一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验系统及方法

摘要

本发明提出一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验系统，包括：圆柱形PVC桶，装有待测土壤；土壤水分传感器，用于测量土壤的水分；温度传感器，用于测量土壤的温度；温度采集模块，与温度传感器连接，用于转换温度传感器的电流信号值；CD‑1型铂复合电极，用于测定土壤氧化还原电位；中央数据采集器，与所述温度采集模块、CD‑1型铂复合电极和土壤水分传感器连接，用于显示所测各项数据以及采集和存储数据；所述土壤水分传感器、CD‑1型铂复合电极和温度传感器的检测探头错位固定在距土壤表面10cm的同一水平面。本发明提出同时动态原位监测土壤含水率、氧化还原电位和温度这三种土壤基本理化性质的室内模拟试验方法，监测指标多样，数据获取方便。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤监测技术领域，尤其是一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验系统及方法。

背景技术

室内模拟试验作为一种受自然气候环境影响小且可控性高的试验方法，目前被广泛应用于土壤环境研究中。其中，水气热三相是土壤的重要组成部分，植物生存的物质基础，直接影响着土壤的生态环境以及作物的产量。土壤含水率是研究土壤水分饱和程度的有效指标，动态监测土壤含水率有助于土壤水分调控类试验的开展，通过土壤含水率的监测可以避免土壤水分过多造成植物烂根和水分过少影响植株发育。土壤温度直接影响水气二者的运动，通过土壤温度监测可以防止土壤过高的积温或过低的温度影响植物生长。氧化还原过程是土壤中较为重要的化学反应，影响着土壤中的物质循环，氧化还原电位是土壤重要的物理化学性质之一。本室内模拟试验装置改良过去将土样采回实验室进行分析的缺陷，原位实时测定土壤氧化还原电位、温度和含水率，更贴近土壤的实际状态，动态监测能直观反映土壤的真实状况。中国专利一种氧化还原电位和温度连续测定装置（公开号CN208270474U），公开了一种氧化还原电位和温度连续测定装置，包括铂电极、温度传感器、防水控温盒、微处理器以及信号处理器，该实用新型虽然具有长期测定和远程控制的功能，但存在采用的氧化还原电位电极为单一电极，需后期单独制作饱和甘汞电极，且整体装置功能单一等问题。

发明内容

本发明解决了现有采用的氧化还原电位电极为单一电极，需后期单独制作饱和甘汞电极，且整体装置功能单一等问题，提出一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验系统，同时提出动态原位监测土壤含水率、氧化还原电位和温度这三种土壤基本理化性质的室内模拟试验方法，并能够通过高精度数字化显示器以及中央数据采集器实时显示监测数据，监测指标多样，数据获取方便。

为实现上述目的，提出以下技术方案：

一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验系统，包括：

圆柱形PVC桶，装有待测土壤；

土壤水分传感器，用于测量土壤的水分；

温度传感器，用于测量土壤的温度；

温度采集模块，与温度传感器连接，用于转换温度传感器的电流信号值；

CD-1型铂复合电极，用于测定土壤氧化还原电位；

中央数据采集器，与所述温度采集模块、CD-1型铂复合电极和土壤水分传感器连接，用于显示所测各项数据以及采集和存储数据；

所述土壤水分传感器、CD-1型铂复合电极和温度传感器的检测探头错位固定在距土壤表面10cm的同一水平面。

根据需要测定室内模拟试验盆栽土壤的含水率，数值直接显示在中央数据采集器显示屏上，便于更好地掌握土壤水分状况，避免植物因脱水萎焉或因水分过多造成烂根；动态监测室内模拟试验盆栽土壤温度和氧化还原电位，处理数据时通过温度查表加上参比电位后获取土壤真实的氧化还原电位，有利于在研究土壤理化分析时作参考。本发明适用于研究干湿交替或淹水土壤的盆栽试验，需保持土壤湿润，以防止氧化还原电位复合电极在干土中失去活性。全程自动采集数据，无需手动抄取数据，数据存储容量大，最高存储可达10年，并且能够通过USB接口将数据转移至个人电脑进行处理。

