0 引 言土壤学的研究结果表明土壤电导率能不同程度地反映土壤中的盐分、水分、有机质含量、 土壤质地结构和孔隙率等参数的大小<1-3>。有效获取土壤的电导率值,对于确定各种田间参 数时空分布的差异有重大意义,从而也为基于信息和知识的现代精细农业的普及推广打下基础。土 壤电导率的测量大致可分为实验室测量和现场测量2大类,实验室测量首先要制备土壤浸提液,然 后利用电极法测量土壤浸提液的电导率,利用土壤浸提液的测量值表征土壤电导率的变化<4-7 >。这种传统的实验室方法作为标准测量方法具有较高的精度,也是评价土壤电导率高低的基准, 但测量过程繁琐,且耗费较长时间,实时性差,不能满足现代精细农业要求在短时间内完成大批量 测量的要求。现场测量则主要是将地球物理勘探中的方法引入到了农田土壤测量中,主要有两种基 本设计思路:接触式和非接触式<8,9>。非接触式土壤电导率传感器利用电磁感应现象检测土 壤电导率,接触式土壤电导率传感器则是一种电极式传感器,虽为接触测量但却不需要取样,基本 不用扰动土体,而且在作物生长前和生长期间都可以设法实现实时测量,很适合现代精细农业对农 田土壤信息获取的要求。在国外,已有车载接触式土壤电导率测量设备<10>,但它只适于大块 田地使用,对于我国特有的不规则的小块农田不能发挥作用,而且它只能在作物种植前测量,在作 物生长期机组无法进地,也无法在温室、塑料大棚等设施中应用。为此,笔者开发了以接触式测量 为基础的便携式土壤电导率实时分析仪<11>,本研究的目的就是通过人为制备电导率不同的土 壤样本,对开发的仪器进行性能试验研究和精度分析,优化仪器的结构参数,建立土壤电导率的实 时分析模型,并对模型的实用性进行必要的分析。1 实验材料和方法1.1 电流-电压四端法 的测量原理接触法测量的基本结构之一是电流—电压四端法,图1是这种方法的一种典型结构,测 试系统包括两个电流端(J和K)和两个电压端(M和N),作为测量激励信号的恒定电流经过两 个电流端流入大地,通过检测两个电压端的电势差,就可换算出介电材料(土壤)的电导率<12 >。图1 电流-电压四端法测试原理Fig.1 Schemeoffour-electro demethod对于大地这种长度与横截面积都不确定的复杂测量对象,文献<12>给出了下 述的计算公式σ=dJM-1dJN-1dKM-1dKN2πIVMN=k(a,b)V-1M N(1)式中 σ——电导率值,S/m;I——恒流源提供的电流值,A;VMN——在M和N 端测得的电压降,V;k(a,b)——距离dJM、dJN、dKM和dKN的函数,m,其中 a——距离dJM(=dKN),b——距离dMN。本研究就是以电流—电压四端法为理论基础 ,开发便携式土壤电导率实时分析仪,并根据性能试验研究和15分析的结果,提出适于所开发的 仪器的分析预测模型。1.2 便携式土壤电导率实时分析仪的开发如前所述,为探索适合我国的 土壤电导率实时测量手段,笔者开发了基于电流—电压四端法原理的便携式土壤电导率实时分析仪 ,图2是该仪器的系统框图和传感器示意图。图2 便携式土壤电导率实时分析仪Fig.2 P ortablesoilECtester由图2a可以看出,该仪器系统包括电源,主控单元、 显示单元、传感器,以及存储设备(笔记本电脑或者掌上电脑等)。为了记录被测土壤的所在位置 ,系统还应包括一个接收GPS空间定位信号的接口,但在本次试验研究中没有使用该功能。图2 b传感器包含有4根探针和1根均匀开有若干个孔的绝缘棒,孔的布置是以绝缘棒的一半长度为中 心,对称分布,相邻孔的距离为50mm;外侧的2根探针连接在主控单元的电源端,向大地输入 恒定电流,中间的2根探针连接在主控单元的采样电路,以采集表征土壤电导率的电压降信号。均 匀分布的孔可以使仪器的结构参数可调,通过试验优化结构参数,寻找仪器最佳的工作状态。传感 器的结构设计适于各种农田状态(包括设施栽培)的测量,即使当农作物已生长较高时,也可方便 在垄间测量,以监测作物生长期间土壤电导率的变化。2 土壤电导率实时分析仪的性能试验利用 实验室里的土槽,对开发的便携式土壤电导率测试系统进行了性能试验。由于该系统的开发目标是 要实现土壤电导率的现场实时测量,考虑到实际的农田内土壤质地、土壤容重以及固液气三相比多 少都会有所差别,为了使实验条件接近实际的农田土壤条件,本次试验中虽然每次采样的土壤质地 、容重、水分等基本不变,但没有特意追求保持这些指标必须一致或者必须有一定的离散度。试验 研究主要由3个部分组成,首先,利用所开发的仪器对土样进行测量,记录传感器输出端的电压降 ,每个测量点测量3次,取中间值作为测量结果;然后,对测量的土样进行采样,用电极法测量土 壤浸提液的电导率作为建模和标定的依据;最后,建立仪器系统的测量模型并进行必要的性能分析 。根据小麦等主要农作物根系的发达程度,确定了土槽中土壤的测量深度为20cm,根据预备试 验结果,兼顾信号强弱和失真程度,调整恒流源的输入电流为8mA。