土壤检测范文

导语：如何才能写好一篇土壤检测，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：检测；土壤；种苗场

中图分类号：S151.9文献标识码：A文章编号：16749944（2014）02020302

1引言

乌鲁木齐市种苗场于1960年建场，占地面积3434亩，年均育苗量可达50万株，年均出圃绿化苗木30万株，为乌鲁木齐及全疆各城市绿化美化做出了积极的贡献。长期以来，种苗场的苗木生产均采用城市生活污水浇灌，从不施肥。此次检测的目的是为了了解土壤的养分含量和重金属污染情况。

2土壤采样

2.1林地土壤采样

种苗场共36个条田，每个条田长300m，宽200m，大约100亩。每个条田用蛇形取样法随机选取样点20个，在确定的采样点上，先用小土铲去掉表层3cm左右的土壤，然后倾斜向下取一片片的土壤，取土深度为30cm，将各采样点土壤集中在一起混合均匀。36个条田土壤采集完成后混合样品。

2.2菜地土壤采样

2009年种苗场将405条田中的10亩地作为职工蔬菜种植基地，采用井水浇灌，每年施有机肥一次。菜地也采用蛇形取样法，选取样点10个，取土深度为30cm，混合样品。

2.3灌溉支渠采样

种苗场的污水灌溉模式分为干渠、支渠、斗渠。干渠、支渠采用混凝土预制板防渗，斗渠渠底采集土壤。种苗场36条斗渠每条选取样点3个，样点间距离60m，取土深度30cm，混合样品。该样品因常年受水冲蚀，呈沙粒状。

3土壤测定

3.1土样的制备

将全部样品倒在塑料薄膜上或瓷盘内进行风干，当达半干状态时把土块压碎，除去石块、残根等杂物后铺成薄层，经常翻动，在阴凉处使其慢慢风干。

取风干样品100～200g，放在木板上用圆木棍辗碎，经反复处理使土样全部通过2mm孔径的筛子，将土样混均储于广口瓶内。全氮项目，取一部分已过2mm筛的土，用玛瑙或有机玻璃研钵继续研细，使其全部通过60号筛（0.25mm）。用原子吸收光度法测Cd、Cu等重金属时，土样必须全部通过100号筛（尼龙筛）。研磨过筛后的样品混匀、装瓶、贴标签、编号、储存。

3.2土壤测定方法

种苗场土壤采用的测定方法见表1。

参考文献：

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[2]肖智，刘志伟，毕华.土壤重金属污染研究述评[J]. 安徽农业科学，2010，38（33）：18812～18815.

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关键词：土壤；样品采集；样品处理；检测方法

中图分类号 S151.9 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）12-0072-02

Collection and Detection Methods of Soil Samples

Liu Yang

（Central Station of Environment Monitoring，Xinjiang Production and Construction Corps，Urumqi 830011，China）

Abstract：Soil composition is very complex，its formation and evolution influenced by parent material，climate，biology，topography，time and other factors. It is necessary to measure the soil index，because human health and social development has been hindered by large area of soil pollution with the rapid development of social economy. Sampling and testing of different pollution in soil need different methods. In order to provide alternative methods for determination of samples under different experimental conditions，the paper introduced the process of soil sample collection and the way of soil treatment，focusing on the determination of organic matter，heavy metals and pesticides in soil ，and the advantages and disadvantages of each method were compared and analyzed in the paper.

Key words：Soil；Sample collection；Sample processing；Detection method

随着城市化、工业化的快速发展，一方面建设用地面积的需求越来越大，另一方面土壤污染也越来越严重[1]。土壤是所有生物赖以生存的基础资源，是农业可持续发展的根本，土壤一旦污染，直接导致农作物的减产，食物链中的动植物受到影响，尤其是人类的生命健康受到威胁[2]。基于上述情况所以需要环境监测部门对土样进行采集并进行检测。

养分、水分、空气、不同分解程度的有机质和不同大小的矿物颗粒等物质构成了一个复杂多相的物质系统-土壤，其组成物质相互作用、相互影响。分析土壤样品对土壤的理化性质、肥力都有着重大意义，为了更好地分析土壤成分基本质量和性质，土壤样品的采集和检测工作尤为重要。

