韓長杰 楊文奇,2 竇漢杰 王 秀 胡麗娜 翟長遠(yuǎn)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

大田土壤中的各種營養(yǎng)物質(zhì)和水分是農(nóng)作物生長的必要條件，為增加農(nóng)作物的產(chǎn)量而大量使用各種化肥與有機(jī)肥料，這樣不僅增加了生產(chǎn)成本[1]，還危及糧食安全[2]與土壤安全[3-4]，并且水環(huán)境遭受嚴(yán)重污染[5-6]。

獲取農(nóng)作物生長的環(huán)境因素是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，快速、有效地采集土壤環(huán)境可為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供參考。土壤電導(dǎo)率是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中不可缺少的關(guān)鍵參數(shù)[7]，在土壤分析測定時(shí)土壤浸出液電導(dǎo)率直接體現(xiàn)土壤的含鹽量[8-11]。土壤電導(dǎo)率會受土壤含水率[12]、有機(jī)質(zhì)含量[13]、土壤堅(jiān)實(shí)度和質(zhì)地結(jié)構(gòu)等因素影響[14-18]，因此土壤電導(dǎo)率可以作為評價(jià)土壤肥力與生產(chǎn)能力、制定精準(zhǔn)施肥處方的重要數(shù)據(jù)[19-24]。

土壤電導(dǎo)率分為土壤表觀電導(dǎo)率(ECa)與土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)。其中土壤表觀電導(dǎo)率(ECa)中包含了多種土壤屬性，不同類型的土壤(砂土、黏土等)、土壤含鹽量、土壤顆粒半徑、有機(jī)物含量、水分保持能力等屬性[12-16]。而土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)則更能體現(xiàn)土壤含鹽量，對指導(dǎo)作物精準(zhǔn)施肥及土壤改良有重要意義[19-22]。

2016年由環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)HJ 802—2016中規(guī)范了土壤電導(dǎo)率的測定方法，并定義了土壤電導(dǎo)率是指土壤傳導(dǎo)電流的能力，通過測定土壤浸出液的電導(dǎo)率來表示，即用土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)來表示土壤電導(dǎo)率(Soil conductivity)。

文獻(xiàn)[23]以油茶林地的土壤為對象，試驗(yàn)分析了土壤中的N、P、K養(yǎng)分含量與電導(dǎo)率的關(guān)系，結(jié)果表明N、P、K養(yǎng)分含量與土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)相關(guān)性良好且遵循多項(xiàng)式擬合模型，預(yù)測模型精度達(dá)90%以上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)養(yǎng)分檢測，研究表明可以通過檢測土壤浸出液電導(dǎo)率來快速獲取土壤中N、P、K成分含量，對精準(zhǔn)施肥與土壤改良有重要意義。文獻(xiàn)[25-26]使用交流“四端法”測量土壤電導(dǎo)率，設(shè)計(jì)了一種使用電極探針的土壤電導(dǎo)率在線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，檢測誤差在-2.2%～2.4%之間，滿足了土壤電導(dǎo)率實(shí)時(shí)在線測量的要求,可以快速檢測土壤電導(dǎo)率(ECa)，該研究的設(shè)計(jì)思路對本文有重要參考作用。文獻(xiàn)[27-28]設(shè)計(jì)了車載式電導(dǎo)率測量裝置，該測量裝置為國內(nèi)車載電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[27-28]。美國Veris公司生產(chǎn)的Veris3100型車載土壤電導(dǎo)率測量設(shè)備已經(jīng)商品化，該設(shè)備可以快速測量大面積土地的土壤表觀電導(dǎo)率，被廣泛使用于美國的土壤環(huán)境監(jiān)測。隨著國內(nèi)相關(guān)研究的進(jìn)一步拓展，亟需可在大田環(huán)境里進(jìn)行快速檢測土壤表觀電導(dǎo)率并預(yù)測土壤浸出液電導(dǎo)率的車載設(shè)備。

