1 背景

土壤水分是植物水分的直接来源，植物吸收土壤中的水分、有机质等营养物质，进行生长。同时，土壤水分含量的多少，又决定着植物的生长状况的好坏。因此，测量土壤水分有着重要的实际意义。目前，国内外有很多土壤水分测定方法。

探头式土壤水温盐传感器可方便、快速地测量土壤表层的水分、温度、盐分。

该系统通过实时、连续、原位监测土壤水分、温度、水势的变化，是土壤水动力学的基础研究设备。广泛应用于农田蒸散、作物耗水、森林水文、湿地水文、草原生态、水土流失、环境污染、水循环研究等领域。

2 系统工作原理及特点

ENVIdata-DT 探头式土壤水温盐水势系统由数据采集器，探头式土壤水分、温度、盐分传感器，土壤水势传感器组成。按用户设定的测量间隔定时、自动测量土壤水分、温度盐分和土壤水势。

该系统通过Internet传输数据，用户无需到测点下载数据，只要能上网，可随时查看系统运行情况、下载**和历史数据。

2.1 传感器

2.1.1探头式土壤水分、温度、盐分传感器

2.1.1.1 TRIME-PICO64/32

可方便、快速地测量土壤表层含水量，与延长杆联合使用也可以测量深层土壤含水量。

Trime-PICO探头的结构和原理

TRIME基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）时域反射技术。用以直接测量土壤或其他介质的介电常数，介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系，土壤含水量即可通过模拟电压输出被读数系统计算并显示出来。

测量时，金属波导体被用来传输TDR信号，TRIME工作时产生一个1GHz的高频电磁波，电磁波沿着波导体传输，并在探头周围产生一个电磁场。信号传输到波导体的末端后又反射回发射源。传输时间在10ps-2ns间。IMKO发明了这种**测量技术，使得仪器可以检测到小至3ps的时间信号。建立了时间采样的方法。从而使得土壤水分的测量变得更为准确和方便。

TDR 土壤水分、温度、盐分传感器 ，精度**。

特点：

1）PICO探针有着很大的测量区域，**可以达到2L。

2）测量范围可以达到100%。但是，在35%-75%范围内，测量*为精确。

3）电导率测量范围可以达到20dS/m。

4）对于大多数土壤类型来说，PICO探头在出厂前就已校准。对于一些特殊的土壤或者应用，例如纯粘土，可以在15种不同的校准曲线中选择。

5） PICO探针涂有保护层，可以将探针杆隔绝起来，这样就能保证探针杆上没有电反应。PICO探针是非常适合长期的安装在土壤中，并且能够保证，在数十年内，不会 发生测量漂移。

6） PICO探针探头和管式探头安装的深度，可达50m（或者更深）。

7） PICO探头可以测量土壤含水量，电导率和温度。而且，土壤的盐分含量，可以根据创新性的TRIME方法（1GHz高频电磁波）进行计算。

8） PICO探针适合于沙质、有机质和粘性土壤。甚至纯粘性土壤也可以被测量。

9） 因为TDR电子元件是安装在PICO探头里面的，所以对电缆的长度以及其它常有的不利影响（如水覆盖）没有限制。

10）PICO探针式探头**探针长为160mm。对于探针长度可达1米的TDR仪器在测量时，会有问题，用户需特别留意，特别是土壤剖面水分含量不同时，例如：浅层是10%，深层是35%。

2.1.1.2 ML3土壤水分、温度、电导率传感器

特点:

2.1.1.3 SM300

SM300采用FD 原理，英国Delta-T公司开发的研究级土壤水分传感器，其体积含水量测量结果可以达到2.5%。

该仪器不仅能够对各类土壤进行水分测量，也可对多种介质的水分进行有效测量，它既可用于科研，作为水分定点监测或移动测量的基本工具，也可用于生产中的水分自动控制传感器。在食品及粮食行业，它可对粉状或颗粒状的介质进行水分测量。另外，在建筑领域，可用来对搅拌料水分进行有效监测。

