土壤剖面水分線性尺度測量方法

高志濤 田 昊 趙燕東

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室， 北京 100083)

土壤剖面水分線性尺度測量方法

高志濤1,2田 昊1,2趙燕東1,2

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室， 北京 100083)

針對現(xiàn)有土壤水分點尺度下測量的局限性，提出了一種線性尺度下的土壤剖面水分測量方法，并設(shè)計了一種基于駐波比法的土壤剖面水分信息測量傳感系統(tǒng)。借助HFSS高頻電磁場仿真軟件與網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀對傳感器環(huán)形探頭的電場強度分布情況與阻抗特性進(jìn)行了分析研究，確定了環(huán)形探頭適應(yīng)性與敏感區(qū)域。以2種不同質(zhì)地的土壤作為試驗樣本，對土壤水分傳感器的輸出與對應(yīng)的測量值進(jìn)行了多項式擬合，決定系數(shù)均達(dá)到了0.99以上，傳感器的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能均能滿足土壤剖面水分的測量要求。通過多層水分土柱穿層試驗與對比試驗表明，該系統(tǒng)能夠滿足線性尺度下土壤剖面水分的實時測量需求，具有較高的測量精度與穩(wěn)定性。設(shè)計的土壤剖面水分線性測量系統(tǒng)的各項指標(biāo)均達(dá)到實際應(yīng)用的需求，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

土壤水分； 線性尺度； 實時測量系統(tǒng)

引言

土壤含水率對植物生長與農(nóng)作物產(chǎn)量起到關(guān)鍵性作用[1]。在水資源匱乏地區(qū)，實時檢測植物根區(qū)水分的垂直分布狀態(tài)，能為制定最優(yōu)的灌溉策略提供基本的數(shù)據(jù)支持。

目前，常規(guī)的土壤剖面水分檢測多采用介電型傳感器分層埋設(shè)定點測量的方式[2-3]。因埋入傳感器的單點測量空間僅局限于立方分米數(shù)量級上[4-7]，所以在檢測過程中，為獲取土壤剖面水分的分布狀況，往往需要埋設(shè)多個傳感器。這種做法會增加測量系統(tǒng)成本且難以真實、有效地反映土壤剖面水分的分布狀況。并且在傳感器安裝過程中對土壤環(huán)境的破壞與傳感器發(fā)生故障后進(jìn)行更換過程中引入的誤差，對優(yōu)化灌溉決策也是不能忽略的[8-9]。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者基于頻域反射法(FDR)設(shè)計了一種非接觸式的土壤水分傳感器[10-12]，比較典型的產(chǎn)品有澳大利亞Sentek公司的Diviner 2000型土壤水分廓線儀。因其采用非接觸測量技術(shù)且測量過程中只使用一個檢測探頭，所以該系統(tǒng)在一定程度上減小了安裝與更換引入誤差。但是它在檢測過程中需要手動測量，且采樣間距過長(10 cm)，所以它并不適合高精度的土壤剖面水分實時線性測量。

基于對常規(guī)土壤水分測量方法[13-19]的比較，本文探討采用駐波法(SWR)測量土壤剖面水分的可行性，通過對傳感器探頭結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計，降低傳感器的采樣步長，設(shè)計一種可在土壤內(nèi)自動垂直移動掃描的土壤剖面水分測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)簡述

設(shè)計的測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由水分傳感器探頭、步進(jìn)電動機、繞線導(dǎo)輪、導(dǎo)電滑環(huán)、拉線位移傳感器、PVC管與數(shù)據(jù)采集器等組成。

圖1 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of measurement system1.步進(jìn)電動機 2.繞線導(dǎo)輪 3.導(dǎo)電滑環(huán) 4.數(shù)據(jù)采集器 5.水分傳感器 6.配重塊 7.防水堵頭 8.PVC套筒探頭 9.拉線位移傳感器