本文基于交流四端法[29]，設(shè)計(jì)大田土壤電導(dǎo)率快速檢測系統(tǒng)，在車載移動時(shí)快速采集土壤電導(dǎo)率傳感器信息，以期能夠連續(xù)快速地預(yù)測土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)，為后續(xù)土壤精準(zhǔn)作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)檢測原理、組成及設(shè)計(jì)

1.1 檢測原理

“電流-電壓”四端法是使用最為廣泛的土壤電導(dǎo)率快速檢測方法，國內(nèi)外學(xué)者對四端法的理論和電極排布方式都進(jìn)行過深入研究[30]。如圖1所示，由電流信號源(J、K)和電壓測量端(M、N)組成。恒流信號源J、K發(fā)射交流恒流信號，在大地中形成交變電場，通過已知的恒流電流與M、N間的電勢差計(jì)算大地的電導(dǎo)，但由于大地的組成復(fù)雜，電流傳播不均勻，所以無法直接按照電極間距計(jì)算電導(dǎo)率。通常經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，擬合該系統(tǒng)電導(dǎo)與電導(dǎo)率的關(guān)系。

圖1 四端法檢測電導(dǎo)率原理圖Fig.1 Principle of four-terminal method to detect conductivity

1.2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)整體原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由交流恒流信號源和信號檢測部分組成。

圖2 電導(dǎo)率測量原理框圖Fig.2 Block diagram of conductivity measurement principle

傳感器部分由4個(gè)圓盤組成，外側(cè)圓盤為恒流激勵(lì)電極，內(nèi)側(cè)圓盤為電壓檢測電極。交流恒流信號經(jīng)過外側(cè)2個(gè)恒流電極流入大地后，通過檢測內(nèi)側(cè)電壓電極的電壓有效值可以反映土壤電導(dǎo)率的變化[30]，對于長度和面積都不確定的大地來說，Wenner組態(tài)排列下[31]，其電導(dǎo)率計(jì)算公式為[32]

(1)

式中σ——電導(dǎo)率，S/m

a——電極間距，m

I——交流恒流信號有效值，A

VIS——電壓檢測電極間電壓差，V

信號源的正弦波信號直接由AD9851產(chǎn)生，該數(shù)字頻率合成芯片使用單片機(jī)編程控制輸出，具有輸出精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，輸出信號經(jīng)二階有源低通濾波電路串聯(lián)一階高通濾波電路，濾除高頻噪聲和直流分量的同時(shí)提高其帶負(fù)載能力，該電路低通信號截止頻率為709.2 Hz，高通信號截止頻率為2 Hz。

獲得穩(wěn)定的正弦波信號后，為達(dá)到自動調(diào)節(jié)其幅值的目的，使用單片機(jī)編程控制16位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC8501的輸出電壓，在其VERF端輸入2.5 V基準(zhǔn)源信號，使其輸出限定于0～2.5 V。將正弦波信號與DAC8501輸出的電壓一起輸入模擬乘法器AD734B中進(jìn)行運(yùn)算，得到幅值變化可控的交流電壓信號，由于電源功率不高，輸出電流小，在后級使用運(yùn)算放大器與INA118U組成恒流源電路即可，本數(shù)控恒流信號源設(shè)定最大輸出電流Imax=1 000 μA，DAC8501芯片輸出最大電壓Vmax=2.5 V，根據(jù)運(yùn)放“虛短虛斷”的原則可知，輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，其只與輸入電壓和電阻器R1的電阻R1相關(guān)，即

(2)

其中

式中IOUT——輸出電流，A

VIN——輸入電壓，V

G1——增益系數(shù)

本設(shè)計(jì)選取R1=10 kΩ，實(shí)際可輸出最大電流為Imax=1 500 μA，程序限定為Imax=1 000 μA，輸出端內(nèi)置串聯(lián)100 Ω精密電阻，將其兩端電壓經(jīng)過放大和有效值轉(zhuǎn)換后實(shí)時(shí)反饋控制恒流輸出，原理圖如圖3所示。