特点：

l 低廉的价格使SM300能够更广泛地应用在生产领域。SM300坚固，不仅能够作为便携式仪器使用，而且能够长期安装。作为便携式仪器使用时，还能够深入土钻孔中，及时方便地测量剖面土壤水分含水量。

l SM300土壤水分温度探头：圆柱式防水探头，2根不锈钢探针。

2.1.1.4 AZS-2

结构和原理:

AZS-2型高精度土壤水分测量仪采用频域反射（FDR）原理，探头由一个内含电子元件的防水室和与之一端相连的四个不锈钢探针组成。测量时，这些探针直接插入土壤，电缆连接适宜电源和模拟输出信号，AZS-2通过特殊设计的内置传输线产生100MHz的信号，并通过探针发射到土壤，测量土壤参数。

AZS-2探头探针的直径为3mm，长度为60mm。

2.1.1.5 Aquaflex 带状土壤水分传感器

用来测量大块土体的含水量同时测量土壤温度，传感器测量长度3米，测量土体体积6升。埋设式测量，可连接数据采集器进行长期监测。特别适用于菜园、葡萄园或草坪体育场、高尔夫球场或城市绿化带，对灌溉进行高效管理。

原理：

Time Domain Transmission. (TDT)原理，与TDR原理相似，但有不同，美国**技术，**号：US Patent 5148125，根据介质导电性质对沿带状传感器发射的脉冲信号速度和波形的影响来确定含水量。

特点：

l 测量土体大，Φ50mm×3000mm圆柱型土体，容积约6升，避免单点测量的偶然性；

l 耐用、稳定性好，易于安装、操作简单；

l 测量条带可任意弯曲以适应测量需要；

l 内建温度传感器，可同时测量土壤温度，并对温度和电导率进行自动补偿；

2.1.1.6 Hydra 土壤水分、盐分、温度

原理

仪器探头中产生高频电信号，测量土壤的电导与电容特性，从而计算出土壤的含盐量与含水量，同时，仪器用电热调节器测量土壤的温度。

2.1.1.7 Th2土壤温度传感器

测量单点的温度，可测量土壤，液体和气体的温度。细长的身体和尖利的顶端可减少土壤的影响，保持良好的传热性。特殊的结构可减少缆线温度对测量结果的影响。

Th2 温度传感器技术指标：

测量范围：-50°C...+70°C

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

感应区域: Length 15 mm ，? 5 mm

缆线长：10 m

2.1.2 CN3 soil heat flux土壤热通量传感器

2.1.3 土壤水势传感器

2.1.3.1 T系列

原理：

负压法，采用与植物根系从土壤中吸收水分相似的原理，当土壤中的水分减少，水势降低时，埋置在土壤中的张力计管中的水分会从多孔的陶瓷头渗出，此时张力计管中形成一定的真空度，通过测量张力计管中的真空度，就可以反映出土壤中水势的变化。

TS1 多功能张力计(左图)：同时作为张力计和土壤孔隙水取样器用。通常情况下，如果土壤水势大于85kPa，陶土头就过度失水，从而不能够正确测量土壤水势。尽管如此，如果由于陶土头内的水流失，这段时间内的数据丢失是可以接受的话，那么，等土壤变湿后，张力计就又可以重新正确测量了，但是这种情况下首先要做的工作应是给张力计重新注水并排气泡。

TS1多功能张力计:

水势测量范围：+100kPa…..-85kPa

精度：±0.5kPa

温度范围：-30 °C ... +70 °C

精度：±0.2K

T4 张力计（图中）：水势测量范围：+ 100 ... 0 ... -85 kPa

水势测量精度：±0.5 kPa

T8多用途张力计（右图）：可测量土壤水势和土壤温度；有注水指示器 水势测量范围：+100 ... 0 ...- 85 kPa

温度测量范围：-30 ℃ - 70℃

水势测量精度：±0.5 kPa

温度测量精度：+/-0.2K

优点：

? 自动注水并除去管中气泡；

? 具有持续注水控制；

? 霜冻来临之前自动排水；

? 完善的土壤温度探头；

? 探管可延长的；

? 维护成本低；

TS1 多功能张力计：同时作为张力计和土壤孔隙水取样器用。通常情况下，如果土壤水势大于85kPa，陶土头就过度失水，从而不能够正确测量土壤水势。尽管如此，如果由于陶土头内的水流失，这段时间内的数据丢失是可以接受的话，那么，等土壤变湿后，张力计就又可以重新正确测量了，但是这种情况下首先要做的工作应是给张力计重新注水并排气泡。

