基于T-S模糊模型的TDR土壤水分传感器标定方法研究

利用TDR土壤水分传感器实现土壤水分数值的精确采集具有现实意义[1-3]。为了获得TDR土壤水分传感器水分含量测量所对应输出电压与实际土壤含水量的良好对应关系,在采用取土实验测量法获得实际水分含量数值与对应输出电压数值的基础上,利用Takagi-Sugeno模型逼进精度高、后件参数线性化等优点[2,4]对TDR土壤水分传感器     

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%。     

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。     

植物根系特征与根区土壤水分高通量监测管道机器人研制

研究水分胁迫下的根系特征对于节水农业的发展具有重大意义。针对现有根系观测与土壤水分监测方法难以满足野外条件下根系和根区水分的同步、原位、高通量监测的不足,该研究研制了一种基于STM32芯片的管道机器人系统。系统由管道机器人、数据基站与PVC透明管道组成,通过在土壤中埋设管道机器人系统,控制机器人搭载的微距相机与土壤水分传感器在巡航时拍摄根系图像,并获取土壤水分数据。由根系图像识别分割与提取程序对图像进行畸变校正与根系识别,获取管道方向上植株的根系面积、长度与密度等特征参数。实验室条件下进行相机拍摄效果、图像畸变校正、识别与分割误差及里程轮测距误差测试,以及土壤水分传感器标定试验。测试结果表明：1)管道机器人能够清晰地拍摄到根系图像,图像畸变校正效果较好,单个像素点长度和面积分别为44μm和0.002 mm²,单张根系图像的拍摄范围为14.17 mm×10.60 mm;2)土壤水分传感器输出电压与土壤体积含水率之间呈现良好线性关系,决定系数R²为0.990;3)自主巡航定位准确度较高,平均相对误差为1.47%。在田间条件下进行的根系生长动态监测...     

四十年来的中国土壤水分研究

本文在回顾、总结的基础上，对建国后土壤水分研究的进展和成就作一综述。作者从土壤水分研究的基本概念、土壤水分物理性质和水分状况、土壤水分的保持与运动、土壤水分管理及调控、测试技术和其他进展等6个方面肯定了四十年来中国土壤水分研究的成就，特别是最近10年内有较大进展。最后，就存在问题提出建议，并展望了今后工作及发展方向。     

基于水平吸渗确定土壤水分扩散率的解析-修正法

准确测试土壤水分扩散率是研究水分在土壤中运移的关键之一.针对水平吸渗法测试土壤水分扩散率易受边界效应影响的问题,该研究构建解析-修正法,以提高测试结果的精度.假设第一类边界条件下,一维水平入渗Richards方程解的形式与其对应线性化方程的解析解相似,结合常数变易法,推导了一维水平入渗Richards方程的近似解析解....     

宇宙射线土壤水分观测方法在黄土高原草地植被的应用

宇宙射线土壤水分观测系统(COSMOS)是一种测量直径达600 m以上表层土壤平均含水量的新型土壤水分测量仪器。在黄土高原一片草地植被上测试COSMOS仪器测量土壤水分的效果,并与烘干法及Hydra ProbeⅡ土壤湿度传感器测量结果进行比较。结果表明,COSMOS测量结果与烘干法结果一致性好;与Hydra ProbeⅡ点尺度测量结果存在不同时间段的差别,暗示了黄土高原土壤水分空间变异性及其时间变化。COSMOS仪器能够很好地测量黄土高原破碎表面观测范围内表层平均土壤含水量,并为研究土壤含水量的空间变异性提供了潜在工具。     

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...     

三种土壤水势传感器在原状与扰动黏壤土上测定精度评价

分别在田间原状黏壤土和室内扰动黏壤土上安装MPS-1、MPS-6、pF水势传感器与TDR315L土壤水分传感器测定土壤水分特征曲线,通过比较测定结果的准确性,提出了三种土壤水势传感器的使用建议。结果表明:MPS-1传感器虽测量范围窄,但无论在原状黏壤土还是扰动黏壤土上均表现良好;MPS-6和pF传感器测量范围宽,但测量的水势值精度不高,且MPS-6传感器对温度敏感,pF传感器在使用期间内表现不稳定。MPS-1传感器应用于原状和扰动黏壤土由其数据拟合出的土壤水分特征曲线与对照曲线重合度较高,而MPS-6和pF传感器应用于原状和扰动黏壤土,当含水量高于0.30 cm~3cm~(-3)时测定结果拟合得到的水分特征曲线与对照曲线重合度较高。比较三个水势传感器的测量表现,可以认为MPS-1传感器用于含水量高于0.30 cm~3cm~(-3)的原状黏壤土和含水量高于0.17 cm~3cm~(-3)的扰动黏壤土,MPS-6传感器用于含水量高于0.30 cm~3cm~(-3)的原状和扰动黏壤土测定土壤水势的效果较好。本研究结果可为使用上述三种传感器测定土壤水分特征曲线提供参考。     