為實現(xiàn)水分傳感器探頭在土壤中進(jìn)行線性掃描測量，首先需要利用專用工具將一段PVC套管(管長170 cm、外徑5.6 cm、壁厚0.2 cm)插入土壤中，根據(jù)農(nóng)作物的種類與根系特點，調(diào)整PVC套管長度決定插入深度。土壤水分傳感器探頭通過線纜牽引至PVC管體內(nèi)，讓其在步進(jìn)電動機牽引下做垂直向上移動，移動的同時傳感器根據(jù)采樣步長檢測探頭周圍土體的體積含水率。采集完成后，水分傳感器探頭在配重塊的重力作用下配合步進(jìn)電動機將傳感器移動至PVC管底初始點。為保證對傳感器探頭的供電與數(shù)據(jù)傳輸，繞線導(dǎo)輪內(nèi)部采用中空結(jié)構(gòu)與外部的導(dǎo)電滑環(huán)連接，導(dǎo)電滑環(huán)的引出線纜與采集器連接，進(jìn)而對水分傳感器探頭進(jìn)行控制而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。為提高傳感器的定位精度，傳感器探頭在PVC管中的實時位置通過拉線位移傳感器進(jìn)行測量。

2 傳感器結(jié)構(gòu)與測量原理

土壤由水、空氣、土壤固體三態(tài)組成，屬于典型的多孔介質(zhì)[20]。其中水的相對介電常數(shù)(81)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣(1)與土壤固體(3～5)的介電常數(shù)。所以當(dāng)土壤含水率發(fā)生變化后，會導(dǎo)致土壤介電常數(shù)的變化。因此通過測量土壤介電常數(shù)就可間接測量出土壤含水率。

土壤水分傳感器探頭采用雙銅環(huán)電極結(jié)構(gòu)，其主要由銅環(huán)電極(外徑5 cm、厚0.1 cm、高1.5 cm)、PVC殼體、配重塊、防水堵頭、連接線纜與檢測電路組成，實物如圖2所示。采樣過程中高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生100 MHz的正弦信號經(jīng)由1/4波長的同軸傳輸線傳輸至環(huán)形電極。環(huán)形電極釋放的電磁波穿過PVC管體進(jìn)入土壤，并在環(huán)形電極間形成一個曲面場，感應(yīng)PVC管體周圍土體含水率的變化。

圖2 傳感器實物圖Fig.2 Soil moisture sensor1.牽引線纜 2.防水端子 3.PVC殼體 4.環(huán)形電極 5.配重塊

可以認(rèn)為水分傳感器環(huán)形電極與周圍填充介質(zhì)組成一個電容器，2個環(huán)形電極相當(dāng)于電容器的2個極板，當(dāng)曲面場區(qū)域內(nèi)土壤含水率發(fā)生變化時(即電容填充介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化)，會引起探頭阻抗的變化。

環(huán)形探頭的阻抗特性與探頭間填充介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，即

(1)

式中Zp——探頭的阻抗w——傳感器的測試角頻率Cs——探頭感應(yīng)電容g——與形狀尺寸有關(guān)的常數(shù)εr——探頭周圍填充介質(zhì)的介電常數(shù)ε0——真空中的介電常數(shù)

本文采用駐波比法[21-22]，利用水分變化導(dǎo)致傳輸線與探頭阻抗不匹配產(chǎn)生的駐波，通過檢測傳輸線兩端駐波引起的電壓差來獲取傳感器探頭阻抗，進(jìn)一步計算土壤體積含水率的變化。

根據(jù)傳輸線理論[23]可求得傳感器探頭阻抗，即

(2)

式中 ΔU——傳輸線兩端電勢差A(yù)——高頻信號發(fā)生器的振蕩幅值ZI——傳輸線阻抗

因為土壤的介電常數(shù)εr=ε′-jε″是一個復(fù)合變量，根據(jù)目前的研究結(jié)果，當(dāng)測試頻率足夠大(大于30 MHz)、土壤浸出液電導(dǎo)率很低的情況下，可以忽略介電常數(shù)虛部ε″對土壤介電常數(shù)的影響[24]。

3 測量與控制單元

系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要包括土壤水分檢測單元與數(shù)據(jù)采集控制主板。土壤水分檢測單元中，2個檢波芯片同時檢測傳輸線兩端電壓并傳輸給差分運算放大器，差分運算放大器對輸入信號進(jìn)行減法操作，并將獲得的電壓信號進(jìn)行放大。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，電壓電流轉(zhuǎn)換單元將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號進(jìn)行傳輸。