1 土壤样品的采集与处理

1.1 土壤样品的采集 土壤样品的采集是土壤研究分析的关键，采集具有代表性的样品，是反映客观条件、测土配方施肥的先决条件。因研究目的不同样品的采集方式也不同，研究测定内容包括大量和微量养分状况、有机质、pH以及一些土壤物理性质等。土样采集包括采样前的准备工作、现场勘查点位选取工作、样品采集工作及样品的运送、制备与保存工作。

1.1.1 采样前准备工作 因为土壤在时间和空间上存在差异，为保证代表性土样的采取，应该制定一个可行的计划。第一组成一支采样专业队伍，将采样过程中的具体任务进行人头上的分配，责任到人，保证采样过程的质量控制；第二经过采样前的调研工作后，确定好所需采集土样的总数，把采样点的方案细化，点位的布控做到均匀分布避免出现点位过于集中情况；第三在采样出发前，准备好所需的物资，然后组织采样队员对其进行培训，使其熟悉相关的采样程序，并掌握采样技术。

1.1.2 现场勘查及点位选取工作 到达采样区，根据采样点的位置，将队伍分成小组，每个小组负责自己的区域，选择最优的采样路线，合理安排每天的采样点数。如果点位不符合采样要求需做调整，尽量在代表区域做微调，如果能够微调尽量微调，不能微调则需要取消原涉点位，调整到农产品地区并做上相应的记录，换点过程中采样点严禁避让污染区

1.1.3 样品采集工作 利用GPS确定布设点的具置，根据已经确定的采样方法，结合当地实际情况，进行土样的采取。将采集好的土样放入取样袋，并在袋上写明样品名称、采样时间、采样地点、采样深度、采样方法及采样员姓名，并用相机拍摄采样区现状。样品采集结束后，应核对样品名称、采样地点、采样工具等资料，确认无误可撤离采样区。

1.1.4 样品的运送、制备与保存工作 土样应按相应的顺序放置、封装，运送到指定的地点。

1.2 土壤样品的处理 土壤样品的处理一般包括三步：干燥、研磨、筛分。

1.2.1 干燥 因采集后的土样大多是含有水分的，所以需要将采回的土样进行干燥处理，需注意避免暴晒以受到其他因素影响，可选择室内自然风干或者烘箱烘干。

1.2.2 研磨、筛分 晾晒后选取合适的机会对土样进行研磨、筛分，剔除杂体及不符合的颗粒，该过程中注意样品和序号一一对应。样品制备完毕后，将其按编码有序摆放，并建立电子档案。

2 土壤样品的检测

2.1 有机质的测定 土壤有机质是指存在于土壤中所有含碳有机物，它包括各种动植物残体、微生物及其会分解合成的各种有机物质[3]，主要成分是C、H、O、N，作为土壤固相的重要组分，对土壤肥力水平高低、土壤的形成、土壤结构及土壤养分都有重要影响。土壤有机质的经典测定方法有灼烧法、重量法、容量法、比色法。

2.1.1 灼烧法 通过在350～400℃进行灼烧土样，通过灼烧前后质量的差值，就是灼烧过程中溶解掉的有机质。该方法最重要的是精确的称量及温度的掌控，精度较低，且此方法仅适用砂性土壤，对于其他细密型土壤测定分析并不可行。

2.1.2 重量法 包括干烧法和湿烧法两种，干烧法是利用高温电炉灼烧，湿烧法利用重铬酸钾氧化，以此释放出土样中的CO2，用苏打石灰或氢氧化钡溶液吸收称重，再用标准酸进行滴定。重量法能够使土壤样品所含有的有机碳全部分解，可以获得较高精度的分析结果，但是该法需要特殊的仪器，时间花费也比较多。

2.1.3 容量法 该方法是分析土壤样品中的有机质比较普遍的方法，利用重铬酸钾在过量的硫酸存在情况下，来氧化土样中的有机碳，用标准硫酸亚铁对剩余的氧化剂进行回滴，氧化剂的消耗量的多少就是有机质的含量。容量法操作简单、没有局限性且分析结果精度高。

2.1.4 比色法 用葡萄糖溶液作为标准物质，利用重铬酸钾溶液氧化土样的有机碳，有机质浓度与溶液颜色的变化成线性关系，最后用光度的比色确定有机质量，该方法准确度不高。

