时域反射仪测定高含盐土壤盐分研究

采用室内试验的方法,通过使用时域反射仪(TDR100)测定不同含盐量及不同含水率土样的电导值,与采用电导率仪测定的土壤溶液电导值及烘干法测得的含水率值进行比较。结果表明,它们之间存在显著的线性关系。并根据测定结果得到标定公式,提出使用TDR测定高含盐量土壤含盐量的方法。试验结果可为河套灌区野外测定土壤含盐量提供参考。     

便携式土壤电导率测试仪改进设计及实验

对基于"电流-电压四端法"的便携式土壤电导率测试仪进行了改进设计,对仪器的稳定性和重复性进行了测试.以北方潮土为研究对象,研究了土壤电导率随含水率和盐分含量变化的规律.实验表明,改进设计显著提高了仪器的重复性和测量精度.系统最大相对误差不超过4.4%,具有良好的稳定性;土壤电导率在含水率为8%～30%范围内呈线性变化,相关系数为0.9635;当盐分含量为0.1%～0.3%时,土壤电导率变化显著,呈线性变化;当盐分含量高于0.3%时,土壤电导率值基本稳定.     

车载式土壤光-电特性参数采集系统研究

土壤电导率是衡量土壤传导电流能力的一种固然属性,除了能够反映土壤质地外,还能够反映土壤的含水率、含盐量、有机物含量等特性。利用土壤光谱数据可以分析出土壤含水率、养分等,且测量过程中无需采样、搅动土壤。通过土壤电导率数据和光谱数据的综合、校正,能够提高系统的精度。基于嵌入式技术开发了土壤电导率和光谱反射率综合检测系统。土壤电导率测量系统采用基于改进的电流-电压四端法原理,使用深松犁的尖端作为电极传感器,能够在测量的同时完成松土的作用。光谱测量系统使用微型光谱传感器采集光谱数据,并进行实时处理。在采集土壤电导率、光谱数据的同时,系统同步采集GPS信息,并和土壤电导率、光谱数据一起保存,供进一步绘制土壤特性分布图使用。系统能够实时综合处理多种数据,并进行显示、保存等操作,具有良好的应用 前景。     

基于Mega16的灌溉自动控制系统的设计

为了降低灌溉自动控制系统的成本,增强其实用性,研究设计了一种基于Mega16的灌溉自动控制系统.在3种质地不同的土壤中,对自制的基于电导原理的土壤水分传感器进行了标定试验.结果表明,在同一土壤类型和同样的耕作条件下,土壤的含盐量保持基本不变,土壤的电导率和土壤的体积含水率之间近似成线性关系.该灌溉自动控制系统能实时监测土壤水分,并进行及时和足量的灌溉.     

基于非线性耦合的土壤电导率传感器标定方法

针对土壤电导率传感器测量不准确的问题,提出了不考虑含水率θ与考虑θ的非线性耦合标定模型,并开展了土壤电导率传感器的标定与验证试验。标定试验采用新疆维吾尔自治区阿拉尔市十团苹果园沙土,使用去离子水与NaCl设计了9组含水率梯度与6组含盐量梯度共54组土样,分别使用土壤电导率传感器与高精度电导率仪对土样的电导率进行测量;根据耦合模型分别对不考虑θ、考虑θ以及考虑θ细分的3种处理进行拟合分析;最后对同一苹果园设计了大田验证试验。结果表明,土壤电导率传感器测量的电导率EC₀以及电导率仪测量的电导率EC₁与土壤含盐量均呈正相关,EC₀随θ的增加而增加,EC₁随θ的增加而减少;3次拟合结果表明,θ对电导率测量有显著影响,随θ细分,3个处理的残差逐渐减小,拟合决定系数R²均不小于0.839且逐渐增大;验证试验结果表明所提出耦合模型可以有效提高电导率测量精度,该标定方法可为土壤电导率准确测量以及土壤电导率传感器标定校准等相关研究提供依据。     

测试土壤含水率和电导率的时域反射仪系

研究了用于土壤参数测试的时域反射仪(TDR)系统原理与电路实现方法.根据系统设计要求设计出时域反射仪样机,该样机脉冲发生电路产生140 ps上升沿的时域脉冲,接收电路等效采样精度为8.69 ps,并设计了时域反射仪系统控制程序,给出了程序的系统控制和数据处理流程图.利用研制的TDR样机对两种土壤样本的相对介电常数进行了测试,反演了土壤样品的体积含水率,同时利用采集波形反演计算出不同湿度土壤样品的体积含水率和体积电导率,反演体积含水率与称量法测的结果接近,测试误差均小于4%.     

