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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、有機質等營養物質，進行生長。同時，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，測量土壤水分有著重要的實際意義。目前，國內外有很多土壤水分測定方法。

探頭式土壤水溫鹽傳感器可方便、快速地測量土壤表層的水分、溫度、鹽分。

該系統通過實時、連續、原位監測土壤水分、溫度、水勢的變化，是土壤水動力學的基礎研究設備。廣泛應用于農田蒸散、作物耗水、森林水文、濕地水文、草原生態、水土流失、環境污染、水循環研究等領域。

2 系統工作原理及特點

ENVIdata-DT 探頭式土壤水溫鹽水勢系統由數據采集器，探頭式土壤水分、溫度、鹽分傳感器，土壤水勢傳感器組成。按用戶設定的測量間隔定時、自動測量土壤水分、溫度鹽分和土壤水勢。

該系統通過Internet傳輸數據，用戶無需到測點下載數據，只要能上網，可隨時查看系統運行情況、下載**和歷史數據。

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、快速地測量土壤表層含水量，與延長桿聯合使用也可以測量深層土壤含水量。

Trime-PICO探頭的結構和原理

TRIME基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）時域反射技術。用以直接測量土壤或其他介質的介電常數，介電常數又與土壤水分含量的多少有密切關系，土壤含水量即可通過模擬電壓輸出被讀數系統計算并顯示出來。

測量時，金屬波導體被用來傳輸TDR信號，TRIME工作時產生一個1GHz的高頻電磁波，電磁波沿著波導體傳輸，并在探頭周圍產生一個電磁場。信號傳輸到波導體的末端后又反射回發射源。傳輸時間在10ps-2ns間。IMKO發明了這種**測量技術，使得儀器可以檢測到小至3ps的時間信號。建立了時間采樣的方法。從而使得土壤水分的測量變得更為準確和方便。

TDR 土壤水分、溫度、鹽分傳感器 ，精度**。

特點：

1）PICO探針有著很大的測量區域，**可以達到2L。

2）測量范圍可以達到100%。但是，在35%-75%范圍內，測量*為精確。

3）電導率測量范圍可以達到20dS/m。

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

5） PICO探針涂有保護層，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。PICO探針是非常適合長期的安裝在土壤中，并且能夠保證，在數十年內，不會 發生測量漂移。

6） PICO探針探頭和管式探頭安裝的深度，可達50m（或者更深）。

7） PICO探頭可以測量土壤含水量，電導率和溫度。而且，土壤的鹽分含量，可以根據創新性的TRIME方法（1GHz高頻電磁波）進行計算。

8） PICO探針適合于沙質、有機質和粘性土壤。甚至純粘性土壤也可以被測量。

9） 因為TDR電子元件是安裝在PICO探頭里面的，所以對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。對于探針長度可達1米的TDR儀器在測量時，會有問題，用戶需特別留意，特別是土壤剖面水分含量不同時，例如：淺層是10%，深層是35%。

2.1.1.2 ML3土壤水分、溫度、電導率傳感器

特點:

2.1.1.3 SM300

SM300采用FD 原理，英國Delta-T公司開發的研究級土壤水分傳感器，其體積含水量測量結果可以達到2.5%。

該儀器不僅能夠對各類土壤進行水分測量，也可對多種介質的水分進行有效測量，它既可用于科研，作為水分定點監測或移動測量的基本工具，也可用于生產中的水分自動控制傳感器。在食品及糧食行業，它可對粉狀或顆粒狀的介質進行水分測量。另外，在建筑領域，可用來對攪拌料水分進行有效監測。

特點：

l 低廉的價格使SM300能夠更廣泛地應用在生產領域。SM300堅固，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，還能夠深入土鉆孔中，及時方便地測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

結構和原理:

AZS-2型高精度土壤水分測量儀采用頻域反射（FDR）原理，探頭由一個內含電子元件的防水室和與之一端相連的四個不銹鋼探針組成。測量時，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，AZS-2通過特殊設計的內置傳輸線產生100MHz的信號，并通過探針發射到土壤，測量土壤參數。