2.2 重金属的测定 重金属元素包括汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）、砷（As）、锑（Sb）和铋（Bi）这十种元素。土样中重金属的测定一般可以采用原子吸收分光光度法、全分解法等，但是对于Cr、Pb的测定并不理想，张飞提出利用硝酸+氢氟酸+高氯酸全分解法消除土壤的重金属元素，分析结果表明该方法操作简单、方便可靠，满足实际土样测定要求[4]。为了实现现场直接测定，还可以选取x-射线荧光法，该装置灵敏度和精度都很高，但是价格也高，测定花费的成本自然高。

2.3 农药的测定 农药的品种不同对土壤造成的污染类型也不同，农药的品种包括有机氯农药、有机磷农药及有机氮农药等，现阶段主要针对有机氯和有机磷测定较多。

有机氯是持久性有机物的主要成分，具有难降解、高毒性等特点[5]，通常采用气相色谱法进行测定。首先利用丙酮和石油醚在索氏提取器中提取土样中的六六六和DDT，然后提取液用蒸馏水洗净，用电子捕获检测器气相测谱仪进行检测，外标法测定有机氯含量。该方法高分离性能，高检测性能，分析时间相对较快，但不能定性分析所得结果。

有机磷是一种能够对神经系统造成紊乱的神经毒素，所以有机磷的测定非常重要。有机磷测定分析法也是气相色谱法，能够检测出有机磷的含量已经达到纳克级水平。在进行有机磷测定过程气相色谱法结合一般是专用检测器火焰光度检测器，当然电子捕获检测器也很好。

3 结语

土壤样品的检测能够反映出环境质量的变化趋势，而土壤样品的采集和处理是最基本的工作且是最重要的环节之一。土壤样品的各项物质的测定方法有优点也有缺点，需要根据具体情况进行合适的选择，更好地定量定性分析土壤环境状况，为改善土壤环境提供指标依据。土壤环境保障了，农产品的质量与安全就保证了，人民群众生命健康不担心了，我国农业经济的可持续发展就实现了。

参考文献

[1]齐文启，汪志国，孙宗光.土壤污染分析中样品采集与前处理方法探讨[J].现代科学仪器，2007，04：55-58.

[2]高锦卿.土壤重金属污染及防治措施[J].现代农业科技，2013，01：220+225.

[3]张钧.土壤有机质测定全程质量控制[J].四川环境，2014，02：6-12.

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关键词：近红外光谱技术 土壤成分 检测 发展动向

中图分类号：O657 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-0-01

在农业中，土壤成分的含量直接影响农作物的生长和丰收。但是，由于土壤污染、农药化肥违规使用，其中营养元素（如氮、磷、钾等）的流失或过剩已成为当前农业生产中不可忽视的问题。对土壤成分的检测，便于农民了解土地的肥力，进行科学施肥，适当增加或减少微量元素与有机肥用量，提高农产品的质量和单位面积产量，改善土壤肥力，提高农业资源的利用率和现代农业精准作业水平具有重要意义。

传统的土壤成分含量的检测主要在化学实验室进行。这种方法不仅费时费力，需要专门的工作人员进行化验，而且检测速度慢、实时性差，无法适应现代农业精准施肥快速检测化的要求。而近红外光光谱技术是一种无损、高效、快速、准确的检测技术，已经成功在多个领域获得应用，包括农业、食品、医药、烟草等行业。在近红外光谱区域，一般有机物的吸收主要是由含某些官能团如C-H、O-H、N-H等的伸缩、振动、弯曲等一起的倍频和合频吸收谱带的吸收。通过样品的光谱吸收特性和样品的组成结构之间的关系，测得有机物的组成成分。

1 土壤成分NIRS检测的重点

1.1 建立样品库

采集一定量具有代表性的土壤样品，风干、磨碎，制成需要分析检测的样品。首先采用常规化学分析方法测定样品的有机质、氮、磷、钾等含量，为预测提供标准数据；然后根据化学检验结果，尽可能获取大量可靠数据，丰富和补充建模样品库中的数量，建立土壤成分NIRS预测的建模样品库。

