土壤湿度观测相关研究

我国南部持续了20多天的50年一遇的暴风雪虽然已经过去，但留给我们的思考却很多。更加准确的天气预报特别是对极端天气的预测能力亟待加强，而这需要对地观测能力的提高。

近日，欧空局（ESA）提出了土壤湿度与海水盐度（SMOS）对地观测计划。该计划的主要目标是提供全球土壤湿度（SM）与海洋表层盐度（SSS）的分布图，以期在天气预报、气候监测及极端气候预报中取得明显进展。据悉，地球表面、大气层边界的水分和能量流动很大程度上取决于土壤湿度，通过对其及植物水分含量的了解可以建立水文动态模型，进而获得对气候的进一步理解。而海水盐度是描述海洋循环的重要因子，与其它海洋因子不同的是，还没有可能从空中对其进行测量。遥感卫星传感器有望提供50~100km精度持续的全球海洋表层盐度分布，至少能解决季节—季度尺度上的盐度变化。法国空间研究中心（CNES）和西班牙工业技术发展中心（CDTI）也参加了该计划。其中CNES负责提供SMOS平台与卫星运营，而CDTI为有效负载舱和数据处理设施提供资金。ESA负责计划的总体管理和有效负载舱的获取。发射计划预计将于2009年进行。2100433B

①重量法。取土样烘干，称量其干土重和含水重加以计算。

②电阻法。使用电阻式土壤湿度测定仪测定。根据土壤溶液的电导性与土壤水分含量的关系测定土壤湿度。

③负压计法。使用负压计测定。当未饱和土壤吸水力与器内的负压力平衡时，压力表所示的负压力即为土壤吸水力，再据以求算土壤含水量。

④中子法。使用中子探测器加以测定。中子源放出的快中子在土壤中的慢化能力与土壤含水量有关，借助事先标定，便可求出土壤含水量。

⑤遥感法。通过对低空或卫星红外遥感图象的判读，确定较大范围内地表的土壤湿度。

随着农业发展对科技需求的日益增多,气象决策服务在农业生产中发挥着重大作用,尤其是土壤旱涝决策服务,其及时性、准确性是十分重要的,能够适时了解土壤中水分的含量,实时掌握各个地区土壤湿度的第一手资料,就能够及时分析土壤旱涝状况及对农作物生长发育的影响程度。土壤快速测墒仪是一种方便、快捷的仪器,能够快速测定土壤含水量,通过计算得到土壤相对湿度,而土壤相对湿度恰好反映了农田的土壤旱涝状况。将土壤快速测墒仪用于气象决策服务中能够快速获得农田土壤旱涝状况,从而为当地政府部门决策和指导农业生产提供快速、及时、科学的方案和准备。

土壤湿度传感器1.电容型土壤湿度传感器

电容型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为金属氧化物、高分子聚合物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度的变化而变化。由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变化，电容器的电容值也就发生变化。把电容值的变化转变为电信号，就可以对湿度进行监测。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比，利用这一特性即可测量湿度。常用的电容型土壤湿度传感器的感湿介质主要有：多孔硅、聚酞亚胺，此外还有聚砜（PSF）、聚苯乙烯（PS）、PMMA（线性、交联、等离子聚合）。

土壤湿度传感器2.电阻型土壤湿度传感器

电阻型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电阻，其主要的材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水的吸附较强，吸附水分后电阻率/电导率会随湿度的变化而变化，这样湿度的变化可导致湿敏电阻阻值的变化，电阻值的变化就可以转化为需要的电信号。例如，氯化锂的水溶液在基板上形成薄膜，随着空气中水蒸气含量的增减，薄膜吸湿脱湿，溶液中的盐的浓度减小、增大，电阻率随之增大、减小，两级间电阻也就增大、减小。又如多孔陶瓷湿敏电阻，陶瓷本身是由许多小晶颗粒构成的，其中的气孔多与外界相通，通过毛孔可以吸附水分子，引起离子浓度的变化，从而导致两极间的电阻变化。

土壤湿度传感器3.离子型土壤湿度传感器

离子敏场效应晶体管（ISFET）属于半导体生物传感器，是上个世纪七十年代由P．Bergeld发明的。ISFET通过栅极上不同敏感薄膜材料直接与被测溶液中离子缓冲溶液接触，进而可以测出溶液中的离子浓度。

离子敏型土壤湿度传感器结构模型示意图如图1所示。离子敏感器件由。离子选择膜（敏感膜）和转换器两部分组成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。离子敏场效应管在绝缘栅上制作一层敏感膜，不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。

对某一量（例如一个角度、一段距离等）直接进行多次观测，以求得其最或然值，计算观测值的中误差，作为衡量精度的标准。但是，在测量工作中，有一些需要知道的量并非直接观测值，而是根据一些直接观测值按一定的数学公式（函数关系）计算而得，因此称这些量为观测值的函数。

由于观测值中含有误差，使函数受其影响也含有误差，称之为误差传播。根据观测值的中误差求观测值函数的中误差，需要应用“误差传播定律”。根据误差传播定律，将函数与观测值的误差关系表达成为一定的数学公式。 2100433B

一、 选择物候观测点和物候观测对象

（1）选择物候观测点。

在进行物候观测以前，首先应选定观测点。观测点要符合以下2 项原则: ①地点要稳定，可以进行多年观测，不必移动。因为在一个固定地点进行观测的年代越长，记录的物候资料就越宝贵。因此，没有特殊原因，最好不要更换观测地点。②观测地点要有代表性，必须考虑到地形、土壤、植被等情况，尽可能选在平坦或相当开阔的地方。物候观测点选定之后，要将地名、生境、海拔、地形( 平地、山地、凹地、坡地等) 、位置( 在建筑物的哪边，距离建筑物多远) 和土壤性质等详细记载下来，作为档案保存。

（2）选择物候观测对象。

木本植物选择当地常见、分布较广、指示性强、对季节变化反映明显、与农业生产关系密切、群众常用的为主，且是裸地栽培或野生者，生长健壮的达到开花结实3 年以上的植株3 ～ 5 株进行观测。如山地可选等高梯田内的植株观察; 如株间差异大时，应按类选定代表树对全株进行观察，并进行点( 代表株) 面( 生产果园) 结合观测，才能确定各物候期。草本植物单株间物候期的差异较大，为避免偶然性，最好选择彼此靠近的数十株作为观测对象。

二、 观测项目、记载方法的标准和要求

各物候期的观测项目、记载方法要有统一的标准和要求，才能进行比较。对每一物候期的起止日期必须记清。物候观测要随看随记，不要凭记忆在事后补记。

三、 物候期观测的时间，根据不同时期而定

春夏季正是各种植物的萌发、展叶、开花繁殖时期，各种物候现象天天不同，最好每天观测一次，如果时间不允许，也要做到隔日观测。到了秋季，可以隔日或3 d 观测一次。冬季的初冬和冬末还须进行观测，不可漏掉，到了隆冬季节则必须注意观测河流开始结冰、流冰和流冰终止日期。

四 、观测人员要固定

观测人员不宜时常变更，更不能几个人轮班观测。因为物候现象时刻变动，由一个人去观测，前后才有联系，如果轮班观测，各人对物候期特征标志的认识未必相同，这样前后的记录就会没有连贯性。 2100433B