圖3 恒流輸出電路Fig.3 Constant current output circuit

綜上，快速檢測系統(tǒng)使用的恒流信號源是電壓閉環(huán)控制策略，通過電壓信號校正控制電流源輸出。信號源是3～700 Hz可變頻率標(biāo)準(zhǔn)正弦波交流恒流信號源，輸出電流1 000 μA時(shí)最大失真阻抗為6 000 Ω，使用圓盤電極時(shí)土壤阻抗一般小于2 000 Ω[12]，滿足實(shí)際需求，電流有效值可調(diào)范圍為0～1 000 μA。

由于信號源是電流很小的交流恒流源，所以檢測電壓信號也較小，故在傳入微處理器前需要進(jìn)行信號放大和有效值轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。

將電壓檢測電極上的信號進(jìn)行差分放大是信號處理的第一步，也是整個(gè)系統(tǒng)精度的保障，需要設(shè)計(jì)很穩(wěn)定的檢測放大環(huán)節(jié)。為滿足精度要求使用集成芯片AD620，該芯片可以實(shí)現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。在信號入口與輸出口都加入低通濾波電路，濾除高頻雜波，原理如圖4所示，根據(jù)AD620電氣特性，可知電阻器Rg電阻Rg為

圖4 差分放大電路Fig.4 Differential amplifier circuit

(3)

其中G2是差分放大電路的放大倍數(shù)，在本設(shè)計(jì)中Rg取5.4 kΩ，實(shí)際放大倍數(shù)為10.2倍。

經(jīng)過差分放大的信號依舊是交流信號，不方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取與保存，需要進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，考慮到系統(tǒng)精度要求高，選取高性能集成芯片AD637進(jìn)行均方根直流轉(zhuǎn)換。最后將輸出的直流電壓信號輸入16位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成芯片ADS1115中，使用單片機(jī)讀取電壓信號，保存土壤電導(dǎo)率的同時(shí)讀取當(dāng)前GNSS數(shù)據(jù)與紅外溫度傳感器值并記錄于儲存卡中。

1.3 檢測系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)

土壤電導(dǎo)率快速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路與軟件程序控制，硬件電路包括恒流源電路、信號檢測及處理電路，軟件程序控制包括程控恒流源電路的正弦信號、調(diào)幅輸出電壓、采集讀取電導(dǎo)率信號以及獲取定位信息和溫度信息。按軟件功能將整個(gè)系統(tǒng)分為3部分，恒流信號源的嵌入式系統(tǒng)、電導(dǎo)率信號檢測及多參數(shù)整合嵌入式系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)。

恒流信號源嵌入式系統(tǒng)功能是產(chǎn)生穩(wěn)定的交流恒流信號，作為傳感器系統(tǒng)檢測的基礎(chǔ)，硬件控制方案選取全數(shù)字控制方式，因此嵌入式軟件在其中至關(guān)重要，嵌入式系統(tǒng)控制器選取英特爾居里(Curie)32位單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 恒流信號源嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成Fig.5 Constant current signal source embedded system composition

電導(dǎo)率信號檢測及多參數(shù)整合嵌入式系統(tǒng)功能是：檢測并記錄恒流信號源在土壤中產(chǎn)生的電壓信號、GNSS模塊的定位信息和紅外溫度傳感器的溫度信息，同時(shí)該嵌入式系統(tǒng)也負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。嵌入式系統(tǒng)控制器選取英特爾居里(Curie)32位單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

圖6 電導(dǎo)率信號檢測及多參數(shù)整合嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成Fig.6 Conductivity signal detection and multi-parameter integration embedded system configuration

2 土壤電導(dǎo)率室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 自制檢測裝置性能試驗(yàn)

2.1.1交流恒流源電流穩(wěn)定度

使用“電流-電壓”四端法原理檢測土壤電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是要保證恒流源的穩(wěn)定性，即輸出電流在負(fù)載變化的情況下仍能保持恒定，本文設(shè)計(jì)的恒流源是由程控?cái)?shù)字芯片實(shí)現(xiàn)的，設(shè)定電流輸出范圍是0～1 000 μA。有研究表明四端法測量土壤的大地電阻一般小于10 kΩ[25]，且使用圓盤電極測量土壤的大地電阻一般小于2 kΩ[12]，故為檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的交流恒流源穩(wěn)定性，采用可變電阻來模擬大地電阻。具體檢測方式為逐漸增加負(fù)載電阻，同時(shí)利用示波器觀察交流恒流源輸出的電壓與正弦波型，直到恒流源輸出的正弦波到達(dá)失真的臨界點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定輸出電流為500 μA，記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 交流恒流源穩(wěn)定度測試結(jié)果Tab.1 AC constant current source stability test results

