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1 背景

土壤水分是植物水分的直接來源，植物吸收土壤中的水分、有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行生長。同時(shí)，土壤水分含量的多少，又決定著植物的生長狀況的好壞。因此，測(cè)量土壤水分有著重要的實(shí)際意義。目前，國內(nèi)外有很多土壤水分測(cè)定方法。

探頭式土壤水溫鹽傳感器可方便、快速地測(cè)量土壤表層的水分、溫度、鹽分。

該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)、連續(xù)、原位監(jiān)測(cè)土壤水分、溫度、水勢(shì)的變化，是土壤水動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究設(shè)備。廣泛應(yīng)用于農(nóng)田蒸散、作物耗水、森林水文、濕地水文、草原生態(tài)、水土流失、環(huán)境污染、水循環(huán)研究等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

ENVIdata-DT 探頭式土壤水溫鹽水勢(shì)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器，探頭式土壤水分、溫度、鹽分傳感器，土壤水勢(shì)傳感器組成。按用戶設(shè)定的測(cè)量間隔定時(shí)、自動(dòng)測(cè)量土壤水分、溫度鹽分和土壤水勢(shì)。

該系統(tǒng)通過Internet傳輸數(shù)據(jù)，用戶無需到測(cè)點(diǎn)下載數(shù)據(jù)，只要能上網(wǎng)，可隨時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行情況、下載**和歷史數(shù)據(jù)。

2.1 傳感器

2.1.1探頭式土壤水分、溫度、鹽分傳感器

2.1.1.1 TRIME-PICO64/32

可方便、快速地測(cè)量土壤表層含水量，與延長桿聯(lián)合使用也可以測(cè)量深層土壤含水量。

Trime-PICO探頭的結(jié)構(gòu)和原理

TRIME基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）時(shí)域反射技術(shù)。用以直接測(cè)量土壤或其他介質(zhì)的介電常數(shù)，介電常數(shù)又與土壤水分含量的多少有密切關(guān)系，土壤含水量即可通過模擬電壓輸出被讀數(shù)系統(tǒng)計(jì)算并顯示出來。

測(cè)量時(shí)，金屬波導(dǎo)體被用來傳輸TDR信號(hào)，TRIME工作時(shí)產(chǎn)生一個(gè)1GHz的高頻電磁波，電磁波沿著波導(dǎo)體傳輸，并在探頭周圍產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。信號(hào)傳輸?shù)讲▽?dǎo)體的末端后又反射回發(fā)射源。傳輸時(shí)間在10ps-2ns間。IMKO發(fā)明了這種**測(cè)量技術(shù)，使得儀器可以檢測(cè)到小至3ps的時(shí)間信號(hào)。建立了時(shí)間采樣的方法。從而使得土壤水分的測(cè)量變得更為準(zhǔn)確和方便。

TDR 土壤水分、溫度、鹽分傳感器 ，精度**。

特點(diǎn)：

1）PICO探針有著很大的測(cè)量區(qū)域，**可以達(dá)到2L。

2）測(cè)量范圍可以達(dá)到100%。但是，在35%-75%范圍內(nèi)，測(cè)量*為精確。

3）電導(dǎo)率測(cè)量范圍可以達(dá)到20dS/m。

4）對(duì)于大多數(shù)土壤類型來說，PICO探頭在出廠前就已校準(zhǔn)。對(duì)于一些特殊的土壤或者應(yīng)用，例如純粘土，可以在15種不同的校準(zhǔn)曲線中選擇。

5） PICO探針涂有保護(hù)層，可以將探針桿隔絕起來，這樣就能保證探針桿上沒有電反應(yīng)。PICO探針是非常適合長期的安裝在土壤中，并且能夠保證，在數(shù)十年內(nèi)，不會(huì) 發(fā)生測(cè)量漂移。

6） PICO探針探頭和管式探頭安裝的深度，可達(dá)50m（或者更深）。

7） PICO探頭可以測(cè)量土壤含水量，電導(dǎo)率和溫度。而且，土壤的鹽分含量，可以根據(jù)創(chuàng)新性的TRIME方法（1GHz高頻電磁波）進(jìn)行計(jì)算。

8） PICO探針適合于沙質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和粘性土壤。甚至純粘性土壤也可以被測(cè)量。