为了优化结构参数,确定对 不同的电极间距离组合,分别进行测量试验,其中dJM(=dKN)的变化范围为5～20cm ,dMN的变化范围为5～30cm。对于一种确定的dJM和dMN组合,测量过程如下:1利 用本开发系统测量电压降VMN;2采集约相当于100g干土的土样密封保存,以备分析土壤浸 提液的电导率之用;3采样之后,向土槽内均匀加入一定量的氯化钾(KCl),充分搅拌,人为 改变土壤的电导率(盐分),为下一轮的测量做准备;4开始下一轮测量。土壤浸提液电导率的传 统测量方法为:先将土样风干,然后向风干后的土样中,按照1∶5的比例加入蒸馏水,接着充分 搅拌、沉淀,最后取出澄清液用于测量<13,14>。但该方法在风干时,不仅会破坏土样的结 构性质,更会使土样中的离子种类和浓度发生改变,进而会改变土壤的电导特性,影响试验的准确 性。故本研究对传统方法进行了改进,即:把每一份土样分为两部分,一份首先烘干,测量土壤的 质量含水率;然后根据含水率,推算出另一份土样的干土质量;向第二份土样中加入蒸馏水,加入 的水量等于5倍干土质量减去该份土样中已含有的水的质量差值。这样,就可以在不破坏土样结构 性质和离子浓度的前提下,测得土壤浸提液的电导率。土壤浸提液的电导率测量使用上海精密科学 仪器厂生产的DDB-303A型便携式电导率仪,其主要性能参数如下:测量范围0～104μ S·cm-1、电子单元基本误差±1.0%、仪器基本误差1.5%。实验共设置了15个不同 的电导率水平,对每一个水平,共进行了13种电极间距离组合的测量,共得到了15×13=1 95组数据。这13种电极间距组合可以归为3种基本组态,即当dJM=dKN=a,dKM= 2a时,称为Wenner组态;当dJM(=dKN)和dMN取任意距离时,称为Schlu mberger组态;另外还有一种Polardipole组态<12>。3 试验结果及分析 3.1 试验结果通过对传感器输出电压数据的直观考察发现,使用Wenner组态和Schl umberger组态结构均得到了规律性变化的数据;而Polardiple组态得到的数据 不够理想,无法用于数据分析。表1是分析仪的性能试验结果,这里只给出了Wenner组态和 Schlumberger组态的试验数据,表中还列出了每种土壤条件下检测到的土壤浸提液的 有关参数和土壤含水率。表1 土壤电导率实时分析仪性能试验结果Table1 Experi mentalresultofthesoilECtester序号传感器的输出电压值/VW enner组态电极间距a/cm5101520Schlumberger组态电极间距a,b /cma=5,b=10a=5,b=15a=5,b=20a=10,b=20a=15,b= 30室内分析结果电导率值/μS·cm-1含水率/%(db)10.9121.2611.7 042.2731.4532.0702.6702.2803.45023911.0020. 9941.3331.8802.4501.5402.1902.7502.4303.710 23911.3230.9441.1531.5842.1601.4362.0002.47 02.2503.20028511.1840.6370.9641.2281.7151.1 631.6151.9861.7502.58031011.3350.6190.8081. 1461.5421.0451.3771.7471.5702.34034911.7860 .5670.8021.0631.4580.9751.3351.6681.5432.15 037011.9670.5500.6960.9361.2900.8751.2451.4 581.3351.94740812.1380.4560.6500.9301.2770. 8041.1511.45612.2111.77642612.4690.4300.626 0.8601.1400.7561.0081.2601.1321.67044912.33 100.3390.5130.7471.0000.7100.9491.2081.0121 .52249612.76110.4100.4970.7120.9330.5920.87 41.0810.9601.39451613.01120.3750.4310.6100. 8360.5340.7530.9620.8481.27156914.09130.3370.4170.6370.7740.5500.7370.9600.8431.23358913.51140.3720.4180.5800.7560.5430.7380.9420.7871.14562413.97150.3260.4240.5550.7350.47
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