從表1可以看出，當(dāng)電阻變化時(shí)，電流變化的最大相對誤差為0.204%，具有較好的穩(wěn)定性。隨著負(fù)載電阻的逐漸增大，大于9 kΩ時(shí)正弦波達(dá)到失真臨界點(diǎn)，故硬件系統(tǒng)的檢測范圍滿足四端法測量大地電阻的要求。

2.1.2紅外溫度傳感器

為驗(yàn)證紅外溫度傳感器的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了溫度檢測試驗(yàn)，對比分析同時(shí)使用紅外溫度傳感器和紅水溫度計(jì)檢測出的溫度。試驗(yàn)時(shí)將土壤裝入土盒中放入加熱箱中加熱至50℃，將土盒取出后在土壤表層使用紅水溫度計(jì)(量程-30～100℃、精度0.1℃)，同時(shí)使用紅外溫度傳感器測量土壤溫度，直至土盒溫度降至室溫，將紅外傳感器檢測的溫度作為縱坐標(biāo)，紅水溫度計(jì)測量值作為橫坐標(biāo)進(jìn)行對比，如圖7所示。

圖7 溫度擬合曲線Fig.7 Temperature comparison

從圖7可以看出，將溫度傳感器和紅水溫度計(jì)溫度測量值使用最小二乘法擬合的趨勢項(xiàng)決定系數(shù)可達(dá)到0.99，二者具有顯著線性關(guān)系，故紅外溫度傳感器的檢測精度達(dá)到溫度檢測精度要求。

2.1.3傳感器標(biāo)定

本文設(shè)計(jì)的車載式土壤電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)可通過輸出電流與電極間的電壓計(jì)算出電導(dǎo)G，電導(dǎo)與電導(dǎo)率間存在關(guān)系

σ=kG

(4)

式中系統(tǒng)測量的電導(dǎo)G與實(shí)際電導(dǎo)率σ間存在一個(gè)系數(shù)k，該系數(shù)由測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，可以使用配置的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率溶液來進(jìn)行標(biāo)定。

試驗(yàn)于2020年10月在北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，室溫25.2℃，選用5 L燒杯、100 mL燒杯、KCl試劑(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、無離子水(紅荒之力牌，電導(dǎo)率小于0.1 μS/cm)和電子天平(賽多利斯公司，BS323D型，最大量程320 g，精度0.001 g)配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的KCl溶液；選用電導(dǎo)率測量儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，DDS-307A型，量程0～100 mS/cm，精度±1.0%FS)檢測配置的KCl溶液電導(dǎo)率。自制系統(tǒng)測量的溶液電導(dǎo)為縱坐標(biāo)，DDS-307A型電導(dǎo)率測量儀檢測的溶液電導(dǎo)率作為橫坐標(biāo)，進(jìn)行線性擬合，得出標(biāo)定函數(shù)，繪制擬合曲線如圖8所示，擬合曲線R2為0.985 7。

圖8 電導(dǎo)率標(biāo)定曲線Fig.8 Conductivity calibration curve

由試驗(yàn)可知，本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)可以有效地對電導(dǎo)率進(jìn)行檢測。

2.1.4檢測性能對比試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為北京小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地，試驗(yàn)時(shí)劃定100 m的試驗(yàn)區(qū)域，首先使用自制系統(tǒng)采集40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的電導(dǎo)率，然后在同樣采集路徑上使用TR-6D型(北京順科達(dá)科技有限公司)手持式便攜土壤電導(dǎo)率檢測儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集方式是在圓盤電極留下的軌跡上進(jìn)行5點(diǎn)梅花狀采集，取其5點(diǎn)平均值代表該處土壤電導(dǎo)率。將2種方式檢測的電導(dǎo)率測量值作為縱坐標(biāo)，各采樣點(diǎn)序號作為橫坐標(biāo)，使用三階多項(xiàng)式做2組數(shù)據(jù)的趨勢線，如圖9所示，經(jīng)計(jì)算2組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R為0.849 5。