9） 因?yàn)門DR電子元件是安裝在PICO探頭里面的，所以對(duì)電纜的長度以及其它常有的不利影響（如水覆蓋）沒有限制。

10）PICO探針式探頭**探針長為160mm。對(duì)于探針長度可達(dá)1米的TDR儀器在測(cè)量時(shí)，會(huì)有問題，用戶需特別留意，特別是土壤剖面水分含量不同時(shí)，例如：淺層是10%，深層是35%。

2.1.1.2 ML3土壤水分、溫度、電導(dǎo)率傳感器

特點(diǎn):

2.1.1.3 SM300

SM300采用FD 原理，英國Delta-T公司開發(fā)的研究級(jí)土壤水分傳感器，其體積含水量測(cè)量結(jié)果可以達(dá)到2.5%。

該儀器不僅能夠?qū)Ω黝愅寥肋M(jìn)行水分測(cè)量，也可對(duì)多種介質(zhì)的水分進(jìn)行有效測(cè)量，它既可用于科研，作為水分定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或移動(dòng)測(cè)量的基本工具，也可用于生產(chǎn)中的水分自動(dòng)控制傳感器。在食品及糧食行業(yè)，它可對(duì)粉狀或顆粒狀的介質(zhì)進(jìn)行水分測(cè)量。另外，在建筑領(lǐng)域，可用來對(duì)攪拌料水分進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

特點(diǎn)：

l 低廉的價(jià)格使SM300能夠更廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)領(lǐng)域。SM300堅(jiān)固，不僅能夠作為便攜式儀器使用，而且能夠長期安裝。作為便攜式儀器使用時(shí)，還能夠深入土鉆孔中，及時(shí)方便地測(cè)量剖面土壤水分含水量。

l SM300土壤水分溫度探頭：圓柱式防水探頭，2根不銹鋼探針。

2.1.1.4 AZS-2

結(jié)構(gòu)和原理:

AZS-2型高精度土壤水分測(cè)量儀采用頻域反射（FDR）原理，探頭由一個(gè)內(nèi)含電子元件的防水室和與之一端相連的四個(gè)不銹鋼探針組成。測(cè)量時(shí)，這些探針直接插入土壤，電纜連接適宜電源和模擬輸出信號(hào)，AZS-2通過特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)置傳輸線產(chǎn)生100MHz的信號(hào)，并通過探針發(fā)射到土壤，測(cè)量土壤參數(shù)。

AZS-2探頭探針的直徑為3mm，長度為60mm。

2.1.1.5 Aquaflex 帶狀土壤水分傳感器

用來測(cè)量大塊土體的含水量同時(shí)測(cè)量土壤溫度，傳感器測(cè)量長度3米，測(cè)量土體體積6升。埋設(shè)式測(cè)量，可連接數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。特別適用于菜園、葡萄園或草坪體育場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)或城市綠化帶，對(duì)灌溉進(jìn)行高效管理。

原理：

Time Domain Transmission. (TDT)原理，與TDR原理相似，但有不同，美國**技術(shù)，**號(hào)：US Patent 5148125，根據(jù)介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)對(duì)沿帶狀傳感器發(fā)射的脈沖信號(hào)速度和波形的影響來確定含水量。

特點(diǎn)：

l 測(cè)量土體大，Φ50mm×3000mm圓柱型土體，容積約6升，避免單點(diǎn)測(cè)量的偶然性；

l 耐用、穩(wěn)定性好，易于安裝、操作簡單；

l 測(cè)量條帶可任意彎曲以適應(yīng)測(cè)量需要；

l 內(nèi)建溫度傳感器，可同時(shí)測(cè)量土壤溫度，并對(duì)溫度和電導(dǎo)率進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；

2.1.1.6 Hydra 土壤水分、鹽分、溫度

原理

儀器探頭中產(chǎn)生高頻電信號(hào)，測(cè)量土壤的電導(dǎo)與電容特性，從而計(jì)算出土壤的含鹽量與含水量，同時(shí)，儀器用電熱調(diào)節(jié)器測(cè)量土壤的溫度。

2.1.1.7 Th2土壤溫度傳感器

測(cè)量單點(diǎn)的溫度，可測(cè)量土壤，液體和氣體的溫度。細(xì)長的身體和尖利的頂端可減少土壤的影響，保持良好的傳熱性。特殊的結(jié)構(gòu)可減少纜線溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

