張新龍

(赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

干旱是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的最主要因素之一。農(nóng)作物干旱程度的測(cè)量目前主要有兩種主要方法：一個(gè)是采用測(cè)量土壤的含水率，另一個(gè)是通過(guò)肉眼觀察植被的凋萎程度。這兩種方法由于受到農(nóng)作物所在地段的土質(zhì)結(jié)構(gòu)和觀測(cè)人的主觀意識(shí)影響，測(cè)量結(jié)果會(huì)存在一定的誤差。本研究利用植被含水導(dǎo)電的特性設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x器，即植被莖稈的含水率越高、電阻越小，導(dǎo)電性越強(qiáng)，反之亦然。這種通過(guò)測(cè)量植被莖稈電阻的大小，進(jìn)而得出農(nóng)作物干旱程度的測(cè)量方法，其結(jié)果比較其他方法更加科學(xué)合理。

1 農(nóng)作物干旱測(cè)量的方法分析

農(nóng)作物干旱是指因缺水影響到了正常的生長(zhǎng)發(fā)育而減產(chǎn)或歉收。據(jù)民政部門統(tǒng)計(jì)，干旱已經(jīng)成為威脅世界農(nóng)作物生長(zhǎng)的最大災(zāi)害。傳統(tǒng)的農(nóng)作物干旱的測(cè)量方法按照測(cè)量目標(biāo)主要分為兩大類，即對(duì)土壤的測(cè)量和對(duì)農(nóng)作物本身的測(cè)量，本研究屬于對(duì)農(nóng)作物本身的測(cè)量。

對(duì)土壤的測(cè)量主要是測(cè)量土壤的空間含水率或重量含水率，進(jìn)而在通過(guò)設(shè)定的閾值，來(lái)判定生長(zhǎng)在該地段的作物干旱程度。這期間，土壤的屬性對(duì)測(cè)量的結(jié)果影響非常大。比如沙壤土和黏土的空間含水率和重點(diǎn)含水率就存在非常大的差異。沙瓤土的持水能力比黏土弱，與黏土相同空間的相同含水率，可供農(nóng)作物迅速吸收的水分反倒比黏土高。重量含水率的誤差就更為明顯，即使同為沙壤土，土壤所含元素的比率對(duì)測(cè)量土壤重量含水率的影響都非常大，更何況土質(zhì)類型的不同，差異就會(huì)更大，見(jiàn)表1。

表1 土壤相對(duì)濕度指數(shù)干旱等級(jí)劃分

為了盡量消除土質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)干旱測(cè)量的影響，人們引入了土壤常數(shù)的概念，即通過(guò)判定不同土質(zhì)結(jié)構(gòu)的干旱閾值，進(jìn)而得出測(cè)量的干旱程度。但這種方法還是會(huì)因土壤里不同化學(xué)元素的不同造成很大的誤差。比如測(cè)量土壤空間含水率的土壤電阻法測(cè)量，目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)土壤水分站的設(shè)計(jì)原理基本上都是這類。它是通過(guò)測(cè)量單位空間內(nèi)，土壤所含水分的電阻大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但如果該土壤金屬含量偏高，僅靠一般的土壤常熟標(biāo)定測(cè)量結(jié)果，還是存在非常大的誤差。

對(duì)作物本身的觀測(cè)也分為目測(cè)和計(jì)算農(nóng)作物含水率兩大類。目測(cè)是通過(guò)觀測(cè)人員通過(guò)多年觀測(cè)積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)人為判定干旱等級(jí)。由于受到觀測(cè)人員主觀意識(shí)的影響，不同的觀測(cè)人員會(huì)得出不同的結(jié)果，甚至同一觀測(cè)人員在不同時(shí)期也會(huì)給出不同結(jié)果。計(jì)算農(nóng)作物含水率的方法和測(cè)量土壤方法類似。一般都是將取樣作物進(jìn)行稱重，然后烘干，再稱重。最后計(jì)算含水率。這種觀測(cè)方法的弊端：①操作比較麻煩，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。②需要破壞采樣作物。一年下來(lái)農(nóng)作物的損失也不少。基于以上方法的弊端，開(kāi)發(fā)一種省時(shí)省力，又不損失農(nóng)作物的設(shè)備成為農(nóng)作物干旱測(cè)量的迫切需要。

對(duì)于通過(guò)植物莖葉導(dǎo)電性來(lái)測(cè)量干旱程度的方法在學(xué)術(shù)界也有過(guò)許多探討[1]，最有代表性的有FPGA[2]技術(shù)、CPLD[3]技術(shù)和DDS[4]技術(shù)。這些儀器雖然在技術(shù)上都較為成功，但存在一個(gè)普遍的問(wèn)題就是體積龐大，有的甚至需要的電流非常大，需要接入交流電力。所以，這些技術(shù)大多只存在于實(shí)驗(yàn)室中，很難在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普及。利用植被含水率導(dǎo)電性技術(shù)原理來(lái)設(shè)計(jì)一種體積輕小，使用方便的干旱測(cè)量設(shè)備勢(shì)在必行。

2 電阻法對(duì)農(nóng)作物干旱觀測(cè)的可行性

作物需水量是指作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，在土壤肥力和水分適宜的條件下，獲得較高產(chǎn)量的植物棵間蒸發(fā)、蒸騰以及構(gòu)成作物體的水量之和，而且農(nóng)作物在不同時(shí)期需水量也是不相同的，一般農(nóng)作物在生長(zhǎng)前期需水量較少，中期需水量加大，后期需水量減少。農(nóng)作物的組成除了干物質(zhì)外就是水分，而干物質(zhì)是不具備導(dǎo)電性的。農(nóng)作物的干物質(zhì)不像土壤一樣存在大量的金屬等導(dǎo)電性強(qiáng)的微量元素，其導(dǎo)電程度可以忽略不計(jì)。只有水分這一種導(dǎo)體。所以某種農(nóng)作物導(dǎo)電性的強(qiáng)弱就是該作物水分含量的多寡。況且，該測(cè)量方法是直接對(duì)作物本身的測(cè)量，更能直接體現(xiàn)農(nóng)作物的干旱程度。只要觀測(cè)人員按照觀測(cè)方法操作，其誤差可以控制在非常小的范圍內(nèi)。