圖3 系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Schematic diagram of measurement system

數(shù)據(jù)采集控制主板由主控制器、電壓轉(zhuǎn)電流單元、電源轉(zhuǎn)換單元、SD卡存儲單元、實時時鐘單元、步進(jìn)電動機驅(qū)動單元與RS-232接口等部分組成。系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6型單片機作為主控制器，實時時鐘單元根據(jù)設(shè)定的時間定時喚醒單片機進(jìn)行土壤水分采集工作。步進(jìn)電動機驅(qū)動單元在單片機PWM脈沖的控制下驅(qū)動步進(jìn)電動機拖動傳感器移動測量。系統(tǒng)運行過程中，傳感器探頭以5 cm步長行進(jìn)，步間停200 ms，此時單片機對傳感器輸出的信號進(jìn)行連續(xù)10次的AD采樣，將采集到的數(shù)據(jù)取平均值后存入SD卡存儲單元中，同時存入的信息還包括傳感器的位置信息與時間信息，其中時間信息通過讀取實時時鐘單元獲得，位置信息通過線性位移傳感器獲得。

4 高頻激勵下土壤水分傳感器環(huán)形探頭的性能分析

4.1 環(huán)形探頭工作環(huán)境下的電場強度分布狀況

傳感器探頭周圍環(huán)境的電場強度分布情況反映的是傳感器敏感區(qū)域的分布狀況，是傳感器空間測量范圍的一個重要依據(jù)。本文利用HFSS高頻電磁場仿真軟件建立傳感器探頭的物理模型，按照真實情況模擬傳感器的工作環(huán)境對傳感器工作時的電場強度分布狀況進(jìn)行仿真分析。模型采用集總端口的激勵方式，激勵頻率為100 MHz，PVC管體與PVC殼體的介電常數(shù)為4，銅環(huán)電極材質(zhì)設(shè)置成黃銅，PVC管體內(nèi)的填充介質(zhì)為空氣，其介電常數(shù)為1，設(shè)定直徑為12 cm、高13 cm的圓柱形測試土體包圍PVC管體，其介電常數(shù)設(shè)置為21(對應(yīng)土壤體積含水率為36%)。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 環(huán)形探頭電場分布側(cè)視圖與俯視圖Fig.4 Lateral view and plan view of electrical field distribution of a ring probe

由圖4可以看出，銅環(huán)電極在高頻激勵下產(chǎn)生的電場能夠穿過PVC管體，并在土壤中形成一個曲面場，并且電場在環(huán)形電極兩端分布均勻，并沒有出現(xiàn)分離現(xiàn)象。所以該探頭能夠滿足土壤水分測量的要求。值得注意的是由于PVC管體對電場強度的衰減作用，探頭內(nèi)的電場強度要高于土壤中的電場強度。為減小電磁干擾對管內(nèi)電路的影響，本文對傳感器內(nèi)部的檢測電路進(jìn)行金屬外殼屏蔽。

4.2 土壤體積含水率對探頭阻抗特性的影響

為分析本文所設(shè)計的環(huán)形探頭在實際土壤測量中的阻抗特性，利用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀(天津德力電子儀器公司NA7300型、50 Ω、掃描頻率300 kHz～3 000 MHz、頻率分辨率為10 Hz)分別獲取環(huán)形探頭在100 MHz頻率下的阻抗。測量方法采用反射法,試驗環(huán)境溫度為20℃。試驗土樣為2種不同質(zhì)地的土壤：粘壤土與砂土，其成分構(gòu)成如表1所示。土壤從田間取回后首先自然風(fēng)干過篩(孔徑0.4 mm)，然后利用干燥箱(105℃、24 h)干燥。計算不同梯度含水率土壤所需水分，按照1.6 g/cm3的土壤容重均勻裝入7個高20 cm、直徑30 cm，中心固定有高20 cm、直徑5.6 cm的PVC管的PVC測試桶中。使用保鮮膜密封靜置48 h，使水分充分運移。利用體積為100 cm3的環(huán)刀取土，每個測試桶取4個土樣，干燥后取平均值，最后測得粘壤土7個梯度的含水率分別為2.1%、9.5%、14.2%、21.5%、26.0%、31.0%與39.5%(飽和)。砂土7個梯度的含水率分別為2.0%、8.2%、14.3%、18.6%、22.5%、26.3%與30.0%(飽和)。測試環(huán)境如圖5所示。

