土壤信息传感内容及技术
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土壤信息传感内容及技术
一、土壤信息传感内容
土壤信息传感包括土壤水分、电导率、氮、磷、钾含量等影响作物健康生长的土壤参数信息的获取。
1.土壤水分
土壤水分又称土壤湿度,是保持在土壤孔隙中的水分,主要来源是降水和灌溉水,此外还有近地面水气的凝结、地下水位上升及土壤矿物质中的水分。
土壤含水量直接影响着作物生长,小气候以及土壤的机械性能。
在农业、水利、气象研究等许多方面,土壤水分含量是一个重要参数。
农业生产中土壤含水量的准确测定对于水资源的有效管理、灌溉措施、作物生长、旱地农业节水、产量预测以及化学物质监测等方面非常重要,也是精准农业极为关键的重要参数。
土壤水分传感技术的研究与发展直接关系到精细农业变量灌溉技术的优劣。
常用土壤水分检测技术包括烘干法、介电法、电阻法、电容法、射线法、中子法、张力计法等。
由于便于测量,介电法是目前农业物联网中常用的土壤水分检测方法。
2.电导率
电导率是指一种物质传送(传导)电流的能力,土壤电导率与土壤颗粒大小和结构有很强的相关性,同时土壤电导率与土壤有机物含量、黏土层深度水分保持能力/水分泄漏能力有密切关系。
常用的土壤电导率检测技术包括传统理化分析方法、电磁法测量、电极电导法测量、时域反射等方法,其中电磁法测量、电极电导法测量、时域反射等方法由于能直接将电导率转化为电信号,特别适合农业物联网土壤电导率信息传感。
土壤养分测试的主要对象是氮(N)、磷(P)和钾(K),这三种元素是作物生长的必需营养元素。
氮是植物体中许多重要化合物(如蛋白质、氨基酸和叶绿素等)的重要成分,磷是植物体内许多重要化合物(如核酸核蛋白、磷脂、植素和腺三磷等)的成分,钾是许多植物新陈代谢过程所需酶的活化剂。
土壤养分检测目前多采用实验室化学分析方法。
二、土壤信息传感技术
目前基于电磁、光学、机械、声学、空气动力学、电化学等诸多方法的传感器在含水量、电导率、耕作阻力、有机质含量、离子成分等土壤参数的测量中得
到了大量研究应用。
国内外对于土壤水分实时监测的方法已经从最原始的目测法发展到现在日益成熟的电磁法,它被认为是研究最多、最深且最具潜力的一类方法。
目前,应用这一基本理论已形成以TDR、FD、SWR为代表的十几类电磁方法。
烘干法被国际公认为测定土壤水分的标准方法,然而烘干法无法实现土壤水分的在线快速测量。
中子法具有测定结果快速、准确并且可重复进行等优点,但由于其价格昂贵并且存在着辐射防护问题,目前中子法在发达国家已被禁止使用。
传统的电阻法和电热法等土壤水分测量方法虽然具有价格方面的优势,但测量范围相对狭窄,并且容易受到土壤质地、盐分、容重等因素的影响。
目前研究和应用较多的是利用土壤介电特性的方法来测量土壤的水分,基于土壤介电特性测量土壤水分的方法主要包括时域反射法(TDR)、时域传播法(TDT)、频域反射法(FDR)、驻波比法(SWR)、高频电容探头法、甚高频晶体传输线振荡器法、微波吸收法等。