圖9 趨勢對比Fig.9 Trend comparison

根據(jù)性能對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出車載測量值與手持儀器的檢測值有很好的相關(guān)性。試驗(yàn)時(shí)便攜式手持電導(dǎo)率檢測耗費(fèi)時(shí)間為140 min，而車載檢測僅耗時(shí)3 min，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析，車載系統(tǒng)的檢測精度滿足要求并且檢測效率較高。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為獲取土壤可溶性鹽電導(dǎo)率與電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種中心組合試驗(yàn)。該試驗(yàn)的4個(gè)因素為土壤可溶性鹽電導(dǎo)率、土壤含水率、傳感電極入土深度與土壤溫度，這4個(gè)因素皆是土壤表觀電導(dǎo)率的主要影響因素[18,33]。試驗(yàn)使用的土壤取自后續(xù)進(jìn)行大田試驗(yàn)的試驗(yàn)地，試驗(yàn)時(shí)將土壤裝入5 L的燒杯，根據(jù)每次試驗(yàn)土壤的質(zhì)量來壓縮土壤體積，控制土壤容重為1.2～1.3 g/cm3。土壤經(jīng)鼓風(fēng)干燥箱105℃干燥后分裝，3 kg每份，試驗(yàn)中添加的水為無離子水，添加的鹽為純KCl。將第1次干燥后分裝的土壤，分別加入3、6、9、12、15 g KCl。添加方式是將KCl溶于無離子水中，使用噴壺，配合攪拌將KCl溶液均勻混合于土壤中，將混合鹽后的土壤繼續(xù)放回105℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥，混合鹽后土壤的可溶性鹽電導(dǎo)率按照HJ 802—2016標(biāo)準(zhǔn)測量。

對加入KCl并充分?jǐn)嚢韪稍锖蟮耐寥肋M(jìn)行均勻性檢測試驗(yàn)，如圖10所示，在土盒1、2、3位置分別稱取20 g土壤。按照HJ 802—2016標(biāo)準(zhǔn)檢測電導(dǎo)率，判斷同一土盒中電導(dǎo)率是否均勻，并比較加入不同KCl土盒的電導(dǎo)率關(guān)系，不同土盒電導(dǎo)率分布試驗(yàn)結(jié)果如圖11a所示，將3個(gè)點(diǎn)取平均值后可以看到，不同KCl含量的土盒中電導(dǎo)率基本呈線性關(guān)系，該方式可用于試驗(yàn)樣本的制備，如圖11b所示。

圖10 取樣位置Fig.10 Sampling location

圖11 電導(dǎo)率分布Fig.11 Conductivity distribution

二次干燥后的土壤根據(jù)不同試驗(yàn)條件，采用上文中混合鹽的方法添加無離子水，使其充分混合，得到不同含水率的土壤。含水率按照NY/T 52—1987標(biāo)準(zhǔn)中的干基計(jì)算。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用中心組合試驗(yàn)方法，選取土壤可溶性鹽電導(dǎo)率、土壤含水率、傳感電極入土深度、土壤溫度為試驗(yàn)因素，傳感器得到的土壤表觀電導(dǎo)率原始數(shù)據(jù)為試驗(yàn)結(jié)論，期望以此得出回歸模型，找到傳感數(shù)據(jù)與4種試驗(yàn)因素的關(guān)系，共進(jìn)行36組試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)傳感器使用1 mm冷軋Q235鋼板，邊緣打薄便于切入土壤，將其安裝于尼龍座上固定間距，使用5 L帶刻度的燒杯盛裝土壤并控制土壤容重，電極片直徑為136 mm，間距22 mm。將其放入5 L燒杯中，模擬大田環(huán)境。使用燒杯作為土壤容器是為了按照燒杯上的體積刻度控制土壤體積，從而控制土壤容重。