1.2 建立NIRS数据库

在同一实验条件下测定土壤成分样品库中样品的近红外光谱，建立土壤成分含量预测的近红外光谱库。不同的近红外光谱检测仪器的精度不同，其光谱也有所差别。

1.3 建立数学模型

近红外光谱分析技术是一种间接的分析技术，要想实现对未知样品的定性或定量分析，首先要对样品通过标定的方法建立校正模型。利用主成分分析的方法得到主要成分，利用聚类分析的方法得到光谱的类型，在模型建立过程中，通过主成分和光谱类型之间的关系，建立起光谱数据与化学值的相关关系，利用多元回归的方法，建立基于近红外光谱的有机质测量模型。

1.4 光谱预处理技术

为了建立稳定定标模型，得到可靠、准确的特征波长，去除掉有各种干扰噪声。如散射干扰、仪器噪声等、其他组分吸收对待测组分吸收造成的干扰等，这些干扰噪声的存在必然会影响光谱数据的分析及定标模型的分析精度和稳定性，以便降噪、减少各种干扰。因此，对采集的土壤样品进行多元散射校正有利于光谱预处理和定标模型的建立。

2 土壤成分NIRS检测的难点

2.1 样品库的准确性

在近红外光谱分析中，由于光谱数据中的异常光谱严重影响定标模型的质量。因此还需要剔除异常样品，保证定标模型的稳定性。样品的基体（如含水量）的影响，虽然经过处理后，基体情况基本一致，但不能排除个别样品基体不同的情况；样品颗粒大小及均匀度对光的漫反射强度的影响；由于装样时样品量的多少，装样的厚度，样品表面的平整性及密实程度都对入射光在样品表面有一定的影响，进而影响所测得的光谱。

2.2 温度的影响

温度的稳定性是保证测量系统分析精度及重复性的重要环节。因此要采用信噪比与温度成反比的探测器，并对其进行致冷控温。近红外分析法对仪器和样品的温度十分敏感，温度变化在10～20 ℃就可以使得吸光度发生变化，而且温度影响不呈规律性。所以分析测试前要求室温相对稳定，仪器要预热一段时间，样品也须置于仪器同一环境下放置一段时间，以达到与室温、仪器相接近的温度。

2.3 仪器的分辨率

近红外光谱仪的工作状态和扫描时各种参数的设置，特别是仪器的分辨率会严重影响近红外光谱的质量，对测量过程和分析结果产生很大影响。分辨率越高，近红外光谱就越粗糙，光谱所含噪声越多，吸光度也越大。

要减少预测引起的误差，除了要避免以上几种情况外，还必须保证定标样品能充分代表所分析对象的总体，其收集范围应包括将来测定未知样品可能出现的待测成份含量水平和不同产地的情况，使各不同水平的定标样品数目尽可能均匀分布。

3 结语

从近年近红外光谱技术在土壤领域应用研究的进展看，它既可以分析农业及土壤方面的有机成分样品，还可以分析土壤矿质成分，预测土壤质地、土壤酸碱度等。因此近红外光谱技术作为土壤测试技术具有巨大潜力。其关键问题在于定标样品集的选择、光谱处理、定标模型的建立与所测成分标准方法关联度的好与坏。在配以判别软件和分类软件的前提下，还可以进行土壤类型的

分类。

近红外光谱技术是一种快速方便的无损检测技术，通过近红外光谱技术对土壤成分检测的研究开发具有较高的可行性。通过这项技术，能够及时了解土壤成分含量在不同地段的分布，间接了解农作物生长状况，指导农民合理使用化肥，提高土地利用率。

当前，NIRS在土壤成分检测方面的仪器设备还处于开发阶段，便携式的、可在田间应用的还不多，相应的软件还不成熟，需要解决的难点还很多，距离推广还有很多的路要走。总之，近红外光谱技术在土壤学研究、土壤测试、精准农业及数字土壤等方面具有极大的发展前景，今后应该加强这一领域的研究。

参考文献

[1] 金仲辉.物理学在促进农业发展中的作用[J].物理，2002，31（6）：392-399.

[2] 韩东海，刘新鑫，涂润林.果品无损检测技术在苹果生产和分级中的应用[J].世界农业，2003（1）：42―44.

