自動土壤水分觀測儀在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及維護

孔慶偉

摘要 本文介紹了自動土壤水分觀測儀的工作原理、組成，安裝要點、日常應(yīng)用和維護注意事項，通過分析常見故障，提出了相應(yīng)的解決辦法，以期更好地為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞 土壤水分；自動觀測儀；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；傳感器；故障

中圖分類號 S237；S152.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0208-01

隨著“智慧氣象”口號的提出，氣象為農(nóng)服務(wù)精細化程度越來越高，周口市作為產(chǎn)糧大市，對氣象防災(zāi)減災(zāi)能力提出了更高的要求。自動化土壤水分觀測儀的出現(xiàn)為周口市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和干旱監(jiān)測提供了很大的幫助。土壤水分觀測是生態(tài)環(huán)境、水文環(huán)境、農(nóng)業(yè)氣象觀測的一項基礎(chǔ)性工作，了解、掌握土壤水分變化規(guī)律對干旱監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)測服務(wù)具有重要的意義[1]。自動土壤水分觀測儀的使用不僅縮短了測定時間、減輕了測試人員的工作強度，而且實現(xiàn)了定點土壤水分的連續(xù)觀測，適應(yīng)當前智慧氣象發(fā)展的需要，從而取代了傳統(tǒng)的烘干稱重法。目前，周口市統(tǒng)一安裝、使用的DZN2型自動土壤水分觀測儀是利用頻域反射法（frequancy domain reflection，F(xiàn)DR）原理，根據(jù)電磁波在不同介電常數(shù)中的頻率變化，計算土壤含水量。自動土壤水分觀測儀具有儀器安裝簡便、數(shù)據(jù)精度高、不破壞土層結(jié)構(gòu)等特點，對林業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)研究具有重要意義。

1 工作原理

自動土壤水分觀測儀主要利用電容土壤水分傳感器進行實時土壤含水量的探測。電容土壤水分傳感器內(nèi)有一由2個銅環(huán)組成的單桿多節(jié)式傳感器，傳感器外部包套著PVC管以防止水或其他流體的干擾，進而影響土壤含水量的監(jiān)測[2]。自動土壤水分觀測儀利用LC振蕩電路原理，描述振蕩頻率收到電容（C）、電感（L）變化的影響。由于采用固定的電感值，因而電容的改變決定頻率的變化，2個銅環(huán)之間、套管及套管外的土壤部分會影響電容的變化。電容值的改變會引起 LC 振蕩器振蕩頻率變化，之后傳感器把高頻信號轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機，單片機根據(jù)數(shù)學模型、土壤相關(guān)系數(shù)進行計數(shù)、轉(zhuǎn)換、修正，最后得出土壤水分含量[3]。

2 儀器組成及安裝要點

自動土壤水分觀測儀主要組成部分包括傳感器、采集器、無線通信模塊、供電模塊（蓄電池、太陽能電池板）等。其安裝應(yīng)注意以下幾點：要嚴格按照規(guī)范選址，應(yīng)選擇在地下水位常年>2 m的地方，切勿安裝在地勢低洼的地方；護管口應(yīng)高出地面30 cm，不能太貼近地面；傳感器距離采集箱的距離應(yīng)>1 m，同時儀器距離觀測場邊緣護欄>1 m。

3 日常應(yīng)用

3.1 在農(nóng)業(yè)氣象情報業(yè)務(wù)服務(wù)中的應(yīng)用

自動土壤水分觀測儀在農(nóng)業(yè)氣象情報業(yè)務(wù)服務(wù)中的應(yīng)用主要為農(nóng)業(yè)氣象周報、月報以及每旬6日的加測土壤水分監(jiān)測公報。

3.2 在專題農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中的應(yīng)用

自動土壤水分觀測儀在專題農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中的應(yīng)用主要包括制作夏收夏種、秋收秋種、春耕春播、抗旱等專題農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)資料。利用土壤水分觀測的實時資料制作專題決策服務(wù)材料，為政府部門及時了解旱情的發(fā)展提供重要的參考信息。

3.3 在重大天氣過程影響評估中的應(yīng)用

自動土壤水分觀測儀在重大天氣過程影響評估中的應(yīng)用主要為制作墑情變化對比分布圖。通過制作、分析降水前后墑情變化對比分布圖，在發(fā)生旱情時為決策部門、農(nóng)業(yè)人員提供服務(wù)。此外，利用自動土壤水分觀測資料進行降水入滲深度的實時分析，通過多層逐時曲線圖可以了解降水入滲深度的變化情況。

3.4 在決策服務(wù)中的應(yīng)用

自動土壤水分觀測儀在決策服務(wù)中的應(yīng)用主要是利用觀測資料實時性的特點制作臨時性的決策服務(wù)材料。例如，在重大氣象災(zāi)害發(fā)生時和重要的農(nóng)事活動期間，政府部門需要了解作物當前的墑情情況，此時則需利用自動土壤水分觀測資料制作出墑情分布圖，以供決策服務(wù)參考。