四端法土壤电导率传感器恒流源设计与试验

土壤信息对于指导农业生产有着极为重要的作用,土壤电导率反映了土壤含水量、盐分、粘粒含量和类型等土壤信息,准确获取土壤电导率对于实现农业精细化生产意义重大。在各种土壤电导率测量方法中,四端法因其成本低、精度高、测量快速和操作简便而大量应用于实际测量;恒流源是四端法测量仪器的重要组成部分,其性能直接决定着测量仪器的精度以及测量范围。本文对比了3种恒流源对测量仪器测量性能的影响,发现采用Howland恒流源的四端法测量仪器高电导率测量能力强而低电导率测量范围较小,测量精度最高;采用改进型Howland恒流源的四端法测量仪器低电导率测量范围有所扩大,测量精度良好;采用基于差动放大器的恒流源的电导率仪低电导率测量范围最大,高电导率测量范围较优,测量精度良好。     

土壤多参数复合测试系统研究

设计了一种同时采集土壤含水率、电导率及温度的多参数复合测试系统,对基于驻波率原理的土壤含水率测量方法、基于电流电压"四端法"的土壤电导率测量方法和基于"铂电阻"的土壤温度测量方法做了较为深入的研究。以北京地区土壤为测试样本,土壤含水率、温度及电导率传感器的输出与对应的测量值线性拟合相关性分别为0.998 3、0.999 8、0.999 1,动态响应时间依次为土壤含水率460 ms、温度13 s、电导率2.28 s,稳定性测试结果的标准差分别为土壤含水率0.011 5、温度0.001 4、电导率0.010 3,系统稳态及动态性能均满足土壤多参数的测量要求。对土壤多参数复合测试系统的抗干扰性能进行了分析与论证,得出在采用分时供电的前提下,多参数复合测试系统的干扰主要存在于土壤含水率与土壤温度之间,即土壤温度探针作为介质异物会造成土壤含水率测量值的升高,这是一个系统误差,可在数据处理中进行统一补偿。选用得到普遍认可的土壤含水率传感器、土壤温度传感器、土壤电导率传感器与本研究的土壤多参数复合测试系统进行性能对比研究表明:本系统满足土壤含水率、温度和电导率实时在线测量的要求,可以为精细农林业提供一种高精度的便携式土壤多参数检测工具。     

大田土壤电导率快速检测系统设计与试验

为评价土壤肥力、生产能力及制作精准施肥处方,基于四端法原理设计了一种车载式大田土壤电导率快速检测系统,系统包括交流恒流信号源、信号检测调理电路及GNSS定位系统,可实现土壤田块不同区域内电导率的快速检测.通过试验探究土壤含水率、土壤浸出液电导率、电极入土深度、土壤温度对电极输出信号的影响规律并根据试验结果回归得出预测模...     

土壤水盐空间异质性及尺度效应的多重分形

为了揭示研究区域林地内土壤含水率和电导率的空间分布特征及尺度效应,利用多重分形方法,对杨凌一林地内不同采样时间和不同采样面积下土壤含水率和电导率的空间异质性进行了研究。结果表明：3种采样面积下土壤含水率和电导率的空间异质性都分别随平均含水率和电导率的增大而减弱。随采样面积的增大,平均含水率和电导率较高时,土壤含水率的空间异质性趋于增强,土壤电导率的尺度效应不明显;平均含水率和电导率较低时,土壤含水率和电导率的空间分布都存在明显的斑块结构。不同采样时间和不同采样面积下土壤含水率和电导率的多重分形谱的形态有所差异,表明引起他们空间异质性的信息有所不同。多重分形分析能揭示出较多的采样林地内土壤含水率和电导率分布的局部信息。     