Th2 溫度傳感器技術(shù)指標(biāo)：

測(cè)量范圍：-50°C...+70°C

精度：±0，1 K at 0°C; ±0，2 K at ± 20°C; ±0，1 K at ± 40°C

感應(yīng)區(qū)域: Length 15 mm ，? 5 mm

纜線長：10 m

2.1.2 CN3 soil heat flux土壤熱通量傳感器

2.1.3 土壤水勢(shì)傳感器

2.1.3.1 T系列

原理：

負(fù)壓法，采用與植物根系從土壤中吸收水分相似的原理，當(dāng)土壤中的水分減少，水勢(shì)降低時(shí)，埋置在土壤中的張力計(jì)管中的水分會(huì)從多孔的陶瓷頭滲出，此時(shí)張力計(jì)管中形成一定的真空度，通過測(cè)量張力計(jì)管中的真空度，就可以反映出土壤中水勢(shì)的變化。

TS1 多功能張力計(jì)(左圖)：同時(shí)作為張力計(jì)和土壤孔隙水取樣器用。通常情況下，如果土壤水勢(shì)大于85kPa，陶土頭就過度失水，從而不能夠正確測(cè)量土壤水勢(shì)。盡管如此，如果由于陶土頭內(nèi)的水流失，這段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)丟失是可以接受的話，那么，等土壤變濕后，張力計(jì)就又可以重新正確測(cè)量了，但是這種情況下首先要做的工作應(yīng)是給張力計(jì)重新注水并排氣泡。

TS1多功能張力計(jì):

水勢(shì)測(cè)量范圍：+100kPa…..-85kPa

精度：±0.5kPa

溫度范圍：-30 °C ... +70 °C

精度：±0.2K

T4 張力計(jì)（圖中）：水勢(shì)測(cè)量范圍：+ 100 ... 0 ... -85 kPa

水勢(shì)測(cè)量精度：±0.5 kPa

T8多用途張力計(jì)（右圖）：可測(cè)量土壤水勢(shì)和土壤溫度；有注水指示器 水勢(shì)測(cè)量范圍：+100 ... 0 ...- 85 kPa

溫度測(cè)量范圍：-30 ℃ - 70℃

水勢(shì)測(cè)量精度：±0.5 kPa

溫度測(cè)量精度：+/-0.2K

優(yōu)點(diǎn)：

? 自動(dòng)注水并除去管中氣泡；

? 具有持續(xù)注水控制；

? 霜凍來臨之前自動(dòng)排水；

? 完善的土壤溫度探頭；

? 探管可延長的；

? 維護(hù)成本低；

TS1 多功能張力計(jì)：同時(shí)作為張力計(jì)和土壤孔隙水取樣器用。通常情況下，如果土壤水勢(shì)大于85kPa，陶土頭就過度失水，從而不能夠正確測(cè)量土壤水勢(shì)。盡管如此，如果由于陶土頭內(nèi)的水流失，這段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)丟失是可以接受的話，那么，等土壤變濕后，張力計(jì)就又可以重新正確測(cè)量了，但是這種情況下首先要做的工作應(yīng)是給張力計(jì)重新注水并排氣泡。

TS1多功能張力計(jì)(左圖)

水勢(shì)測(cè)量范圍：+100kPa…..-85kPa

精度：±0.5kPa

溫度范圍：-30 °C ... +70 °C

精度：±0.2K

優(yōu)點(diǎn)：

自動(dòng)注水并除去管中氣泡；

具有持續(xù)注水控制；

霜凍來臨之前自動(dòng)排水；

完善的土壤溫度探頭；

探管可延長的；

維護(hù)成本低；

2.1.2.2 EQ系列（右圖）

測(cè)量范圍：0 到–1500 kPa (0 到 –15 巴)

精度：0 kPa 到-100 kPa: ±10 kPa；-100 kPa 到 -1500 kPa: 10%

使用條件：除過電導(dǎo)率大于 1 mS/cm的鹽堿土外，可用于所有土壤

輸入輸出：輸入： 5-15 V 直流電壓， ** 23 mA，；輸出: 100 -800 mV 直流電壓

外殼：不銹鋼，尺寸重量：17 cm × 4 cm × 2 cm， 標(biāo)準(zhǔn)電纜長度：5 m， *多可延長至100 m， 350 g

2.1.4 INFIELD7C 張力計(jì)工具

2.2、數(shù)據(jù)采集器

DT系列數(shù)據(jù)采集器是一款堅(jiān)固、獨(dú)立、低能耗的數(shù)據(jù)采集器，具有支持U盤、18位分辨率、通訊性能可擴(kuò)展及內(nèi)嵌顯示屏等特性。DT80的雙通道隔離概念可同時(shí)使用多達(dá)10個(gè)隔離或15個(gè)共用參考模擬輸入，配置擴(kuò)展模塊后*多可通道可擴(kuò)展至600個(gè)。