3.5 在精細化農(nóng)用天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

自動土壤水分觀測儀在精細化農(nóng)用天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中的應(yīng)用主要包括灌溉、播種、收獲、機耕氣象等級預(yù)報等。

4 日常維護

結(jié)合近年來自動土壤水分觀測儀運行情況，總結(jié)日常維護中注意事項，具體如下：每天定時查看技術(shù)裝備監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，檢查設(shè)備是否正常運行；設(shè)備維護人員每周至少到現(xiàn)場查看1～2次，查看圍欄是否遭破壞、傳感器是否遭浸泡、采集器箱體是否受損、箱內(nèi)接線是否松動；每天定時通過計算機終端對數(shù)據(jù)進行分析，查看數(shù)據(jù)是否存在異常，分層查看土壤墑情，查看數(shù)據(jù)是否有缺失或者明顯錯誤，如果發(fā)現(xiàn)問題則需及時處理；每天填寫維護日志，規(guī)范記錄數(shù)據(jù)資料及運行狀態(tài)。

5 常見故障及維修

5.1 自動土壤水分觀測儀長時間無數(shù)據(jù)

發(fā)現(xiàn)自動土壤水分觀測儀長時間無數(shù)據(jù)時，首先應(yīng)檢查供電情況，打開采集箱，觀察蓄電池、太陽能電池板、供電輸出線路是否有松動，如果沒有明顯松動，用萬用表測量電源模塊電壓值，一般情況下，太陽能電池板供電電壓為18 V左右，蓄電池電壓略大于12 V，輸出電壓為12 V左右，測量各部件電壓是否正常，如有損壞，利用替換法查看電壓是否正常。如果各部件電壓均正常，則需檢查通訊卡是否能正常上網(wǎng)，以確保通訊卡正常。如果通訊卡可以正常上網(wǎng)，下一步應(yīng)利用替換法檢查采集器是否正常。如果采集器也正常，用筆記本聯(lián)通采集器，打開調(diào)試軟件查看傳感器是否正常工作，進而基本可以確定問題出現(xiàn)在哪個環(huán)節(jié)[4]。

5.2 自動土壤水分觀測儀間斷性無數(shù)據(jù)

自動土壤水分觀測儀發(fā)生間斷性無數(shù)據(jù)一般是蓄電池出現(xiàn)問題，供電不足。白天有太陽時，太陽能電池板可持續(xù)充電能正常工作，晚上太陽能板不能充電，儲存的電量耗盡，數(shù)據(jù)中斷。解決這種故障的辦法就是更換蓄電池。

自動土壤水分觀測儀發(fā)生間斷性無數(shù)據(jù)有時是因為基站信號不穩(wěn)定，通訊卡網(wǎng)絡(luò)時斷時續(xù)，解決辦法就是嘗試更換不同的運營商，比如原來是聯(lián)通卡，則更換為移動卡。

5.3 土壤水分數(shù)據(jù)異常

引起土壤水分值異常的主要原因有傳感器安裝不到位或安裝時操作過程魯莽，造成探測管與土壤形成縫隙；由于干旱引起黏性土壤龜裂；冬季由于土壤水分相變引起機測水分值急劇下降；傳感器周圍長期不松土造成土壤板結(jié)；傳感器進水導致探頭損壞。解決以上問題的辦法為挖開傳感器周圍的土壤至未開裂的深度，選取附近松散的潮濕土壤進行回填、砸實，以確保土壤與傳感器套管緊密接觸。如果存在空洞或石塊，應(yīng)去除石塊、填補空洞。如果傳感器損壞，則需要更換傳感器。

6 結(jié)語

自動土壤水分觀測儀在日常工作中可能會出現(xiàn)各種異常情況，觀測員需要隨時注意自動土壤水分數(shù)據(jù)的變化，認真分析判斷，以保障自動土壤水分站的正常運行，避免數(shù)據(jù)丟失和異常情況的出現(xiàn)，更好地發(fā)揮自動土壤水分觀測儀在氣象為農(nóng)服務(wù)工作中的作用。

7 參考文獻

[1] 陳海波.DZN2型自動土壤水分觀測儀常見問題分析[J].氣象與環(huán)境科學，2013，36（3）：54-57.

[2] 陳家宙，陳明亮，何圓球.各具特色的當代土壤水分測量技術(shù)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2001（3）：25-26.

[3] 冶林茂，吳志剛，牛素軍，等.GStar-Ⅰ型電容式土壤水分監(jiān)測儀設(shè)計與應(yīng)用[J].氣象與環(huán)境科學，2008，31（3）：82-85.

[4] 裴建勛，姚繼東.DZN2型自動土壤水分觀測儀常見故障分析[J].吉林氣象，2017，24（1）：31-33.