根據(jù)已有研究，土壤含水率對土壤表觀電導(dǎo)率的影響主要在14%～30%，當(dāng)含水率超出這個(gè)范圍時(shí)對土壤表觀電導(dǎo)率影響不大[16,18]，故試驗(yàn)時(shí)選取土壤含水率為14%～30%；根據(jù)農(nóng)作物生長特性可知，一般農(nóng)作物在含鹽量低于0.5%的土壤中可以正常生長，但由于使用四端法進(jìn)行測量時(shí)，土壤中存在鹽飽和現(xiàn)象，即隨著含鹽量的增大土壤表觀電導(dǎo)率并不會一直增大，根據(jù)趙燕東等[25]研究結(jié)果，試驗(yàn)使用的土壤電導(dǎo)率低于1 600 μS/cm；圓盤電極需穩(wěn)定地滾動切割土壤，其入土深度應(yīng)限制在直徑的1/4以下，故在本試驗(yàn)系統(tǒng)中最大入土深度是35 mm；最大溫度選取40℃。最終設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Test factors and codes

按照試驗(yàn)表要求，試驗(yàn)時(shí)選擇相應(yīng)的干燥土壤，采用噴水拌土的方式制作相應(yīng)含水率土壤。將制作好的土壤稱量并裝入5 L燒杯中，使用切割的圓片將土壤壓縮，確保每次試驗(yàn)土壤容重保持1.2～1.3 g/cm3，土壤容重計(jì)算公式為

(5)

式中rs——土壤容重，g/cm3

m——燒杯中試驗(yàn)土壤的質(zhì)量，g

v——燒杯中試驗(yàn)土壤的體積，cm3

土壤容重確定后將燒杯用保鮮膜密封放入恒溫箱中改變土壤溫度，土壤中插入溫度計(jì)測量土壤溫度，當(dāng)溫度穩(wěn)定在試驗(yàn)所需溫度時(shí)將燒杯取出，將圓盤電極插入相應(yīng)試驗(yàn)所需深度，設(shè)定傳感電極電流800 μA,頻率500 Hz，快速記錄電壓傳感器電極的數(shù)值，試驗(yàn)環(huán)境溫度24.6℃，檢測時(shí)響應(yīng)速度較快，試驗(yàn)檢測前后溫度下降不足0.5℃，故可忽略環(huán)境溫度對測量結(jié)果的影響，試驗(yàn)過程如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)過程Fig.12 Test device and test process

2.4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示(Y表示16位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成芯片ADS1115輸出的數(shù)字量)，使用數(shù)據(jù)處理軟件輔助處理數(shù)據(jù)，方差分析結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test results

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Regression model analysis of variance

通過對試驗(yàn)中各個(gè)因素以及各因素交互項(xiàng)的顯著性進(jìn)行擬合和分析，A、B、C、D、AB、AC、AD、BC、A2、C2、D2是顯著的模型項(xiàng)，對試驗(yàn)指標(biāo)影響極顯著(P<0.01)；BD、CD、B2對試驗(yàn)指標(biāo)影響不顯著(P>0.1)。將不顯著因素剔除后，得到回歸方程為

Y=43 895.54-2 201.48A-11.21B-284.04C-
333.45D+0.42AB+12.59AC+10.85AD+
0.031BC+20.80A2-1.86C2+1.22D2

(6)

式中Y——傳感器檢測值，每單位0.188 mV

由回歸模型的方差分析可知，該模型顯著，組成該模型的4個(gè)因素土壤含水率、土壤電導(dǎo)率、電極入土深度、溫度都是非常顯著的模型項(xiàng)，模型的失擬誤差項(xiàng)P=0.865 9，不顯著，因此試驗(yàn)因素和指標(biāo)與該模型存在顯著的關(guān)系。

實(shí)際使用該預(yù)測模型時(shí)，將模型中的B項(xiàng)，土壤浸出液電導(dǎo)率放至等式左邊，得到土壤浸出液電導(dǎo)率預(yù)測模型公式為

B=(Y-43 895.54+2 201.48A+284.04C+
333.45D-12.59AC-10.85AD-20.80A2+1.86C2-
1.22D2)/(0.42A+0.031C-11.21)