3 電阻法測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)

電阻法測(cè)量一種農(nóng)作物干旱指數(shù)測(cè)量計(jì)，包括安裝座，所述安裝座底部固定連接有連接座，所述連接座底部固定連接有把手，所述把手內(nèi)腔開(kāi)設(shè)有安裝腔，所述安裝腔內(nèi)腔設(shè)置有電池組，所述安裝座表面設(shè)置有顯示屏，所述顯示屏左右側(cè)均設(shè)置有喇叭，所述喇叭位于所述安裝座表面，所述安裝座內(nèi)腔滑動(dòng)連接有對(duì)稱設(shè)置的探針，兩個(gè)探針外壁均套接有彈簧，且兩個(gè)探針底部均固定連接有固定底座，兩個(gè)固定底座底部均轉(zhuǎn)動(dòng)連接有滑塊連接座，兩個(gè)滑塊連接座表面均固定連接有滑塊。優(yōu)選的，所述安裝座內(nèi)腔開(kāi)設(shè)有對(duì)稱分布的滑動(dòng)倉(cāng)，兩個(gè)探針和兩個(gè)滑塊連接座分別滑動(dòng)在兩個(gè)滑動(dòng)倉(cāng)的內(nèi)腔。優(yōu)選的，所述安裝座背面開(kāi)設(shè)有對(duì)稱分布的滑槽，兩個(gè)滑塊分別滑動(dòng)在兩個(gè)滑槽的內(nèi)腔。優(yōu)選的，所述連接座正面和背面分別設(shè)置有測(cè)量按鈕和電源開(kāi)關(guān)，所述把手表面設(shè)置有懸掛把手，且所述把手底部卡接有密封蓋。

優(yōu)選的，兩個(gè)喇叭表面均設(shè)置有通過(guò)鉸鏈連接的防塵蓋，所述顯示屏表面設(shè)置有保護(hù)蓋。優(yōu)選的，所述安裝座頂部設(shè)置有通過(guò)鉸鏈連接的開(kāi)關(guān)蓋，所述安裝座頂部開(kāi)設(shè)有配合槽，所述開(kāi)關(guān)蓋和所述配合槽相匹配，示意圖顯示如下。

圖1 農(nóng)作物干旱指數(shù)測(cè)量計(jì)

圖中裝置包括安裝座(1)，其特征在于：所述安裝座(1)底部固定連接有連接座(2)，所述連接座(2)底部固定連接有把手(3)，所述把手(3)內(nèi)腔開(kāi)設(shè)有安裝腔，所述安裝腔內(nèi)腔設(shè)置有電池組(17)，所述安裝座(1)表面設(shè)置有顯示屏(9)，所述顯示屏(9)左右側(cè)均設(shè)置有喇叭(6)，所述喇叭(6)位于所述安裝座(1)表面，所述安裝座(1)內(nèi)腔滑動(dòng)連接有對(duì)稱設(shè)置的探針(8)。

4 電阻法測(cè)量?jī)x器原理和效果

電阻法測(cè)量?jī)x器的測(cè)量原理，農(nóng)作物生命活動(dòng)的重要物質(zhì)是水分，也是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中需求最大，影響作物豐產(chǎn)豐收的直接因素。作物內(nèi)導(dǎo)電物質(zhì)主要是作物內(nèi)的汁液，汁液的濃度變化是直接影響電阻的變化，作物的汁液濃度越大，也就是作物水分越少，電阻率也就相應(yīng)的增大，當(dāng)汁液濃度越小時(shí)，作物體內(nèi)水分越大，電阻率相應(yīng)減小，從而利用儀器測(cè)量出作物的電阻，反應(yīng)作物的干旱程度。

儀器有益效果是：將兩個(gè)探針?lè)謩e觸碰農(nóng)作物根莖的兩側(cè)，測(cè)量電阻值，當(dāng)R<30Ω：顯示屏顯數(shù)并呈綠色，喇叭報(bào)“不旱”，當(dāng)30Ω90Ω：顯示屏不顯示，喇叭報(bào)“測(cè)量錯(cuò)誤”，該干旱指數(shù)測(cè)量計(jì)可有效測(cè)量出農(nóng)作物的干旱程度，且便于操作，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一測(cè)量準(zhǔn)確；向上推動(dòng)滑塊，使得滑塊帶動(dòng)滑塊連接座向上，滑塊連接座帶動(dòng)固定底座，固定底座帶動(dòng)探針向上移動(dòng)，且探針凸出安裝座的表面，轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊，使其卡在滑槽中進(jìn)行固定，該農(nóng)作物干旱指數(shù)測(cè)量計(jì)，兩個(gè)探針可以進(jìn)行伸縮，可在不使用時(shí)進(jìn)行收納，可有效避免探針長(zhǎng)期暴露在空氣中，造成接觸不良，影響測(cè)量結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然目前科技的發(fā)展日新月異，但糧食安全始終被放在國(guó)家安全的重要層面。而給糧食安全造成最大影響的干旱又時(shí)有發(fā)生。目前，對(duì)農(nóng)作物干旱測(cè)量的設(shè)備種類普遍偏少，大多僅局限于對(duì)其外觀的觀察，電阻法測(cè)量?jī)x器將會(huì)有效解決作物干旱測(cè)量問(wèn)題。