表1 試驗土壤的成分構(gòu)成

Tab.1 Textural composition of soil samples %

土壤類型成分構(gòu)成砂粒粉粒粘粒粘壤土117118砂土 9235

試驗土壤制備完成后，使用SMA連接頭將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試電纜與環(huán)形探頭相連，矢量網(wǎng)絡(luò)分

圖5 環(huán)形探頭阻抗測試圖Fig.5 Diagram of ring probe impedance test1.PVC測試管 2.環(huán)形探頭 3.PVC測試桶 4.網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀 5.同軸線纜

析儀開機1 h后利用開路、短路與50 Ω負(fù)載校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將環(huán)形探頭置于PVC測試管中進(jìn)行阻抗的測量，針對2種類型的試驗土壤，本文在100 MHz測試頻率下檢測環(huán)形探頭的阻抗特性隨土壤含水率的變化情況。最終獲取14組數(shù)據(jù)，對試驗結(jié)果進(jìn)行多項式擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6 土壤含水率對環(huán)形探頭阻抗的影響Fig.6 Influence of soil moisture content on ring probe impedance

由圖6可以看出，在砂土與粘壤土2種土質(zhì)中，水分傳感器探頭的阻抗均隨著土壤體積含水率的增加而單調(diào)增加，并沒有出現(xiàn)容性與感性的相互轉(zhuǎn)換。從多項式擬合結(jié)果可以看出，在粘壤土與砂土中其決定系數(shù)(R2)均大于0.98，因此該傳感器探頭能夠滿足對粘壤土與砂土含水率測量要求。

4.3 環(huán)形探頭敏感區(qū)域分析研究

高頻激勵下的探頭敏感特性能夠直接表征傳感器在實際工作土壤中的測量范圍，是線性測量中所關(guān)注的重要指標(biāo)，同時也是決定傳感器移動過程中采樣步長的重要依據(jù)。本文借助1臺網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀，以4.2節(jié)配置的試驗土壤為對象，由低到高選取3個梯度含水率的試驗土壤，選取的粘壤土含水率為9.5%、14.2%、21.5%，選取的砂土含水率為8.2%、14.3%、18.6%。依次測量傳感器探頭在不同質(zhì)地與含水率情況下的敏感特性，試驗方法如下：將本文設(shè)計的土壤水分探頭連接在網(wǎng)絡(luò)分析儀上，并置于PVC管體中，探頭中心區(qū)域距離土體上表面10 cm，以1 cm為步長將傳感器探頭向上拖動，記錄100 MHz激勵下每個步長對應(yīng)的阻抗。在2種土壤中的試驗結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 傳感器在粘壤土中敏感區(qū)域的試驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of sensor located in sensitive area of clay loam

圖8 傳感器在砂土中敏感區(qū)域的試驗結(jié)果Fig.8 Experimental results of sensor located in sensitive area of sandy soil

由圖7、8可以看出，傳感器在粘壤土與砂土2種土壤中，其探頭的阻抗在-2.5～2.5 cm范圍內(nèi)隨著距離的增加單調(diào)減小，傳感器的測量范圍為0～5 cm，所以傳感器在線性移動測量過程中，其采樣步長應(yīng)設(shè)置為5 cm，以實現(xiàn)土壤剖面的線性掃描測量。

5 試驗

5.1 土壤水分傳感器性能分析試驗

5.1.1 土壤水分傳感器靈敏性試驗及標(biāo)定方法

傳感器靈敏性表征的是當(dāng)檢測區(qū)域土壤水分發(fā)