DT系列數(shù)據(jù)支持SDI-12傳感器組網(wǎng)，支持SCADA系統(tǒng)的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V電源為傳感器供電。工作溫度*低可達(dá)-45℃。

2.3、ENVIdata數(shù)據(jù)傳輸和管理

　　該系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)傳送到(中國生態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng))網(wǎng)站上，通過對(duì)監(jiān)測(cè)的生態(tài)環(huán)境因子的時(shí)序變化和相關(guān)性分析，確定監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)展。

　　ENVIdata 服務(wù)器軟件既可以作為獨(dú)立的應(yīng)用軟件，運(yùn)行在用戶的服務(wù)器上；也可以運(yùn)行在澳作公司安全的服務(wù)器上，為多個(gè)用戶提供數(shù)據(jù)接收服務(wù)，同時(shí)幫助用戶監(jiān)控野外測(cè)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

　　澳作公司ENVIdata系列生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)**成功獲得 ISO9001國際質(zhì)量體系認(rèn)證，于2010年獲得 ISO9001 質(zhì)量認(rèn)證書，至今全部通過專家的年度復(fù)核，確保系統(tǒng)集成的品質(zhì)

　　用戶采用用戶名和密碼登陸，只要能上網(wǎng)，就能瀏覽實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)

特點(diǎn)：

1. 生態(tài)環(huán)境信息以各種時(shí)間間隔 （分鐘、每小時(shí)、每天）發(fā)送到網(wǎng)站上。

2. 用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3. 中心服務(wù)器中文界面，便于操作和管理

4. 提供多參數(shù)、實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)曲線圖

5. 系統(tǒng)提供多站點(diǎn)地圖顯示

存儲(chǔ)：128Mb可無限擴(kuò)展，內(nèi)存可存儲(chǔ)130，000個(gè)讀數(shù)，可使用PC卡或閃存可（可存儲(chǔ)65，000個(gè)讀數(shù)）

U盤存儲(chǔ)：兼容USB1.1或USB2.0驅(qū)動(dòng)，每兆約90，000采集數(shù)字點(diǎn)

LCD液晶顯示，2線16字母的LCD液晶顯示和6個(gè)按鍵用于查看通道及數(shù)采狀態(tài)和功能執(zhí)行

通訊：RS232、USB、以太網(wǎng)等

采樣間隔：10ms至天，可自定義

輸出值種類：平均值， **值， *小值， 取樣值 (Sample)， 向量值， 累計(jì)值 ( Totalize )等

工作溫度范圍-45~70℃

時(shí)鐘精準(zhǔn)度：約±1分鐘/年0-40℃；約±4分鐘/年-40-70℃

供電電壓：10~30VDC

工作濕度85%（無水汽凝結(jié)）

DT80：

模擬輸入：5-15個(gè)單端通道（10個(gè)差分）

脈沖通道：12個(gè)

數(shù)字I/O口：8個(gè)

DT82E：

模擬輸入：2-6個(gè)單端通道（4個(gè)差分）

脈沖通道：8個(gè)

數(shù)字I/O口：4個(gè)

DT82I：

模擬輸入：2-6個(gè)單端通道（4個(gè)差分）

脈沖通道：8個(gè)

數(shù)字I/O口：4個(gè)

DT85：

模擬輸入：12-48個(gè)單端通道（32個(gè)差分）

脈沖通道：15個(gè)

數(shù)字I/O口：8個(gè)

傳感器：

應(yīng)用案例

TRIME-PICO探頭在土壤電導(dǎo)率與鹽分含量換算中的應(yīng)用

（1）TRIME-PICO探頭電導(dǎo)率的測(cè)量范圍

　　PICO64，PICO32 在ECw>20dS/m的情況下，ECtrime 測(cè)量范圍為0…10dS/m；所有型號(hào)的TRIME-PICO探頭都寫入了相同的ECtrime兩點(diǎn)線性校準(zhǔn)曲線， 譬如PICO32探頭內(nèi)置兩點(diǎn)校準(zhǔn)曲線如下：