TS1多功能张力计(左图)

水势测量范围：+100kPa…..-85kPa

精度：±0.5kPa

温度范围：-30 °C ... +70 °C

精度：±0.2K

优点：

自动注水并除去管中气泡；

具有持续注水控制；

霜冻来临之前自动排水；

完善的土壤温度探头；

探管可延长的；

维护成本低；

2.1.2.2 EQ系列（右图）

测量范围：0 到–1500 kPa (0 到 –15 巴)

精度：0 kPa 到-100 kPa: ±10 kPa；-100 kPa 到 -1500 kPa: 10%

使用条件：除过电导率大于 1 mS/cm的盐碱土外，可用于所有土壤

输入输出：输入： 5-15 V 直流电压， ** 23 mA，；输出: 100 -800 mV 直流电压

外壳：不锈钢，尺寸重量：17 cm × 4 cm × 2 cm， 标准电缆长度：5 m， *多可延长至100 m， 350 g

2.1.4 INFIELD7C 张力计工具

2.2、数据采集器

DT系列数据采集器是一款坚固、独立、低能耗的数据采集器，具有支持U盘、18位分辨率、通讯性能可扩展及内嵌显示屏等特性。DT80的双通道隔离概念可同时使用多达10个隔离或15个共用参考模拟输入，配置扩展模块后*多可通道可扩展至600个。

DT系列数据支持SDI-12传感器组网，支持SCADA系统的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V电源为传感器供电。工作温度*低可达-45℃。

2.3、ENVIdata数据传输和管理

　　该系统直接将数据传送到(中国生态数据网)网站上，通过对监测的生态环境因子的时序变化和相关性分析，确定监测对象的状态发展。

　　ENVIdata 服务器软件既可以作为独立的应用软件，运行在用户的服务器上；也可以运行在澳作公司安全的服务器上，为多个用户提供数据接收服务，同时帮助用户监控野外测点硬件系统的运行状态。

　　澳作公司ENVIdata系列生态环境监测系统是业内**成功获得 ISO9001国际质量体系认证，于2010年获得 ISO9001 质量认证书，至今全部通过专家的年度复核，确保系统集成的品质

　　用户采用用户名和密码登陆，只要能上网，就能浏览实时和历史数据

特点：

1. 生态环境信息以各种时间间隔 （分钟、每小时、每天）发送到网站上。

2. 用户只要能上网，既可浏览实时数据。

3. 中心服务器中文界面，便于操作和管理

4. 提供多参数、实时或历史数据曲线图

5. 系统提供多站点地图显示

存储：128Mb可无限扩展，内存可存储130，000个读数，可使用PC卡或闪存可（可存储65，000个读数）

U盘存储：兼容USB1.1或USB2.0驱动，每兆约90，000采集数字点

LCD液晶显示，2线16字母的LCD液晶显示和6个按键用于查看通道及数采状态和功能执行

通讯：RS232、USB、以太网等

采样间隔：10ms至天，可自定义

输出值种类：平均值， **值， *小值， 取样值 (Sample)， 向量值， 累计值 ( Totalize )等

工作温度范围-45~70℃

时钟精准度：约±1分钟/年0-40℃；约±4分钟/年-40-70℃

供电电压：10~30VDC

工作湿度85%（无水汽凝结）

DT80：

模拟输入：5-15个单端通道（10个差分）

脉冲通道：12个

数字I/O口：8个

DT82E：

模拟输入：2-6个单端通道（4个差分）

脉冲通道：8个

数字I/O口：4个

DT82I：

模拟输入：2-6个单端通道（4个差分）

脉冲通道：8个

数字I/O口：4个

DT85：

模拟输入：12-48个单端通道（32个差分）

脉冲通道：15个

数字I/O口：8个

传感器：

应用案例

TRIME-PICO探头在土壤电导率与盐分含量换算中的应用

（1）TRIME-PICO探头电导率的测量范围

　　PICO64，PICO32 在ECw>20dS/m的情况下，ECtrime 测量范围为0…10dS/m；所有型号的TRIME-PICO探头都写入了相同的ECtrime两点线性校准曲线， 譬如PICO32探头内置两点校准曲线如下：

