自动土壤水分观测仪在现代农业中的应用及维护

摘要本文介绍了自动土壤水分观测仪的工作原理、组成，安装要点、日常应用和维护注意事项，通过分析常见故障，提出了相应的解决办法，以期更好地为现代农业发展提供帮助。

关键词土壤水分；自动观测仪；现代农业；传感器；故障
中图分类号S237；S152.7 文献标识码A 文章编号1007-5739（2017）19-0208-01 随着“智慧气象”口号的提出，气象为农服务精细化程度越来越高，周口市作为产粮大市，对气象防灾减灾能力提出了更高的要求。

自动化土壤水分观测仪的出现为周口市农业生产和干旱监测提供了很大的帮助。

土壤水分观测是生态环境、水文环境、农业气象观测的一项基础性工作，了解、掌握土壤水分变化规律对干旱监测、农业生产、生态环境监测预测服务具有重要的意义[1]。

自动土壤水分观测仪的使用不仅缩短了测定时间、减轻了测试人员的工作强度，而且实现了定点土壤水分的连续观测，适应当前智慧气象发展的需要，从而取代了传统的烘干称重法。

目前，周口市统一安装、使用的DZN2型自动土壤水分观测仪是利用频域反射法（frequancy domain reflection，FDR）原理，根据电磁波在不同介电常数中的频率变化，计算土壤含水量。

自动土壤水分观测仪具有仪器安装简便、数据精度高、不破坏土层结构等特点，对林业、农业的生产研究具有重要意义。

1 工作原理
自动土壤水分观测仪主要利用电容土壤水分传感器进行实时土壤含水量的探测。

电容土壤水分传感器内有一由2个铜环组成的单杆多节式传感器，传感器外部包套着PVC管以防止水或其他流体的干扰，进而影响土壤含水量的监测[2]。

自动土壤水分观测仪利用LC振荡电路原理，描述振荡频率收到电容（C）、电感（L）变化的影响。

由于采用固定的电感值，因而电容的改变决定频率的变化，2个铜环之间、套管及套管外的土壤部分会影响电容的变化。

电容值的改变会引起LC 振荡器振荡频率变化，之后传感器把高频信号转换后传输给单片�C，单片机根据数学模型、土壤相关系数进行计数、转换、修正，最后得出土壤水分含量[3]。

2 仪器组成及安装要点
自动土壤水分观测仪主要组成部分包括传感器、采集器、无线通信模块、供电模块（蓄电池、太阳能电池板）等。

其安装应注意以下几点：要严格按照规范选址，应选择在地下水位常年>2 m的地方，切勿安装在地势低洼的地方；护管口应高出地面30 cm，不能太贴近地面；传感器距离采集箱的距离应>1 m，同时仪器距离观测场边缘护栏>1 m。

3 日常应用
3.1 在农业气象情报业务服务中的应用
自动土壤水分观测仪在农业气象情报业务服务中的应用主要为农业气象周报、月报以及每旬6日的加测土壤水分监测公报。