Calibration Point1: 干玻璃珠 = 0dS/m ECTRIME

Calibration Point2: Water with ECw 5dS/m = 5dS/m ECTRIME

**點(diǎn)干玻璃珠代表電導(dǎo)率在0附近的干土，第二點(diǎn)將鹽溶于水中代表孔隙水電導(dǎo)率為5ds/m(23℃)。 探頭的基礎(chǔ)校準(zhǔn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率儀完成。

測(cè)量土壤孔隙水電導(dǎo)率或者土壤鹽分測(cè)量根據(jù)土壤類型和植物種的不同，可大致將土壤鹽分脅迫分為以下幾級(jí)：

輕度鹽化： 1-3 g salt per liter

中度鹽化： 3-5 g salt / liter

重度鹽化： 5-10 g salt / liter

嚴(yán)重鹽化： > 10 g salt / liter

水溶液電導(dǎo)率ECw和鹽分之間換算的公式如下：

TDS(Total-Dissolved-Salts) (g鹽/L水)= 0.64 * ECw

譬如 ECw =5 dS/m=5mS/cm ，則鹽分含量為3.2 g鹽/L，孔隙水ECw的值可以通過實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率測(cè)量的方法測(cè)得。

（2）TRIME-PICO探頭繪制水鹽曲線

　　通過PICO32和PICO64探頭測(cè)量土壤體積含水率和孔隙水電導(dǎo)率ECtrime（反應(yīng)土壤鹽分）值，可以獲得土壤水鹽曲線。

　　下圖顯示的是沙土的土壤水鹽曲線，圖中顯示的四條曲線分別代表四種不同鹽分含量的沙土。其中Sand1中加入的孔隙水電導(dǎo)率為0.5ds/m，Sand2中為5ds/m，Sand3中為10ds/m，Sand4中為20ds/m，然后使用PICO32探頭在同一土壤水分條件下進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量。通常情況下，不同鹽分含量沙土的土壤電導(dǎo)率值（ECtrime），在10-30%的土壤水分條件下，分辨率**。

下圖顯示的是壤土的土壤水鹽曲線，圖中顯示的四條曲線分別代表四種不同鹽分含量的壤土。使用PICO32探頭在同一土壤水分條件下進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量。通常情況下，不同鹽分含量壤土的土壤電導(dǎo)率值（ECtrime），在25-35%的土壤水分條件下，分辨率**。

（3）TRIME-PICO特定土壤水鹽曲線的繪制方法

將土樣烘干至土壤體積含水量為0，然后磨碎過篩，使其均勻。向均勻土樣中加入電導(dǎo)率為4 dS/m的水溶液（2.56g鹽/L水），考慮到土壤本身所含的鹽分為1g/L，則此時(shí)土樣的鹽分含量約為2.56g+1g=3.56g鹽/L水，孔隙水電導(dǎo)率約為ECw= 5.5 dS/m。然后將土樣放入一個(gè)塑料碗中（不能用金屬碗，也不能太?。?，壓實(shí)使其盡量接近土壤的自然密度，每一個(gè)土壤水分和鹽分水平，建議測(cè)量至少3個(gè)數(shù)據(jù)，然后取平均值。測(cè)量時(shí)，請(qǐng)務(wù)必注意測(cè)量點(diǎn)周圍的土壤無干擾，建議先用預(yù)打孔工具打孔。

將土樣的土壤體積含水量增加為5%，其他步驟同上。

將土樣的土壤體積含水量不斷增加，直至飽和狀態(tài)。從而測(cè)量多個(gè)水平的土壤水分體積含水量和土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)。

繪制土壤鹽分3.56g鹽/L水(ECw=5.5dS/m) 的ECtrime值和不同土壤體積含水量之間的水鹽曲線。

測(cè)定同一土壤體積含水量和不同土壤鹽分的ECtrime值，繪制土壤體積含水量和不同土壤鹽分之間的水鹽曲線。

根據(jù)這兩種情況下水鹽曲線確定某種類型土壤鹽分和ECtrime之間的換算關(guān)系。

如果土壤本身的鹽分含量很高，繪制校準(zhǔn)曲線時(shí)有必要進(jìn)行淋洗，但要確保細(xì)顆粒土壤無流失，然后經(jīng)過烘干和磨碎處理，土壤水鹽曲線能夠反映很低的鹽分含量情況。也可以使用蒸餾水作為低含鹽量的樣品進(jìn)行測(cè)量。