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

用來測量大塊土體的含水量同時測量土壤溫度，傳感器測量長度3米，測量土體體積6升。埋設式測量，可連接數據采集器進行長期監測。特別適用于菜園、葡萄園或草坪體育場、高爾夫球場或城市綠化帶，對灌溉進行高效管理。

原理：

Time Domain Transmission. (TDT)原理，與TDR原理相似，但有不同，美國**技術，**號：US Patent 5148125，根據介質導電性質對沿帶狀傳感器發射的脈沖信號速度和波形的影響來確定含水量。

特點：

l 測量土體大，Φ50mm×3000mm圓柱型土體，容積約6升，避免單點測量的偶然性；

l 耐用、穩定性好，易于安裝、操作簡單；

l 測量條帶可任意彎曲以適應測量需要；

l 內建溫度傳感器，可同時測量土壤溫度，并對溫度和電導率進行自動補償；

2.1.1.6 Hydra 土壤水分、鹽分、溫度

原理

儀器探頭中產生高頻電信號，測量土壤的電導與電容特性，從而計算出土壤的含鹽量與含水量，同時，儀器用電熱調節器測量土壤的溫度。

2.1.1.7 Th2土壤溫度傳感器

測量單點的溫度，可測量土壤，液體和氣體的溫度。細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。特殊的結構可減少纜線溫度對測量結果的影響。

Th2 溫度傳感器技術指標：

測量范圍：-50°C...+70°C

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

感應區域: 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 土壤水勢傳感器

2.1.3.1 T系列

原理：

負壓法，采用與植物根系從土壤中吸收水分相似的原理，當土壤中的水分減少，水勢降低時，埋置在土壤中的張力計管中的水分會從多孔的陶瓷頭滲出，此時張力計管中形成一定的真空度，通過測量張力計管中的真空度，就可以反映出土壤中水勢的變化。

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

TS1多功能張力計:

水勢測量范圍：+100kPa…..-85kPa

精度：±0.5kPa

溫度范圍：-30 °C ... +70 °C

精度：±0.2K

T4 張力計（圖中）：水勢測量范圍：+ 100 ... 0 ... -85 kPa

水勢測量精度：±0.5 kPa

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

溫度測量范圍：-30 ℃ - 70℃

水勢測量精度：±0.5 kPa

溫度測量精度：+/-0.2K

優點：

? 自動注水并除去管中氣泡；

? 具有持續注水控制；

? 霜凍來臨之前自動排水；

? 完善的土壤溫度探頭；

? 探管可延長的；

? 維護成本低；

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

TS1多功能張力計(左圖)

水勢測量范圍：+100kPa…..-85kPa

精度：±0.5kPa

溫度范圍：-30 °C ... +70 °C

精度：±0.2K

優點：

自動注水并除去管中氣泡；

具有持續注水控制；

霜凍來臨之前自動排水；

完善的土壤溫度探頭；

探管可延長的；

維護成本低；

2.1.2.2 EQ系列（右圖）

測量范圍：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， 標準電纜長度：5 m， *多可延長至100 m， 350 g

2.1.4 INFIELD7C 張力計工具

2.2、數據采集器

DT系列數據采集器是一款堅固、獨立、低能耗的數據采集器，具有支持U盤、18位分辨率、通訊性能可擴展及內嵌顯示屏等特性。DT80的雙通道隔離概念可同時使用多達10個隔離或15個共用參考模擬輸入，配置擴展模塊后*多可通道可擴展至600個。

DT系列數據支持SDI-12傳感器組網，支持SCADA系統的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-45℃。