生變化時傳感器輸出值的變化范圍，是傳感器性能的重要指標(biāo)。選取砂土與粘壤土2種不同質(zhì)地的土壤作為試驗土壤，依據(jù)4.2節(jié)的方法對2種土壤進(jìn)行處理，依次配置成水分梯度從風(fēng)干到飽和含水率的測試土壤。粘壤土10個梯度含水率分別為2.1%、8.5%、13.2%、15.8%、19.5%、24.5%、28.5%、32.0%、35.6%與40.5%(飽和)。砂土的10個梯度含水率分別為2.5%、7.2%、12.3%、14.3%、18.9%、20.3%、23.5%、25.3%、27.5%與29.0%(飽和)。用采集器將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，每種土樣測量3次，對測量結(jié)果取平均值，采用十折交叉驗證的方法依次選取1個梯度的水分作為驗證集，其余9個梯度作為校正集對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式回歸，結(jié)果如表2所示。

對粘壤土與砂土擬合模型系數(shù)進(jìn)行均值處理得出粘壤土的多項式擬合模型為y=-0.280 87x2+32.130 1x+141.623，砂土的多項式擬合模型為y=-0.284 09x2+27.685 4x+106.637 2。將實際測量的數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，傳感器的輸出電壓均隨著土壤體積含水率的增加而單調(diào)增加，傳感器在砂土與粘壤土2種土壤中都具有良好的相關(guān)性，其決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.997 4(粘壤土)與0.991 7(砂土)，均方根誤差RMSE分別達(dá)到12.257 mV(粘壤土)與19.024 mV(砂土)。由此可以說明粘壤土與砂土的多項式擬合模型與傳感器的輸出特性能夠滿足測量要求，但是需要注意的是，土壤質(zhì)地對傳感器的輸出具有一定影響，所以在實際應(yīng)用中需要用實際測量土壤依照以上標(biāo)定方法對傳感器進(jìn)行標(biāo)定后再進(jìn)行測量。

表2 十折交叉驗證

5.1.2 傳感器精度標(biāo)定試驗結(jié)果分析

選取粘壤性土壤樣本6份，依據(jù)4.2節(jié)方法對土壤樣本進(jìn)行處理，配置成6個含水率梯度。通過干燥法測量6個梯度含水率分別為6.5%、12.4%、16.8%、21.6%、26.8%與35.6%。將本文設(shè)計的傳感器插入土壤樣本中進(jìn)行測量，每種樣本測量3次，取平均值作為此次傳感器的測量結(jié)果。傳感器的測量結(jié)果與干燥法所得的實際含水率對比如圖10所示。

圖10 傳感器的測量結(jié)果與實際體積含水率比較Fig.10 Comparison of volumetric soil water content between sensor results and actual values

由圖10可以看出，傳感器所測量的含水率與干燥法測量結(jié)果基本吻合，其決定系數(shù)R2達(dá)到0.997 7，均方根誤差RMSE為0.224 2 cm3/cm3，說明傳感器具有較高的測量精度。

5.1.3 傳感器動態(tài)響應(yīng)性能試驗

作為傳感器線性移動測量所關(guān)注的重要指標(biāo)，動態(tài)響應(yīng)性能主要表現(xiàn)為當(dāng)傳感器檢測區(qū)域土壤水分發(fā)生變化時，傳感器完全響應(yīng)所需要的時間，其決定了傳感器測量停留時間。試驗設(shè)備為中間固定PVC管的測試筒。將傳感器置于PVC管體中，測試筒中加滿水，使用示波器捕獲傳感器從通電到輸出穩(wěn)定及輸出電壓恒定不變所需要的時間為53 ms，試驗結(jié)果如圖11所示。傳感器在進(jìn)行移動測量時其在每個測試點應(yīng)至少停留53 ms，才能保證數(shù)據(jù)的真實性。

5.2 多層水分土壤穿層試驗分析

5.2.1 對比試驗與結(jié)果分析

為分析本文設(shè)計的土壤剖面水分實時檢測系統(tǒng)與國外同類土壤水分線性測量產(chǎn)品性能的差距，本文設(shè)計了性能對比試驗。對比產(chǎn)品為澳大利亞Sentenk公司的Diviner 2000型便攜式土壤水分速測儀，其土壤層間測量間隔為10 cm，測量精度為±1%。