(7)

該模型R2為0.998 3，預(yù)測R2為0.996 1。

3 大田試驗(yàn)

3.1 大田試驗(yàn)準(zhǔn)備

2020年10月于北京市小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地開展了大田土壤電導(dǎo)率快速檢測試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)電流傳感電極幅值800 μA,頻率500 Hz，試驗(yàn)主要目的為：

(1)重復(fù)性驗(yàn)證。使用標(biāo)尺在試驗(yàn)地中量取長度20 m的試驗(yàn)區(qū)域，將土壤電導(dǎo)率快速檢測系統(tǒng)在相同路徑上重復(fù)進(jìn)行6次試驗(yàn)，記錄傳感器信號和GNSS數(shù)據(jù)，對比分析后，再選取路徑最接近的2次試驗(yàn)進(jìn)行具體分析。

(2)可行性驗(yàn)證。試驗(yàn)地塊如圖13a所示，在地塊上打點(diǎn)進(jìn)行土樣獲取后，在實(shí)驗(yàn)室中使用雷磁DDS-307A型電導(dǎo)率測量儀，按照HJ 802—2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電導(dǎo)率檢測，繪制插值圖，表示試驗(yàn)地的電導(dǎo)率變化,見圖13b。使用土壤電導(dǎo)率快速檢測系統(tǒng)，在試驗(yàn)地行走采集電導(dǎo)率信號、GNSS信息與地表溫度，檢測系統(tǒng)電極入土深度通過限深輪限制。試驗(yàn)前使用土壤含水率檢測裝置對整塊試驗(yàn)地的含水率分布進(jìn)行記錄。通過“土壤電導(dǎo)率-土壤含水率-電極入土深度-溫度”模型得出電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，繪制插值圖，與土壤采樣獲得的電導(dǎo)率差值圖進(jìn)行對比。

圖13 大田試驗(yàn)Fig.13 Field test

試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖13c所示，電極直徑430 mm，間距220 mm，電極面積與電極間距都在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的基礎(chǔ)上放大了10倍，當(dāng)電極面積與電極間距同時(shí)增加時(shí)電導(dǎo)率不發(fā)生改變，即

(8)

式中l(wèi)——間距，m

s——橫截面積，m2

進(jìn)行車速影響試驗(yàn)，通過不同車速檢測同一路徑的土壤電導(dǎo)率，當(dāng)車速越快時(shí)傳感器數(shù)值的離散越大且呈整體上升趨勢，綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取前進(jìn)車速為0.29 m/s左右進(jìn)行試驗(yàn)，在該速度時(shí)傳感器數(shù)值較為穩(wěn)定。

3.2 重復(fù)性試驗(yàn)

為確保電導(dǎo)率快速檢測系統(tǒng)在相同或相近的路線上傳感器信號相對穩(wěn)定，需要進(jìn)行系統(tǒng)重復(fù)性試驗(yàn)。在檢測系統(tǒng)靜止時(shí)傳感器信號穩(wěn)定，只需試驗(yàn)其移動時(shí)的穩(wěn)定性與重復(fù)性。檢測試驗(yàn)裝置使用紐荷蘭SNH350型拖拉機(jī)牽引，在試驗(yàn)區(qū)域采集6次傳感器輸出電壓，6次電壓數(shù)據(jù)使用線性趨勢線表示趨勢，其趨勢基本相同，如圖14a所示。6次采集路徑軌跡如圖14b所示。

圖14 重復(fù)性試驗(yàn)Fig.14 Repeatability tests

選取其中路徑最為接近的2次數(shù)據(jù)，并刪除其中采樣間距大于0.3 m的點(diǎn)，最終選擇23組數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對比。其中試驗(yàn)A電壓均值為171.29 mV，試驗(yàn)B電壓均值為168.33 mV，2次試驗(yàn)傳感器均值169.81 mV。試驗(yàn)A與試驗(yàn)B最接近位置電壓差均值為25.5 mV，占2次試驗(yàn)電壓均值的15%，但考慮到行進(jìn)過程中機(jī)具的振動、測量位置偏差，土壤電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)基本穩(wěn)定，2次試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)點(diǎn)相對位置如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)點(diǎn)位置Fig.15 Test A and B data and data point location