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关键词：土壤中；重金属检测；样品前处理技术

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.14.081

在样品化学分析技术中，导致分析产生最大误差的是样品前处理，因为仪器本身产品误差的可能性相对较小。不同前处理技术在对同一样品进行操作时，所获取的最终结果也会有一定区别。所以，在样品前处理技术中提出一个更加快速、简单的操作方法是当务之急。

1 湿法消解

湿法消解是将氧化性强酸加入到样品中，通过对有机物的加热破坏，达到待测无机成分的释放，最终形成稳定的无机化合物用于实际分析。湿法消解是目前较为简单的一种操作技术，故被广泛用于土壤中重金属检测样品前处理。

1.1 湿法消解的试剂选择

在实际操作中，湿法消解主要使用几种试剂，第一是盐酸；第二是硝酸；第三是高氯酸；第四是氢氟酸。首先，盐酸是一种效果较强的试剂，其在高温高压下的多种物质，如硫酸盐和硅酸盐等都能和盐酸形成可溶的盐酸盐。其次，硝酸是一种强氧化剂，实验室通常对其应用重金属元素的释放样品中，并形成可溶性的硝酸盐。再次是高氯酸，其也具有很强的氧化性，不仅能形成金属反应，还能对有机物进行消解，但需要注意的是高氯酸在热浓条件下，很容易与氧化过的无机物产生爆炸。最后是氢氟酸，其是一种有效溶剂，能对硅基物料进行有效溶解，并将其转化为能挥发的SiF，之后需要对相关元素加以检测。

1.2 湿法消解技术现状

总的来说，湿法消解是一种操作简单的技术，几乎所有实验室都能通过其进行样品前处理，但其中还是存在一些需要化的问题。第一，湿法消解主要是一种氧化法应，其在过程中需要消耗大量时间，通常需要五到十小时左右，主要根据检测样品的成分来决定。湿法消解所常用的四种酸实际都属于相对危险的物质，其中的高氯酸更有可能产生爆炸的可能，氢氟酸的缺陷在于会腐蚀玻璃，如果操作不当会对仪器造成损害。电热板加热消解，石墨消解仪加热时间在十个小时左右，时间长，消解不彻底，消解后的溶液常有残渣，用仪器进行分析测试时容易堵塞进样的毛细管，全自动石墨消解，自动设定升降温，加酸，定容，摇匀等程序，消解时间在五六个小时，时间短，消解也彻底，消解后的溶液澄清明亮，解放了人力，适合批量样品的消解，一批最多可消解60个样品。

2 干灰化法消解

2.1 干灰化法消解的原理

高温灼烧是干灰化法的主要方式，以利于分解氧化有机物，再测定所剩下的无机物。在利用干灰化法进行样品前处理时，温度需要及时调整，其能对不同元素产生影响。为了提升干灰化法的灰化时间，实验中通常会加入一些试剂，第一是HNO3；第二是Mg（NO3）2等灰助剂，由于加入试剂的不同对元素产生的作用也会有相应的区别。

2.2 干灰化法的现状

干灰化法是通过高温氧化样品中的有机质，其操作方法容易，需要使用的试剂也较小，不会形成太大的样品污染。同时，干灰化法要实现分析样品准确度的提高，还可以通过称样量的增加来实现。但是干灰化法也有需要优化的问题，通常，灰化需要持续六小时以上，如果最终灰化效果不理想还可能需要及时进行降温，然后将混酸加入继续灰化。

3 微波消解

3.1 微波消解的操作原理

根据各自应用方法的情况来看，微波消解操作技术在实践操作中具有如下几个特点：第一，消解能力强；第二，样品污染少；第三，分析结果准确，也是其拥有的独特优势，从而是土壤中重金属检测样品前处理的一种常用方法。微波消解技术和传统加热有一定的区别，其是属于内加热，通过微波能达到快速的深层加热，微波的变交磁场会随机产生并极化介质分子，高频磁场促使极性分子交替进行排列，最终分子高速震荡。同时，震荡因为分子的分子间和热运动受到影响，以此获取很高的能量。这种相互作用导致样品表面层产生破裂，形成酸反应和新的表面层，以达到快速溶解样品的效果。