試驗土壤為粘壤土，按照4.2節(jié)的試驗步驟配置成體積含水率為5.5%、15.5%與30.4% 3個梯度的土壤樣品。將配置好的3種土壤樣品依次裝入高35 cm、直徑30 cm，中心固定有高60 cm、直徑5.6 cm PVC管的PVC測試桶中，分層等體積壓實，層間用1.5 mm厚的PVC圓板隔斷，以防止層間水分交互，靜置48 h。裝入的每層土壤高度為10 cm，最終試驗土柱由3個水分層構(gòu)成。分別利用Diviner 2000型便攜式土壤水分速測儀與本文設(shè)計的土壤剖面水分實時檢測系統(tǒng)對3層土壤樣本進(jìn)行掃描測量，其中采樣間隔為30 min，采樣步長為10 cm。以土體上表面作為參考原點，最終獲得12 h的測量結(jié)果如圖12所示。

圖12 傳感器對比試驗結(jié)果Fig.12 Contrast results of moisture sensor

由圖12可以看出，對比的2種設(shè)備均能精確地測量3層土壤中的含水率，與干燥后的含水率比較，自制系統(tǒng)的體積含水率的絕對誤差為-0.4%～0.4%，Diviner 2000型便攜式土壤水分速測儀的絕對誤差范圍為-0.3%～0.5%。2種被測設(shè)備的絕對誤差小于1%。試驗結(jié)果表明，2種傳感器在此測試條件下性能相當(dāng)。

5.2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性與敏感性試驗分析

比老巴更開心的是阿里。因為阿東早上會跟著他和羅爹爹一起去東湖。他坐在阿里的身邊，靜靜地聽他播放哀樂。旋律在水波上滑行，一直滑得很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到他們眼界之外。阿里每次聽完后都會說：“這是姆媽的聲音?！?/p>

圖13 多層水分土柱穿層試驗現(xiàn)場Fig.13 Experiment site of multi-layer moisture through soil column1.線性剖面?zhèn)鞲衅鳈C械傳動結(jié)構(gòu) 2.PVC測試管 3.12 V鉛酸電池 4.采集器 5.裝有土壤樣本的PVC筒 6.土壤水分傳感器

為進(jìn)一步驗證土壤剖面水分線性測量系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的運行穩(wěn)定性與敏感性。本文模擬系統(tǒng)在野外工作環(huán)境設(shè)計了5 cm分辨尺度下的多層水分土柱穿層試驗。試驗現(xiàn)場環(huán)境如圖13所示。試驗土壤為粘壤土，依據(jù)4.2節(jié)所示方法配置成體積含水率為3.5%、6.0%、10.3%、17.9%、25.2%與30.5% 6個梯度的土壤樣本。依據(jù)5.2.1節(jié)方法將配置成的土樣裝入容器中，裝入的每層土壤高度為5 cm，最終試驗土柱由6個水分層構(gòu)成。將本文設(shè)計的線性測量系統(tǒng)安裝到PVC測試管上，通過串口設(shè)置水分傳感器的檢測范圍，使傳感器能夠在6層土壤樣本中掃描測量，設(shè)定設(shè)備采樣間隔為30 min，采樣步長為5 cm。以土體上表面作為參考原點，最終獲得12 h試驗結(jié)果如圖14所示。

圖14 多層水分土柱穿層試驗結(jié)果Fig.14 Experiment result of multi-layer moisture through soil column

由圖14可以看出，該系統(tǒng)能夠精確測量0～5 cm范圍內(nèi)的層間土壤水分的階梯變化，其絕對誤差范圍為-0.5%～0.7%。且長時間的穩(wěn)定運行并沒有出現(xiàn)測量水分?jǐn)?shù)值的較大偏移，此結(jié)果說明傳感器在移動測量過程中不存在位移測量的累計誤差。因此說明傳感器能夠有效檢測傳感器中心縱向區(qū)域內(nèi)0～5 cm范圍內(nèi)的土壤水分變化，該現(xiàn)象也進(jìn)一步驗證了4.3節(jié)的試驗結(jié)果。因此該系統(tǒng)能夠滿足線性尺度下土壤剖面水分的實時測量需求，且具有較高的測量精度與穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