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

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

**点干玻璃珠代表电导率在0附近的干土，第二点将盐溶于水中代表孔隙水电导率为5ds/m(23℃)。 探头的基础校准是在实验室条件下应用标准电导率仪完成。

测量土壤孔隙水电导率或者土壤盐分测量根据土壤类型和植物种的不同，可大致将土壤盐分胁迫分为以下几级：

轻度盐化： 1-3 g salt per liter

中度盐化： 3-5 g salt / liter

重度盐化： 5-10 g salt / liter

严重盐化： > 10 g salt / liter

水溶液电导率ECw和盐分之间换算的公式如下：

TDS(Total-Dissolved-Salts) (g盐/L水)= 0.64 * ECw

譬如 ECw =5 dS/m=5mS/cm ，则盐分含量为3.2 g盐/L，孔隙水ECw的值可以通过实验室电导率测量的方法测得。

（2）TRIME-PICO探头绘制水盐曲线

　　通过PICO32和PICO64探头测量土壤体积含水率和孔隙水电导率ECtrime（反应土壤盐分）值，可以获得土壤水盐曲线。

　　下图显示的是沙土的土壤水盐曲线，图中显示的四条曲线分别代表四种不同盐分含量的沙土。其中Sand1中加入的孔隙水电导率为0.5ds/m，Sand2中为5ds/m，Sand3中为10ds/m，Sand4中为20ds/m，然后使用PICO32探头在同一土壤水分条件下进行电导率测量。通常情况下，不同盐分含量沙土的土壤电导率值（ECtrime），在10-30%的土壤水分条件下，分辨率**。

下图显示的是壤土的土壤水盐曲线，图中显示的四条曲线分别代表四种不同盐分含量的壤土。使用PICO32探头在同一土壤水分条件下进行电导率测量。通常情况下，不同盐分含量壤土的土壤电导率值（ECtrime），在25-35%的土壤水分条件下，分辨率**。

（3）TRIME-PICO特定土壤水盐曲线的绘制方法

将土样烘干至土壤体积含水量为0，然后磨碎过筛，使其均匀。向均匀土样中加入电导率为4 dS/m的水溶液（2.56g盐/L水），考虑到土壤本身所含的盐分为1g/L，则此时土样的盐分含量约为2.56g+1g=3.56g盐/L水，孔隙水电导率约为ECw= 5.5 dS/m。然后将土样放入一个塑料碗中（不能用金属碗，也不能太小），压实使其尽量接近土壤的自然密度，每一个土壤水分和盐分水平，建议测量至少3个数据，然后取平均值。测量时，请务必注意测量点周围的土壤无干扰，建议先用预打孔工具打孔。

将土样的土壤体积含水量增加为5%，其他步骤同上。

将土样的土壤体积含水量不断增加，直至饱和状态。从而测量多个水平的土壤水分体积含水量和土壤盐分数据。

绘制土壤盐分3.56g盐/L水(ECw=5.5dS/m) 的ECtrime值和不同土壤体积含水量之间的水盐曲线。

测定同一土壤体积含水量和不同土壤盐分的ECtrime值，绘制土壤体积含水量和不同土壤盐分之间的水盐曲线。

根据这两种情况下水盐曲线确定某种类型土壤盐分和ECtrime之间的换算关系。

如果土壤本身的盐分含量很高，绘制校准曲线时有必要进行淋洗，但要确保细颗粒土壤无流失，然后经过烘干和磨碎处理，土壤水盐曲线能够反映很低的盐分含量情况。也可以使用蒸馏水作为低含盐量的样品进行测量。