阻的平行板电容传感器土壤水分测试电路,并进行土壤测试试验。结果表明：土壤水分引起的电容值与土壤的质量含水率在1%～22%范围内呈线性关系,且基于附加电阻的高频电容土壤水分的测试值 小于2%。     

蜜瓜和西瓜果汁的射频介电特性及其与糖度的关系(简报)

为了解果汁的介电特性与其主要内部品质——糖度之间的关系,该文利用末端开路的同轴探头和阻抗分析仪测量了10 MHz～1.8 GHz的频率范围内不同成熟度的3个品种密瓜汁和4个品种西瓜汁的介电特性,同时测量了反映果汁糖度的可溶性固形物含量和果肉的含水率,分析了介电特性和糖度间的关系。结果显示：密瓜和西瓜果汁的相对介电常数和介质损耗因数皆随频率的增大单调减小,品种间的差异对介电特性有影响;1.8 GHz下密瓜汁的损耗角正切与糖度有较好的线性关系,其决定系数为0.784,但西瓜汁的介电特性与糖度的相关性较差;密瓜和西瓜果汁的糖度与果肉的含水率有很好的线性相关性,其决定系数分别为0.973和0.906。该研究将为基于介电特性的果汁糖度检测仪的开发提供了研究基础。     

黄土高原人工林对区域深层土壤水环境的影响

通过对典型黄土区 1 0m土层土壤水分的分析表明 :黄土高原土壤深层具有丰富的土壤水资源 ,3～ 1 0m土层内土壤水资源从南部的 1 0 86.8mm逐渐降低到北部的 5 2 4.1mm ,各地土壤水资源量约相当于当地多年平均降水量的 2倍。在 1 0m土壤水分剖面内 ,随土层深度的变化土壤含水量具有波动性和相对稳定性的特征。以荒坡地或低产农田为对照 ,通过对比分析发现 ,黄土高原目前主要的造林树种可利用 9～ 1 0m以下土层的土壤水资源。在黄土高原半干旱气候背景下 ,人工林植被的耗水主要使黄土区中北部地区 3～ 8m土层土壤含水量降低到长期接近或低于凋萎湿度 ,形成难以恢复的深厚土壤干层。人工林大量耗水形成的难以恢复的土壤干层是黄土高原特殊的生态水文现象 ,是目前区域人工植被生态系统不稳定性的体现。同时表明 ,黄土高原营造的人工林尚不能达到涵养水源之功能。     

电容法猪肉含水率快速检测的研究

猪肉的含水率检测对猪肉市场管理、贮藏和加工有很大的意义。为快速检测猪肉含水率,采用电容法设计并制作单一平面电容传感器探头和硬件电路,采用干燥法制作标准含水率样品,对传感器进行标定与验证试验。试验结果表明,利用电容法可以快速检测猪肉的含水率,含水率在60%～76.4%,测量误差±1.2%以内。温度特性试验表明猪肉的介电常数受温度影响很小,在常温范围内温度影响可以忽略。该研究可为猪肉市场管理、贮藏和加工提供参考。     

Measurement of volumetric water content by TDR in saline soils

Time-domain reflectometry (TDR) evaluates the bulk dielectric constant, K, of the soil by measuring the travel time of an electromagnetic pulse through a sensor, and through it estimates the volumetric water content. We show that for saline soils the effects of conductivity and frequency on the travel time cannot be neglected and that, as a result, TDR systematically overestimates the water content in saline soils. Simultaneously the bulk electrical conductivity of soils can be estimated by TDR. The equivalent impedance after multiple reflections is related to the bulk electrical conductivity, σ This relation differs from sensor to sensor and requires calibration for each individual sensor. A method is proposed for correcting the volumetric water content in saline soils. First, the bulk electrical conductivity, o, is estimated from the equivalent impedance at a specific equivalent distance of cable, several times the actual length of the sensor. The zero-salinity dielectric constant, K_O, of this soil is obtained by correcting the apparent K as a function of the measured bulk electrical conductivity. The volumetric water content is estimated from K_o. The correction of K is a function of the equivalent frequency of the electromagnetic pulse. The imaginary part of the dielectric constant is primarily due to ohmic losses. The model, which calculates the velocity of propagation of the electromagnetic pulse and which takes into consideration the imaginary part, performs reasonably well. An empirical approach based on calibration gave slightly better results.