(1)提出了一種線性尺度下的土壤剖面水分測量方法，并設(shè)計了一種基于駐波比法的土壤剖面水分實時檢測系統(tǒng)，為實時獲取土壤剖面水分垂直分布，指導(dǎo)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉奠定了基礎(chǔ)。

(2)針對傳感器的環(huán)形探頭的電場強度分布與阻抗特性進(jìn)行了深入研究，利用HFSS高頻電磁場仿真軟件對環(huán)形探頭的仿真分析得出，本文設(shè)計的環(huán)形探頭的電場強度分布均勻，能夠滿足傳感器的設(shè)計要求。進(jìn)一步借助網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀，在砂土與粘壤土2種土壤中對環(huán)形探頭的阻抗特性與敏感區(qū)域進(jìn)行了分析，確定了該系統(tǒng)的采樣步長為5 cm。

(3)設(shè)計了傳感器的性能分析試驗，從試驗結(jié)果可以看出土壤水分傳感器的敏感度與動態(tài)響應(yīng)性能均能夠滿足線性尺度下土壤剖面含水率測量的要求。

(4)系統(tǒng)的多層水分土柱穿層試驗表明，本文所設(shè)計的土壤剖面水分實時檢測系統(tǒng)能夠滿足線性尺度下的土壤剖面水分的實時測量需求，具有較高的測量精度與穩(wěn)定性。

1 李連駿,孫宇瑞,林劍輝.一種太陽能供電的土壤水分無線傳感器[J].江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,30(6):541-544. LI Lianjun, SUN Yurui, LIN Jianhui. A wireless-sensor for soil water content powered by solar energy[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2009, 30(6): 541-544. (in Chinese)

2 趙燕東,馬揚飛,王勇志.綠地精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計與最優(yōu)灌溉量分析[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2012,43(3):46-50. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20120309&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2012.03.009. ZHAO Yandong, MA Yangfei, WANG Yongzhi. Green land precision irrigation control system and analysis of optimal irrigation amount[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(3):46-50. (in Chinese)

3 趙燕東,王一鳴. 智能化土壤水分分布速測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2005,36(2):76-78. ZHAO Yandong, WANG Yiming. Intelligent system of measuring the spatial distributions of soil moisture[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005,36(2):76-78.(in Chinese)

6 STEVEN R, ROBERT C, JOAQUIN J, et al. Soil water sensing for water balance, ET and WUE[J]. Agricultural Water Management,2012,104(2):1-9.

7 ORTUANI B, BENEDETTO A, GIUDICI M, et al. A Non-invasive approach to monitor variability of soil water content with electromagnetic methods[J]. Procedia Environmental Sciences, 2013, 7(19): 446-455.

8 吳濤,張榮標(biāo),馮友兵. 土壤水分含量測定方法研究[J]. 農(nóng)機化研究,2007，29(12):213-217. WU Tao, ZHANG Rongbiao, FENG Youbing. Research in measuring method of soil water content[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2007,29(12):213-217. (in Chinese)

9 JESUS F G. Monitoring and modelling the three-dimensional flow of water under drip irrigation[J]. Agricultural Water Management,2006, 83(3):197-208.

10 高志濤,劉衛(wèi)平,趙燕東, 等. 多層土壤剖面復(fù)合傳感器設(shè)計與性能分析[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2016,47(1):108-117. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160115&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.015. GAO Zhitao, LIU Weiping, ZHAO Yandong,et al. Design and performance analysis of a multilayer composite sensor for soil profile [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(1):108-117.(in Chinese)

11 DEAN T J, BELL J P, BATY A J B. Soil moisture measurement by an improved capacitance technique: Part I. sensor design and performance[J]. Journal of Hydrology,1987, 93(1-2): 67-78.

12 PALTINEANU I C, STARR J L. Real-time soil water dynamics using multi sensor capacitance probes: laboratory calibration[J]. Soil Science Society of America Journal,1997,61(6):1576-1585.

13 KANG S, ZHANG J.Controlled alternate partial root-zone irrigation: its physiological consequences and impact on water use efficiency[J]. Journal of Experimental Botany, 2004, 55(407): 2437-2446.