綜上，通過在同一路徑上6次傳感器輸出電壓值對比，可知傳感器信號在每次試驗(yàn)中都有不同，造成的原因可能是每次行進(jìn)路徑不能保證完全一致，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)存在差異，且機(jī)具的振動也會使傳感器產(chǎn)生一些噪聲，這些因素都會對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生影響。盡管重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一些差異，但其趨勢相同且差異不大，因此可以認(rèn)為系統(tǒng)在移動測量時(shí)是穩(wěn)定且可重復(fù)的。

3.3 田間試驗(yàn)

在試驗(yàn)地上使用該試驗(yàn)系統(tǒng)，限制圓盤入土深度為22 mm，使用TR-6D型土壤含水率檢測裝置對試驗(yàn)區(qū)域的土壤含水率分布進(jìn)行記錄。車載系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄電導(dǎo)率圓盤電壓、地表溫度及采集點(diǎn)的GNSS信息。在試驗(yàn)地上每間隔2 m進(jìn)行采樣，按照HJ 802—2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)檢測，如圖16所示。

圖16 實(shí)驗(yàn)室土壤浸出液電導(dǎo)率檢測Fig.16 Laboratory soil solution conductivity detection

通過“土壤電導(dǎo)率-土壤含水率-電極入土深度-溫度”與傳感器信號模型得出電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，繪制插值圖如圖17a所示，土壤采樣后在實(shí)驗(yàn)室測量獲得的土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)繪制差值圖如圖17b所示。

圖17a中綠色點(diǎn)表示車載系統(tǒng)檢測時(shí)的路徑及采樣點(diǎn)，填充的顏色代表此采樣點(diǎn)的車載系統(tǒng)預(yù)測土壤電導(dǎo)率，圖17b中紅色點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)室檢測時(shí)的土壤采樣點(diǎn)，通過克里金插值法繪制插值圖數(shù)據(jù)，對比圖17a和圖17b數(shù)據(jù)的電導(dǎo)率變化趨勢，兩者變化趨勢相對一致，說明此車載土壤電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)可以有效并快速預(yù)測土壤浸出液電導(dǎo)率的分布趨勢，為后續(xù)土壤作業(yè)提供參考。

圖17 自制系統(tǒng)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)與土壤采樣數(shù)據(jù)對比Fig.17 Comparison of conductivity data of self-made system with soil sampling data

4 結(jié)論

(1)基于四端法原理設(shè)計(jì)了一種車載式大田土壤電導(dǎo)率快速檢測采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包括交流恒流信號源、信號檢測調(diào)理電路及GNSS定位系統(tǒng)，恒流源輸出電流可調(diào)范圍0～1 000 μA，輸出頻率可調(diào)范圍3～700 Hz，1 000 μA電流下最大負(fù)載阻抗6 kΩ，滿足土壤電導(dǎo)率測量要求。

(2)通過四因素五水平中心組合試驗(yàn)探究了土壤含水率、可溶性鹽電導(dǎo)率、電極入土深度、土壤溫度對土壤浸出液電導(dǎo)率影響規(guī)律并建立了土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)計(jì)算回歸模型，用于預(yù)測土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)。該模型R2為0.998 3，預(yù)測R2為0.996 1。

(3)采用車載土壤電導(dǎo)率快速檢測系統(tǒng)進(jìn)行了大田土壤電導(dǎo)率檢測試驗(yàn)，根據(jù)土壤浸出液電導(dǎo)率(ECw)計(jì)算回歸模型獲取試驗(yàn)田塊土壤電導(dǎo)率變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，在行進(jìn)路徑相似時(shí)測量結(jié)果平均誤差小于15%，其測量結(jié)果穩(wěn)定且具有重復(fù)性。大田環(huán)境下系統(tǒng)的檢測值與實(shí)驗(yàn)室儀器檢測土壤溶液電導(dǎo)率變化趨勢相對一致，故此車載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大田土壤浸出液電導(dǎo)率的快速預(yù)測。