作为优选，所述CD-1型铂复合电极和中央数据采集器之间接有数字化显示器，所述数字化显示器，用于直观显示测得土壤氧化还原电位值。

作为优选，所述中央数据采集器通过信号隔离器与温度采集模块、数字化显示器和土壤水分传感器连接。

作为优选，所述圆柱形PVC桶内部高度为30cm，所述圆柱形PVC桶内壁从底部往上设有10条刻度线，分别为第一刻度线至第十刻度线，第一刻度至桶底距离为2cm，相邻两个刻度线的距离为2.5cm。

作为优选，所述圆柱形PVC桶筒壁第六度线，设有2安装孔，用于安装CD-1型铂复合电极和土壤水分传感器。

一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验方法，采用上述的一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验系统，包括以下步骤：

S1，对圆柱形PVC桶进行土壤填充；

S2，安装传感器，在距土表10cm处同一水平面不同位置插有CD-1型铂复合电极和土壤水分传感器，并用胶水粘结固定，避开CD-1型铂复合电极和土壤水分传感器插入温度传感器；

S3，填土结束，种植作物前对各个桶持续加等量水，静置72小时后，若水面无明显下降，此时土壤水分饱和；

S4，中央数据采集器按一定时间间隔采集一次数据，待实验结束时采用移动存储设备转移数据；

S5，用Excel函数公式对所采集的氧化还原电位值根据土壤温度值手动查表进行温度修正，并通过校正获得最终氧化还原电位值。

根据需要测定室内模拟试验盆栽土壤的含水率，数值直接显示在中央数据采集器显示屏上，便于更好地掌握土壤水分状况，避免植物因脱水萎焉或因水分过多造成烂根；动态监测室内模拟试验盆栽土壤温度和氧化还原电位，处理数据时通过温度查表加上参比电位后获取土壤真实的氧化还原电位，有利于在研究土壤理化分析时作参考；可灵活设置时间间隔。根据不同需要选择数据采集时间间隔，实时原位监测室内模拟试验多个指标，增加实验数据可信度。本方法不仅可以测得土壤温度，后期还能根据土壤温度查表对氧化还原电位进行修正。利用数据采集器自动存储已采集的数据，在试验结束后可采用便携式存储设备将数据转移到个人电脑上进行处理。

作为优选，所述步骤S1土壤填充方法为：在桶底铺设2cm石英砂，按土壤实际容重计算后称取等量土壤，每2.5cm用橡皮锤锤实后刮毛，分九层填土，填土高度共计22.5cm，填土期间在每桶土壤内拌入等量的肥料，施肥深度为20cm。

本发明的有益效果是：

1. 功能多样。根据需要测定室内模拟试验盆栽土壤的含水率，数值直接显示在中央数据采集器显示屏上，便于更好地掌握土壤水分状况，避免植物因脱水萎焉或因水分过多造成烂根；动态监测室内模拟试验盆栽土壤温度和氧化还原电位，处理数据时通过温度查表加上参比电位后获取土壤真实的氧化还原电位，有利于在研究土壤理化分析时作参考。

2. 可灵活设置时间间隔。根据不同需要选择数据采集时间间隔，实时原位监测室内模拟试验多个指标，增加实验数据可信度。

附图说明

图1是本实施例的系统机构图；

图2是本实施例的填土示意图；

图3是本实施例的实验连接图；

图4是本实施例的水稻生育期动态监测温度变化图；

图5是本实施例的水稻生育期动态监测氧化还原电位变化图；

其中，1、中央数据采集器 2、数字化显示器 3、温度采集模块 4、温度传感器 5、CD-1型铂复合电极 6、土壤水分传感器。

具体实施方式

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，CD-1铂复合电极使用南京传滴仪器设备有限公司所生产的新型铂复合电极，所述中央数据采集器系深圳昆仑通态科技有限责任公司生产，温度传感器为PT100温度传感器，由盐城市迈尔特电器仪表有限公司生产。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例：