黄河三角洲盐渍土蒸发对土壤盐分变化的响应特征

为了探明黄河三角洲盐渍土蒸发对土壤盐分变化的响应特征,采用矿化度分别为5,10,30,50,70,90 g/L的咸水灌溉黄河三角洲0~40 cm土壤,获得不同盐分梯度的盐渍土处理,依次标记为处理T1—T6,并测定各处理的土壤含水率和电导率、蒸发强度和累积蒸发量等指标.结果表明,蒸发过程中表层土壤含水率和电导率均随土壤含盐量增加呈逐渐增加趋势;蒸发结束时,处理T1—T6的土壤表层平均含水率比试验初期降低了80.0%~95.8%,表层含水率的降低幅度随着含盐量增加而逐渐降低;土壤表层电导率分别增加135%~330%,且蒸发前期表层电导率增加幅度明显高于蒸发后期.土壤含盐量对土壤剖面含水率及电导率分布影响差异具有统计学意义,蒸发结束时,处理T1—T6表层0~2 cm比3~6 cm土壤含水率低了8.3%~30.5%,土壤电导率则高了82%~196%,且随着土壤含盐量增加,盐分对土壤剖面盐分分布的影响逐渐增强,表层与深层土壤含盐量差异逐渐增大.蒸发过程中,土壤平均蒸发强度和累积蒸发量随土壤含盐量增加呈降低趋势,处理T1—T6的平均蒸发强度为3.5×10^-4,3.5×10^-4,3.4×10^-4,3.2×10^-4,3.0×10^-4和2.7×10^-4 mm/d,土壤累积蒸发量分别为26.13,26.20,25.50,24.26,22.50和20.58 mm,且蒸发前期各处理的土壤平均蒸发强度及累积蒸发量均高于蒸发后期,土壤含盐量对土壤蒸发的抑制作用主要在蒸发前期.研究表明土壤含盐量可影响土壤剖面含水率与电导率分布以及土壤蒸发强度和累积蒸发量.     

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。     

冻结作用下土壤电导率变化特征的室内试验研究

为了研究土壤冻结过程中土壤液态含水率和土壤质地对电导率变化特征的影响,采用TDR对恒温冻结过程中3种质地(沙土、沙壤土、黏土)土壤在3种初始土壤含水率(10%、15%、20%)条件下的土壤液态含水率和电导率进行了监测。结果表明:在恒温冻结过程中,土壤液态含水率随冻结时间的增加而减小;土壤电导率随液态含水率的降低而减小,初始土壤含水率越高,电导率降低值越大,S20、R20和N20降低值分别为2.11、2.50和2.47 dS/m;土壤黏粒含量越多,土壤电导率越高。冻结过程中土壤电导率与土壤液态含水率较好地符合对数函数关系,沙壤土拟合效果较好,R~2均大于0.945。研究结果可为我国季节性冻土区农业生产和土壤盐渍化防治提供参考。     

基于频域法传感器的基质含水率检测性能研究

本文对基于频域法FDS-100型土壤含水率传感器在基质含水率中的检测性能进行了研究。首先,对不同配比的基质,使用FDS-100型传感器测量并将测量结果与干燥法得到的标准含水率进行对比,将FDS-100型传感器与ECH2O-5TE型基质含水率传感器在混合基质中的测量性能进行对比,并研究了压实程度、电导率和温度对传感器性能的影响。试验结果表明：FDS-100型传感器在不同配比基质中得到的测量值并不遵循同一曲线;测量值随压实程度增大而增大,测量误差在-1%~10%之间;电导率对测量值有一定影响,测量误差在±5%之间;温度对FDS-100型传感器测量值影响极小,测量误差在2%以下;FDS-100型传感器与ECH2O-5TE型传感器之间的相对误差为4.32%。FDS-100型传感器可用于基质含水率检测,但在实际使用时需要针对不同基质与不同压实程度进行标定。     

基于交流“四端法”的土壤电导率在线实时检测系统

设计了一种土壤电导率在线实时检测系统,给出了交流"四端法"测量土壤电导率的全套设计方案,完成了信号源、交流恒流源、探针结构、传感器信号调理电路以及采集系统的设计,与直流"四端法"土壤电导率传感器相比,交流"四端法"测量土壤电导率方法具有更佳的检测性能。通过与国外同类产品对比研究,本测试系统性能达到了国外同类产品水平,具有更高的性价比。以北京地区土壤为测试样本,本系统检测量程:0~1 520μS/cm,检测误差:-2.2%~2.4%,动态响应时间:544 ms,测量带宽:1 MHz,满足土壤电导率实时在线测量的要求。     

土壤质地对地下滴灌灌水器水力要素的影

为研究不同质地土壤中灌水器水力要素的变化规律及其差异,选取灌水器工作压力、土壤容重和土壤初始含水率为因素,分别在粘土、壤土和砂土中采用混合水平均匀设计安排试验.试验结果表明,不同土壤中的灌水器出流规律一致:即当工作压力不变时,灌水器流量在灌水初期略大,而后减小并趋于恒定,这个变化过程仅1～2min;在相同压力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌小5%～20%,压力越大,二者越接近;灌水器流量随工作压力的增加而增大;土壤因素对灌水器流量有微弱的制约作用,使流量减小.相同条件下,土壤质地越轻,灌水器流量越大;但随着土壤容重和土壤初始含水率的增加,土壤质地越轻,流量减小程度越大.     