晋西黄土区土壤水分有效性分析的克立格法

以山西吉县蔡家川小流域土壤水分有效性分级为基础，通过对291个土壤水分监测点在旱季的土壤水分监测（TDR土壤水分测定法），以变异函数为主要工具，以普通克里格法和指示克立格法为基本方法，研究土壤水分空间分布及土壤水分有效性水平在空间上的概率分布。研究结果表明：试验区土壤有效水和无效水的分界为13．46％（0～30cm）、12．48％（30～60cm），速效水和迟效水的分界为15．20％（0～30cm）、14．20％（30～60cm）；通过克立格插值估计整个研究区坡面0～30cm、30～60cm土壤水分平均值为10．94％、11．88％，处于土壤无效水含量范围内的面积占总面积的75．7％、55．7％；土壤水分有效性的概率分布与坡向关系密切，土壤有效水的概率自东北向西南递减。30～60cm土层出现有效水区域及相对应的概率远大于0～30cm土层。     

降解菌HQ-C-01对克百威污染土壤的生物修复

在室内模拟条件下,研究了降解菌HQ-C-01(Pichia anomala)对克百威污染土壤的修复作用及其影响因素,同时研究了克百威及该菌株对土壤微生物的影响。结果表明,克百威降解率与降解菌HQ-C-01接种量呈正相关,降解菌接种量为2.09×108 CFU/g干土时,对土壤中50 mg/kg克百威10天降解率达82.89%;当降解菌接种量低于106 CFU/g干土时,降解菌对克百威的降解效果较弱。土壤含水量显著影响降解菌对克百威的降解率,含水量为600 g/kg时降解效果最好,降解率达85.32%,而当含水量低于200 g/kg时降解效果较差。在温度范围25℃~35℃降解菌对克百威都具有较好的降解效果。不同土壤pH值对降解菌的降解作用有显著影响,在pH值为7时,降解菌对土壤中50 mg/kg克百威10天降解率达85.62%,在较低和较高pH值下,降解效果较差。克百威使用对土壤菌落结构有一定的影响,对土壤真菌具有强烈刺激作用,从而使土壤微生物群落结构发生改变,而降解菌的使用可缓解克百威对土壤微生物的影响,修复受污染土壤。     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤水分物理性质研究

在黄土高原丘陵沟壑区第三副区典型流域选取林地、耕地、果园、撂荒地和草地5种土地利用方式,进行土壤水分物理性质的对比研究。结果表明:林地、耕地和撂荒地的土壤含水量显著大于果园和草地。耕地和果园的饱和持水量显著大于草地。各土地利用类型下土壤水分物理因子基本具有一致性,其变异系数均属于中等变异。水平方向上各个土壤水分物理性质较为均一,土壤饱和导水率和土壤含水量平均为0.84 mm/min和19.18%,土壤容重平均为1.34 g/cm³,但毛管孔隙度均在10%以下,表层土壤通气透水性能较差。近年来虽大面积新修梯田、发展经济林,表土水分物理性质得到改良,但从整体性能上来看,还是较差,今后需进一步改善土壤环境。     

基于气候和土壤水分综合适宜度指数的冬小麦产量动态预报模型

利用河北省16个农气观测站1981-2010年逐日气象资料、土壤水分观测资料、冬小麦生育期观测资料、灌溉记录和8个冬小麦主产市产量资料,根据土壤水分平衡原理和模糊数据理论,建立了综合反映冬小麦生长期气象条件和土壤水分状况的气温-日照-土壤水分适宜度评价模型,并以旬为时间步长,建立了基于气温-日照-土壤水分适宜度指数的冬小麦产量动态预报模型.结果表明,气温-日照-土壤水分适宜度指数克服了气温-日照-降水适宜度指数仅考虑水分状况中降水条件的不足,能够客观反映冬小麦生长期的气象条件和土壤水分状况,与冬小麦产量变化量呈极显著相关(P＜0.01),相关性高于气温-日照-降水适宜度指数;动态产量预报模型对1981-2008年历史拟合检验和2009-2010年预报试验的平均相对误差分别为6.1％和1.2％,误差较小,表明建立的冬小麦产量动态预报模型能够满足业务需求,具有较高应用价值.     

祁连山区不同土地覆被类型下土壤水分变异特征

结合土壤、植被、地形等要素,建立黑河上游土壤水文观测体系,收集代表黑河上游区域特征的36个定位观测点土壤水分数据和12个气象站的降水数据,采用经典统计方法揭示祁连山区区域尺度上7种土地覆被类型下的土壤水分变异特征。结果表明,降水和植被特征是影响生长期土壤水分的主要因素。降水量大的土地覆被类型上土壤水分值较高。同时土壤水分值越低,降水补给和蒸散发消耗所引起的相对波动就越大,导致其变异性越大。由于植被根系对土壤水分的显著影响,高盖度草地、低盖度草地的土壤水分值在剖面各层变化不大,而农田、草甸、灌丛、林地和裸地土壤水分值随深度变化较明显。草甸、灌丛、裸地土壤水分整体均在夏季最高、秋季次之、春季最低。农田和高盖度草地土壤水分均呈现秋季最高、夏季次之、春季最低。土壤水分变异程度除灌丛外,存在春季变异最大,夏季次之和秋季最小的规律。降水是导致土壤水分值和变异系数在夏、秋季变化的主要因素,而土壤冻融过程则是导致其在春季变化的主要因素。总而言之,祁连山区土壤水分具有明显的空间分布差异与季节变化特征,与不同土地覆被类型的降水条件、植被特性和人工影响都有着密切的关系。     