2.3、ENVIdata數據傳輸和管理

　　該系統直接將數據傳送到(中國生態數據網)網站上，通過對監測的生態環境因子的時序變化和相關性分析，確定監測對象的狀態發展。

　　ENVIdata 服務器軟件既可以作為獨立的應用軟件，運行在用戶的服務器上；也可以運行在澳作公司安全的服務器上，為多個用戶提供數據接收服務，同時幫助用戶監控野外測點硬件系統的運行狀態。

　　澳作公司ENVIdata系列生態環境監測系統是業內**成功獲得 ISO9001國際質量體系認證，于2010年獲得 ISO9001 質量認證書，至今全部通過專家的年度復核，確保系統集成的品質

　　用戶采用用戶名和密碼登陸，只要能上網，就能瀏覽實時和歷史數據

特點：

1. 生態環境信息以各種時間間隔 （分鐘、每小時、每天）發送到網站上。

2. 用戶只要能上網，既可瀏覽實時數據。

3. 中心服務器中文界面，便于操作和管理

4. 提供多參數、實時或歷史數據曲線圖

5. 系統提供多站點地圖顯示

存儲：128Mb可無限擴展，內存可存儲130，000個讀數，可使用PC卡或閃存可（可存儲65，000個讀數）

U盤存儲：兼容USB1.1或USB2.0驅動，每兆約90，000采集數字點

LCD液晶顯示，2線16字母的LCD液晶顯示和6個按鍵用于查看通道及數采狀態和功能執行

通訊：RS232、USB、以太網等

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， 累計值 ( Totalize )等

工作溫度范圍-45~70℃

時鐘精準度：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）

DT80：

模擬輸入：5-15個單端通道（10個差分）

脈沖通道：12個

數字I/O口：8個

DT82E：

模擬輸入：2-6個單端通道（4個差分）

脈沖通道：8個

數字I/O口：4個

DT82I：

模擬輸入：2-6個單端通道（4個差分）

脈沖通道：8個

數字I/O口：4個

DT85：

模擬輸入：12-48個單端通道（32個差分）

脈沖通道：15個

數字I/O口：8個

傳感器：

應用案例

TRIME-PICO探頭在土壤電導率與鹽分含量換算中的應用

（1）TRIME-PICO探頭電導率的測量范圍

　　PICO64，PICO32 在ECw>20dS/m的情況下，ECtrime 測量范圍為0…10dS/m；所有型號的TRIME-PICO探頭都寫入了相同的ECtrime兩點線性校準曲線， 譬如PICO32探頭內置兩點校準曲線如下：

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

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

**點干玻璃珠代表電導率在0附近的干土，第二點將鹽溶于水中代表孔隙水電導率為5ds/m(23℃)。 探頭的基礎校準是在實驗室條件下應用標準電導率儀完成。

測量土壤孔隙水電導率或者土壤鹽分測量根據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：

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

嚴重鹽化： > 10 g salt / liter

水溶液電導率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的值可以通過實驗室電導率測量的方法測得。

（2）TRIME-PICO探頭繪制水鹽曲線

　　通過PICO32和PICO64探頭測量土壤體積含水率和孔隙水電導率ECtrime（反應土壤鹽分）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行電導率測量。通常情況下，不同鹽分含量沙土的土壤電導率值（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行電導率測量。通常情況下，不同鹽分含量壤土的土壤電導率值（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，則此時土樣的鹽分含量約為2.56g+1g=3.56g鹽/L水，孔隙水電導率約為ECw= 5.5 dS/m。然后將土樣放入一個塑料碗中（不能用金屬碗，也不能太小），壓實使其盡量接近土壤的自然密度，每一個土壤水分和鹽分水平，建議測量至少3個數據，然后取平均值。測量時，請務必注意測量點周圍的土壤無干擾，建議先用預打孔工具打孔。

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。從而測量多個水平的土壤水分體積含水量和土壤鹽分數據。

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之間的換算關系。

如果土壤本身的鹽分含量很高，繪制校準曲線時有必要進行淋洗，但要確保細顆粒土壤無流失，然后經過烘干和磨碎處理，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行測量。