[發明專利]一種森林土壤參數測量裝置及方法

在審

• 申請號: 201710791827.2
• 申請日: 2017-09-05
• 公開（公告）號: CN107796854A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 顏小飛;鄭曉亮;趙雅婕
• 申請（專利權）人: 北京林業大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;G01N27/04;G01K7/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 王瑩,李官

技術領域

本發明涉及測量技術領域，更具體地，涉及一種森林土壤參數測量裝置及方法。

背景技術

土壤是森林生態系統重要組成部分,對森林巨大的生態環境效應具有積極意義，是開展精細農林業實踐的重要基礎。土壤水分、溫度和電導率是土壤的重要參數，在作物的生長過程中起到重要作用。

森林土壤水分是森林植物養分運轉的載體和溶劑、通氣性的調節劑以及土壤中有毒物質的稀釋劑,也是土壤徑流的供源。土壤水分物理性質常被作為評價土壤質量的重要指標，不僅決定土壤中水、氣、熱和生物狀況，而且影響土壤中植物營養元素的有效性和供應能力。

森林土壤不僅儲蓄水分還有水分涵養作用，其作用對森林火災的防護起到關鍵作用。森林土壤含水性能取決于枯枝落葉層厚度和分解程度以及土壤厚度和有機質含量。

土壤的溫度是指地表以下土壤中的溫度，主要指的是與植物生長發育相關的地表淺層的溫度。土壤溫度影響著微生物的化學反應，進而影響植物的生長發育和產量。一般我們所說的電導率指的是土壤體的電導率，土壤電導率受到土壤物理化學特性綜合影響，包括可溶性鹽、粘粒含量、礦物質、土壤含水率、容重、有機質及溫度。

目前，國內外有多種土壤水分、溫度、電導率的測量方法及裝置。土壤含水率測量方法大體分為兩類，一類是傳統測量方法，如烘干法和碳化鈣法等；另一類是現代測量方法，如張力計法、近紅外法、時域反射法、頻域反射法、電容法、中子散射法和熱量流動法等。測量土壤溫度可以直接將溫度計插入到土壤中獲得溫度或者采用溫度敏感元件(如鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶、數字式溫度傳感器)測量。農林業一共有兩大類方法用來測量土壤的電導率，一類是化學法，典型代表是土壤浸提液方法；另一類是利用土壤的電氣特性測量電導率，包括電磁感應法、時域反射法、電阻法等。基于上述理論國內外已研發出多款土壤水分、土壤溫度、土壤電導率傳感器，既可以在實驗室內測量也可以應用于農田林地測量。土壤水分、溫度、電導率之間存在較大的耦合關系，為了更加全面的了解土壤信息，同時獲取上述三參數具有重要意義。目前雖然可以使用多個不同傳感器測量以獲得三個參數，但由于土壤存在空間異質性，即同一土壤類型，不同時間、不同空間上的土壤性質不同。

首先，在使用多個傳感器測量時難以保證不同傳感器測量同一土壤時處于同一空間，但土壤性質決定了土壤存在空間異形，不同空間土壤本身的差異將導致多個傳感器測量誤差大、精度低的弊端，另外，多個傳感器測量土壤的含水率、溫度以及電導率容易引起相互干擾，精度難以保證，如：前一個傳感器測量后留下的孔洞會對下一個傳感器的測量產生干擾，最后，非集成式的多個傳感器在攜帶和操作時都不便捷，成本也較高。

發明內容

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的森林土壤參數測量裝置及方法。

第一方面，本發明提供一種森林土壤參數測量裝置，包括：土壤水分檢測模塊、土壤電導率檢測模塊、土壤溫度檢測模塊、電源、電源控制模塊、時鐘模塊和處理器；

所述土壤水分檢測模塊包括探頭，所述土壤電導率檢測模塊包括所述探頭，所述土壤溫度檢測模塊和所述探頭安裝在一個安裝體上；

所述時鐘模塊和所述處理器連接，用于向所述處理器提供時鐘信號；

所述處理器和所述電源控制模塊連接，用于根據所述時鐘信號向所述電源控制模塊輸出控制信號；

所述電源分別和所述土壤水分檢測模塊、土壤電導率檢測模塊、土壤溫度檢測模塊連接，所述電源控制模塊和所述電源連接，用于根據所述控制信號將電源輸出給所述土壤水分檢測模塊和土壤溫度檢測模塊，或輸出給所述土壤電導率檢測模塊和土壤溫度檢測模塊。

優選的，所述安裝體包括空心管、三個PVC管和錐形頭部；所述探頭為雙環式探針探頭，所述雙環式探針探頭包括兩個金屬環探針，所述空心管、一個所述PVC管、一個所述金屬環探針、第二個所述PVC管、另一個所述金屬環探針、第三個所述PVC管和所述錐形頭部依次連接，所述土壤溫度檢測模塊嵌在所述錐形內側。

優選的，所述土壤水分檢測模塊還包括：信號源、傳輸線和檢波測量電路；

所述信號源通過所述傳輸線連接所述探頭，所述傳輸線上的兩點連接所述檢波測量電路；

所述信號源，用于為所述探頭提供入射信號；

所述探頭，用于在接收到所述入射信號時反射回部分入射信號，以使反射信號和所述入射信號在所述傳輸線上疊加形成駐波；所述反射信號為反射回的入射信號；

所述檢波測量電路，用于檢測形成駐波的傳輸線上兩點的電壓。

優選的，所述檢波測量電路連接所述處理器；