基于试验反射光谱数据的土壤含水率遥感反演

土壤含水率是土壤水循环研究中不可或缺的参数,已广泛应用于土壤水分的监测。土壤光谱特性的研究是土壤含水率光学遥感定量反演的基础。该研究首先通过野外调查收集土样;然后,在实验室条件下制备不同水分梯度的土壤样品,并利用便携式地物光谱仪采集不同水分梯度土壤样品的反射光谱;最后,通过试验光谱数据分析建立一个基于指数函数的土壤含水率遥感反演模型,并对结果进行精度评价。结果表明,基于指数函数的土壤含水率反演模型可以较好的反演土壤水分特征,在640 nm处土壤含水率的估计值与真实值之间的决定系数为0.7062,RMSE为3.49%。相关研究为表层土壤含水量的遥感监测提供新方法和新思路。     

藏北地区土壤水分遥感反演模型的研究

土壤水分是反映地表土壤特性的重要表征参量,也是遥感反演领域的一个热点问题。利用MODIS卫星数据第7波段对水分变化较敏感的特点,构建了一种简单实用的土壤水分反演回归模型。结果表明,利用该模型计算的预测值与实地观测值间的相关性比较好,达到了显著水平(P0.001),可以作为研究区土壤含水量遥感反演回归模型。由于该方法具有简单实用的特点,为高原土壤水分遥感监测提供了可行的方法。     

阔叶红松林林隙土壤物理性质微环境异质性分析

 以小兴安岭阔叶红松林林隙为研究对象,采用地统计学方法对林隙0～20 cm和20～40cm土层土壤物理性质的微环境异质性进行分析。结果表明:阔叶红松林林隙表层土壤含水量、饱和持水量、毛管持水量和孔隙度均大于下层,但土壤密度相反;表层土壤物理性质有相对高的极差和变异系数。土壤物理性质总空间异质性程度和由空间自相关引起的异质性均为表层土壤高于下层。土壤含水量表现出明显各向异性,土壤孔隙度趋近于各向同性,其他3个物理因子随空间距离增大而表现出各向异性。表层土壤物理性质在空间自相关范围内变异函数相互影响较小。不同层次土壤物理性质空间分布均以中低等级斑块为主,相对较高等级的斑块仅分布在020cm土层中,并位于林隙中心以北的范围内。     

不同植被对土壤理化性质影响——以王东沟小流域为例

[目的]分析陕西省长武县王东沟流域9个径流小区不同植被覆盖条件对土壤理化性质的影响,为黄土高原生态建设提供科技支持。[方法]采用环刀法、定水头法以及重铬酸钾外加热法等分层测定0—40cm间土壤容重、毛管持水量、饱和持水量、饱和倒水率以及有机质含量。[结果]饱和持水量、毛管持水量、土壤有机质表现为草、灌地显著优于纯林和混交林,而土壤容重、饱和导水率各小区间差异不显著。[结论]草地和沙棘灌木林地土壤理化性质高于其他植被组合,培肥土壤,涵养水源,利于保水保土。侧柏纯林的土壤理化性质最差,水保效益最低。     

Influence of water content and soil properties on unsaturated hydraulic conductivity of some red and black soils

The unsaturated hydraulic conductivity was determined in the laboratory for some red and black soils, following water movement into a horizontal column of homogenous soil of uniform packing. A highly significant positive relationship was found between moisture content and hydraulic conductivity values in all the soils studied. Correlation coefficients calculated for the relationships between soil constituents/properties and the change in hydraulic conductivity per unit change in moisture content (regression coefficient between hydraulic conductivity and moisture content) have shown positive relationship to sand and negative relationships to silt, silt + clay, clay, carbonates, aggregates > 0.25 mm and saturated hydraulic conductivity. It is concluded that the unsaturated hydraulic conductivity decreases rapidly with decrease in moisture content and this decrease depends on the soil constituents/properties and differences between soil types are clear.     

基于Markov链地统计模型的区域土壤性质研究进展

土壤水力学性质的空间变异对于区域土壤水分溶质循环模拟研究至关重要。基于Markov链的条件模拟是一种能融合多源信息技术的地统计学模拟方法,与传统插值法和基于变异函数的条件模拟相比有诸多优势。目前,该方法在土壤水力学性质空间变异性领域的研究并未全面展开。实现区域土壤水力学模型参数的随机模拟,对于实现区域土壤水分运动和溶质运移的随机模拟,分析土壤水力学性质空间变异性对土壤水分运动和溶质运移模拟结果的影响,特别是参数采样点变化对土壤水分运动和溶质运移结果影响的不确定性等研究都有重要意义。本文旨在综述基于Markov链的地统计学模拟在土壤学相关领域的研究进展,以期为区域模拟中面临的参数获取难题提供帮助,为区域农业生产管理,水分高效利用,农田生态环境保护提供科学依据。