14 HUTTON R J, LOVEYS B R. A partial root zone drying irrigation strategy for citrus—effects on water use efficiency and fruit characteristics[J]. Agricultural Water Management, 2011, 98(10):1485-1496.

15 HEDLEY C B, YULE I J.A method for spatial prediction of daily soil water status for precise irrigation scheduling[J].Agricultural Water Management, 2009, 96(12): 1737-1745.

16 THOMPSON R B, GALLARDO M, VALDEZ L C, et al. Using plant water status to define threshold values for irrigation management of vegetable crops using soil moisture sensors[J]. Agricultural Water Management, 2007, 88(1-3):147-158.

17 趙燕東,聶銘君.雙針結(jié)構(gòu)土壤水分傳感器探針最優(yōu)長度分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(11):39-43. ZHAO Yandong, NIE Mingjun. Optimal analysis for determining the dual-pin length of soil moisture probe[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011,42(11):39-43.(in Chinese)

18 張學(xué)禮,胡振琪,初士立. 土壤含水量測定方法研究進(jìn)展[J].土壤通報,2005,36(1):118-121. ZHANG Xueli, HU Zhenqi, CHU Shili. Methods for measuring soil water content: a review[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2005, 36(1): 118-121.(in Chinese)

19 蔡坤,岳學(xué)軍,洪添勝,等.基于 RC 網(wǎng)絡(luò)相頻特性的土壤含水率傳感器設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(7):36-43. CAI Kun, YUE Xuejun, HONG Tiansheng, et al. Design of soil water content sensor based on phase-frequency characteristics of RC networks[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(7): 36-43.(in Chinese)

20 HILHORST M A. Dielectric characterization of soil[D]. Wageningen: Wageningen Agricultural University, 1998.

21 趙燕東,王一鳴. 基于駐波率原理的土壤含水率測量方法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2002,33(4):109-111,121. ZHAO Yandong, WANG Yiming. Study on the measurement of soil water content based on the principle of standing-wave ratio[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002,33(4):109-111,121.(in Chinese)

22 TOPP G C, DAVIS J L, ANNAN A P. Electromagnetic determination of soil water content: measurements in coaxial transmission lines[J]. Water Recourse Research, 1980, 16(3): 574-582.

23 范壽康,盧春蘭,李平輝. 微波技術(shù)與微波電路[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

24 MA Daokun,SUN Yurui,WANG Maohua, et al.Three-dimensional numerical modeling of a four-pin probe for soil water content[J]. Australian Journal of Soil Research,2006,44(2):183-189.

Linear Scale Measurement Method for Soil Profile Moisture

GAO Zhitao1,2TIAN Hao1,2ZHAO Yandong1,2

(1.SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.BeijingLaboratoryofUrbanandRuralEcologicalEnvironment,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Pointing at the main problems existing in the utilization of point scale in soil moisture measurement, a linear scale measurement method was put forward and a sensor system of soil profile moisture information measurement was designed based on standing wave ratio method. With the help of a high frequency electromagnetic field simulation software HFSS and vector network analyzer, electric field distribution and impedance characteristics of sensor ring probe were analyzed and studied to determine the adaptation and sensitive areas of the ring probe. Two kinds of soil in different textures were taken as experimental samples, the output and the corresponding measured value of soil moisture sensors were executed polynomial fitting, and the results showed that the determination coefficient was above 0.99 and the steady and dynamic performances of sensors could satisfy the requirement of soil profile moisture measurement. The experiments of multi-layer moisture through the soil column showed the system could meet the soil profile moisture real-time measurements demand in linear scale and it had high measurement precision and stability. Meanwhile, the system was satisfied with needs of practical application and it had high application promotion value.

soil moisture; linear scale; real-time measurement system

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.033

2016-07-22

2016-09-28

國家自然科學(xué)基金項目(31371537)、北京市科技計劃項目(Z116100000916012)和北京市共建項目專項

高志濤(1989—)，男，博士生，主要從事生態(tài)信息智能檢測與控制研究，E-mail: e228319@163.com

趙燕東(1965—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)信息智能檢測與控制研究，E-mail: yandongzh@bjfu.edu.cn

S237

A

1000-1298(2017)04-0257-08