本实施例提出一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验系统，参考图1，包括：圆柱形PVC桶，装有待测土壤；土壤水分传感器6，用于测量土壤的水分；温度传感器4，用于测量土壤的温度；温度采集模块3，带RS485协议的多路PT100温度变送器采集模块，与温度传感器4连接，用于转换温度传感器4的电流信号值；CD-1型铂复合电极5，用于测定土壤氧化还原电位；中央数据采集器1，与温度采集模块3、CD-1型铂复合电极5和土壤水分传感器6连接，用于显示所测各项数据以及采集和存储数据；CD-1型铂复合电极、土壤水分传感器6和温度传感器4的检测探头错位固定在距土壤表面10cm的同一水平面。CD-1型铂复合电极5和中央数据采集器1之间接有数字化显示器2，数字化显示器2，为高精度带RS485协议数字化显示器2，用于直观显示测得土壤氧化还原电位值。中央数据采集器1通过信号隔离器与温度采集模块3、数字化显示器2和土壤水分传感器6连接。圆柱形PVC桶内部高度为30cm，圆柱形PVC桶内壁从底部往上设有10条刻度线，分别为第一刻度线至第十刻度线，第一刻度至桶底距离为2cm，相邻两个刻度线的距离为2.5cm。圆柱形PVC桶筒壁第六度线，设有2安装孔，用于安装CD-1型铂复合电极5和土壤水分传感器6。

一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验方法，采用上述的一种联合动态原位土壤检测的室内模拟实验系统，包括以下步骤：

S1，对圆柱形PVC桶进行土壤填充；参考图2，在桶底铺设2cm石英砂，按土壤实际容重计算后称取等量土壤，每2.5cm用橡皮锤锤实后刮毛，分九层填土，填土高度共计22.5cm，填土期间在每桶土壤内拌入等量的肥料，施肥深度为20cm；

S2，安装传感器，在距土表10cm处同一水平面不同位置插有CD-1型铂复合电极5和土壤水分传感器6，并用胶水粘结固定，避开CD-1型铂复合电极5和土壤水分传感器6插入温度传感器4；

S3，根据水稻生育期不同水分管理，参考图3，包括：

CK：全生育期湿润灌溉至收获前一周停止灌溉；

T1：全生育期淹水至收获前一周停止灌溉；

T2：前期湿润灌溉，抽穗扬花期开始淹水至收获前一周停止灌溉；

T3：前期湿润灌溉，灌浆乳熟期开始淹水至收获前一周停止灌溉；

对各个桶持续加等量水，静置72小时后，若水面无明显下降，此时土壤水分饱和；

S4，中央数据采集器1每隔5分钟采集一次数据，待实验结束时采用移动存储设备转移数据；

S5，用Excel函数公式对所采集的氧化还原电位值根据土壤温度值手动查表进行温度修正，并通过校正获得最终氧化还原电位值。

由于本试验所采集数据量较大，可根据需要把数据归一到一个固定时间间隔的平均值。本实施例中抽穗扬花期开始至灌浆乳熟期结束阶段的温度和氧化还原电位的动态变化图如图4和图5所示。

参考图4，该时间段的土壤温度动态监测图显示：不同处理的土壤温度变化几乎保持一致，土壤温度主要受室外温度的影响，符合实际规律，温度传感器4在盆栽土壤中工作正常。

参考图5，该时间段的土壤氧化还原电位动态监测图显示：不同处理的氧化还原电位具有明显差异和波动。其中，T3处理在灌浆乳熟期开始后进行淹水，氧化还原电位明显下降，从175.58mV最低下降至82.29mV，还原性增强；CK处理该时间段未作淹水处理，氧化还原电位明显高于其余已淹水的处理（T1、T2、T3）。总体上看，氧化还原电位总体趋势有一定的波动但均稳定在一个范围内，淹水处理稳定在-200 ~ 100mV左右，湿润灌溉处理稳定在100~ 200mV左右，因此，铂复合电极在本实施例盆栽试验过程中功能良好，仪器工作正常，且读值稳定。

本发明的有益效果是：

1. 功能多样。根据需要测定室内模拟试验盆栽土壤的含水率，数值直接显示在中央数据采集器显示屏上，便于更好地掌握土壤水分状况，避免植物因脱水萎焉或因水分过多造成烂根；动态监测室内模拟试验盆栽土壤温度和氧化还原电位，处理数据时通过温度查表加上参比电位后获取土壤真实的氧化还原电位，有利于在研究土壤理化分析时作参考。

2. 可灵活设置时间间隔。根据不同需要选择数据采集时间间隔，实时原位监测室内模拟试验多个指标，增加实验数据可信度。