玛纳斯河流域不同土壤质地土壤含盐量分析

土壤质地对土壤盐分空间分布具有间接的影响,对玛纳斯河流域3种土壤质地:沙土、沙壤土、中壤土的土壤含盐量进行垂直分布及盐分离子研究分析。结果表明:3种土壤类型的盐分分布情况差异显著,中壤土含盐量较低,沙壤土、沙土的表层含盐量较高;3种土壤类型不同深度盐分变化趋势也差异很大,中壤土含盐量在20cm处最大,20cm以下土壤含盐量呈下降趋势;沙壤土在60cm处最大,60cm以下土壤含盐量呈下降趋势;沙土在0~150cm土壤盐分处于增加趋势;在非耕作土壤的沙土和沙壤土中,阳离子以Ca2+、Mg2+为主,在耕作性土壤的中壤土阳离子以Na+、K+为主,阴离子都以SO2-4为主。     

车载式土壤电导率与机械阻力实时测量系统

土壤电导率与土壤机械阻力是测定土壤理化特性的基础。为了在复杂农田环境中实时、快速检测这两种参数,开发了一种以圆盘犁和深松犁钩作为测量传感器电极的车载式土壤电导率与土壤机械阻力同步实时测量系统,测量原理分别依据电流-电压四端法与应变片电桥法。在室内土槽中对车载式同步实时测量系统进行仿真实验,电导率测量值与实际值R~2为0. 926 8,机械阻力测量值与实际值绝对误差为0. 2～2. 7 N,系统稳定性实验结果的电压标准差为:电导率0. 059 764 mV,3组应变片电桥依次为0. 230 42、0. 102 203、0. 109 624 mV,压力传感器0. 172 511 mV,说明该系统有较高的精确度、稳定性以及可行性。     

车载式大田土壤电导率在线检测系统设计与试验

现有大田土壤电导率检测装置主要以手持式为主,存在检测效率低、实时性差等问题。基于电流-电压四端法原理设计了一种车载式大田土壤电导率在线检测系统,系统主要由恒流信号源电路、信号处理电路、Arduino控制器、GPS定位模块及车载传感器等组成,可在线检测大田土壤电导率。通过实验室和大田试验对系统性能进行了验证,试验结果表明,系统具有较好稳定性,动态响应时间约为540ms,开机预热引起的温漂最大偏差为3.70%,不考虑温差影响下系统检测精度R2为0.7342,消除温差影响后检测精度R2为0.8645~0.9156,均高于商用手持式电导率检测仪,其R2为0.6095;探究了拖拉机振动、传感器插入深度、作业速度和土壤坚实度对系统检测精度的影响,振动状态相对静止状态,检测数据最大误差为10.37%,且误差主要集中在0~10μS/cm范围内;当作业速度不大于5.0km/h和传感器插入深度大于等于10cm时,该系统可稳定进行大田土壤电导率在线检测,且检测地块土壤坚实度不应过小,以确保传感器电极与土壤充分接触。该系统可为开展基于土壤电导率在线检测的实时变量施肥技术研究提供技术支撑。     

基于数字示波器的车载式土壤电导率检测系统研究

在电流-电压四端法原理基础上,采用信号发生器替代恒流源作为激励源来提供振幅更大、稳定性更高的正弦信号,以数字示波器替代电压源进行反馈信号检测从而解决电压有效值转换和AD转换频率较慢的问题,改进设计开发了一款基于数字示波器的土壤电导率检测系统。农田现场车载式测量实验分为稳定性检测和定点测量两部分。稳定性实验测试下该检测系统能够稳定读取相关数据。农田定点测量实验结合土壤样本采集和实验室实验,得出每个定点测量点土壤电导率测量值和土壤电导率实验室真值（R2=0.7531）。根据实验中拖拉机牵引犁盘抖动导致电极与待测土壤之间形成的两种测量接触面的情况,分析并消除了实验中拖拉机抖动现象对数据结果的影响后,土壤电导率实测数据与实验数据之间的决定系数R2提高到0.8552~0.9066,表明设备能够在排除测量方式等外界因素影响下,测量精度达到较高水平。实验数据对比结果显示,基于数字示波器的车载式土壤电导率仪能够在农田现场进行稳定测量,并且具有较好的性能和准确度。