3.2 在专题农业气象服务中的应用
自动土壤水分观测仪在专题农业气象服务中的应用主要包括制作夏收夏种、秋收秋种、春耕春播、抗旱等专题农业气象服务资料。

利用土壤水分观测的实时资料制作专题决策服务材料，为政府部门及时了解旱情的发展提供重要的参考信息。

3.3 在重大天气过程影响评估中的应用
自动土壤水分观测仪在重大天气过程影响评估中的应用主要为制作墒情变化对比分布图。

通过制作、分析降水前后墒情变化对比分布图，在发生旱情时为决策部门、农业人员提供服务。

此外，利用自动土壤水分观测资料进行降水入渗深度的实时分析，通过多层逐时曲线图可以了解降水入渗深度的变化情况。

3.4 在决策服务中的应用
自动土壤水分观测仪在决策服务中的应用主要是利用观测资料实时性的特点制作临时
性的决策服务材料。

例如，在重大气象灾害发生时和重要的农事活动期间，政府部门需要了解作物当前的墒情情况，此时则需利用自动土壤水分观测资料制作出墒情分布图，以供决策服务参考。

3.5 在精细化农用天气预报业务中的应用
自动土壤水分观测仪在精细化农用天气预报业务中的应用主要包括灌溉、播种、收获、机耕气象等级预报等。

4 日常维护
结合近年来自动土壤水分观测仪运行情况，总结日常维护中注意事项，具体如下：每天定时查看技术装备监控系统状态，检查设备是否正常运行；设备维护人员每周至少到现场查看1～2次，查看围栏是否遭破坏、传感器是否遭浸泡、采集器箱体是否受损、箱内接线是否松动；每天定时通过计算机终端对数据进行分析，查看数据是否存在异常，分层查看土壤墒情，查看数据是否有缺失或者明显错误，如果发现问题则需及时处理；每天填写维护日志，规范记录数据资料及运行状态。

5 常见故障及维修
5.1 自动土壤水分观测仪长时间无数据
发现自动土壤水分观测仪长时间无数据时，首先应检查供电情况，打开采集箱，观察蓄电池、太阳能电池板、供电输出线路是否有松动，如果没有明显松动，用万用表测量电源模块电压值，一般情况下，太阳能电池板供电电压为18 V左右，蓄电池电压略大于12 V，输出电压为12 V左右，测量各部件电压是否正常，如有损坏，利用替换法查看电压是否正常。

如果各部件电压均正常，则需检查通讯卡是否能正常上网，以确保通讯卡正常。

如果通讯卡可以正常上网，下一步应利用替换法检查采集器是否正常。

如果采集器也正常，用笔记本联通采集器，打开调试软件查看传感器是否正常工作，进而基本可以确定问题出现在哪个环节
[4]。

5.2 自动土壤水分观测仪间断性无数据
自动土壤水分观测仪发生间断性无数据一般是蓄电池出现问题，供电不足。

白天有太阳时，太阳能电池板可持续充电能正常工作，晚上太阳能板不能充电，储存的电量耗尽，数据中断。

解决这种故障的办法就是更换蓄电池。

自动土壤水分观测仪发生间断性无数据有时是因为基站信号不稳定，通讯卡网络时断时续，解决办法就是尝试更换不同的运营商，比如原来是联通卡，则更换为移动卡。

5.3 土壤水分数据异常
引起土壤水分值异常的主要原因有传感器安装不到位或安装时操作过程鲁莽，造成探测管与土壤形成缝隙；由于干旱引起黏性土壤龟裂；冬季由于土壤水分相变引起机测水分值急剧下降；传感器周围长期不松土造成土壤板结；传感器进水导致探头损坏。

解决以上问题的办法为挖开传感器周围的土壤至未开裂的深度，选取附近松散的潮湿土壤进行回填、砸实，以确保土壤与传感器套管紧密接触。

如果存在空洞或石块，应去除石块、填补空洞。

如果传感器损坏，则需要更换传感器。

6 结语
自动土壤水分观测仪在日常工作中可能会出现各种异常情况，观测员需要随时注意自动土壤水分数据的变化，认真分析判断，以保障自动土壤水分站的正常运行，避免数据丢失和异常情况的出现，更好地发挥自动土壤水分观测仪在气象为农服务工作中的作用。

7 参考文献
[1] 陈海波.DZN2型自动土壤水分观测仪常见问题分析[J].气象与环境科学，2013，36（3）：54-57.
[2] 陈家宙，陈明亮，何圆球.各具特色的当代土壤水分测量技术[J].湖北农业科学，2001
（3）：25-26.
[3] 冶林茂，吴志刚，牛素军，等.GStar-Ⅰ型电容式土壤水分监测仪设计与应用[J].气象与环境科学，2008，31（3）：82-85.
[4] 裴建勋，姚继东.DZN2型自动土壤水分观测仪常见故障分析[J].吉林气象，2017，24（1）：31-33.
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