3.2 微波消解技术的现状

在先进技术应用越来越广泛的情况下，微波消解技术的合理应用，是提高其检测结果准确性的重要途径。当前，通过其实践操作，可以总结出如下几个方面的优势，第一是，快速加热且具有高温，并具有很强的消解功能，使样品溶解时间有效缩短。同时，微波的加热是直接实施到样品，能使高温高压在罐内快速形成，要对样品进行消解只需要十分钟左右即可完成，比干灰化法和湿法消解都效率很多。第二是，所需耗费的酸较少，空白值低。通常情况下，微波消解所需要的酸溶剂只需10ml就能完成一个样品，不仅降低试剂的使用率，还能降低由于试剂所形成的干扰，并有效减小空白值。第三是，样品挥发得到有效控制，湿法消解加热是通过电热板，其缺点是挥发性极易损失，而微波消解是在密封的罐内进行，在消解过程中不会出现样品的挥发，并能使结果准确性有效提高。

4 结束语

总而言之，土壤中重金属检测样品前处理技术是一个十分重要的环节，其能对分析结果的准确性产生很大影响。要达到统一重金属样品前处理技术还需要大量分析人员们进一步探索和研究，将几种方法的优势进行综合，并有效避免其存在的弊端，以提出一种高效、简单且不会对样品产生污染的处理方法。

参考文献 ：

[1]杨桂兰，商照聪，李良君等.便携式X射线荧光光谱法在土壤重金属快速检测中的应用[J].应用化工，2016，45（08）：1586-1591.

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关键词：高光谱 土壤 氮素 BP神经网络

中图分类号：S127 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（b）-0135-02

林地土壤肥力检测是林业发展中必不可少的环节，而氮则是土壤肥力的重要指标。氮元素的丰缺直接影响着林业发展，因此需要及时检测土壤养分并快速获取土壤信息从而及时作出反应。目前我国土壤的氮素信息检测大多采用传统的化学测定法，该法有着方法繁琐、测量速度较慢、有污染等诸多不利之处。 高光谱图像是光谱分辨率

1 实验准备

样本采集自北京林业大学苗圃，去除地表的浮土后，利用取土器按照五点取样法取5个点的样品，作为一份样品。取土深度在20 cm以下，充分混合后，挑除较大的石块、残根叶等杂志，不断进行四分法直至土壤质量约为100 g，作为一份土样。所有土样经室外风干、研磨、过50目筛进行过筛最后均分成两份，分别进行高光谱检测和化学法测量。所有实验样本共50份，随机抽取其中35份作为训集，其余15份作为检验集。笔者使用SOC710-VP高光谱成像仪，仪器相关数据：光谱带：0.4～1.0 μm，共有128个波段，每行包含像素：520或者1392。

利用化学法测定，采用北京睿信龙电子技术研究所研发的土壤养分测试仪。所得结果如表1所示。

2 光谱法测定

利用高光谱软件自带程序进行校正为对校正后的图像的数据进行采集，并只保留土壤部分，以实验皿中心作为圆心，取半径为20的圆形区域作为实验采集数据区域，计算其平均值作为该波段下土壤氮素含量。最后得到的高光谱谱段是从370 ～1 042 nm共128个波段。由光谱曲线观察可以得到，光谱在370～470 nm这个波段的信噪比较低，因此我们最后只选用470 ～1 042 nm波段进行研究，得到图1光谱图像。

3 预处理

由于利用高光谱成像仪采集到的光谱信息受到样品背景信息、噪音信息、光谱散射以及种种人为因素的影响，采集到的原始光谱的准确性受到干扰，从而影响到建立预测模型准确性，因此在使用光谱数据前需要对其进行相关处理。对选择的预处理方法：S-G平滑滤波、小波去噪、多元散射分析、微分变换等进行筛选组合，使用偏最小二乘法（PLS）进行建模，对不同预处理方法处理后的数据进行建模进行比较分析，利用决定系数R2（determination coefficients）和均方根误差RMSEC（root mean squared error）作为模型评价指标，R2能够反映模型的稳定性，R2越趋向于1，说明模型的越趋于稳定，预测能力越稳定。均方根误差RMSEC可以反映模型的预测能力，RMSE越小模型估算能力越强，将测得的决定系数和均方根误差列入表2。

4 BP神经网络建模方法

在进行建模之前，由于高光谱谱段较多，经过筛选有108个波段，维数较高，而BP神经网络没有降维步骤，所以先进行主成分分析（Principle Component Analysis，PCA）进行降维。经过主成分分析法计算后，前5个主成分累计贡献率分别为：69.295 8%，79.951 7%，84.621 6%，87.868 3%，90.660 0%，图像表示为图2，前5个主成分累计起来达到90%包含了光谱大部分的特征信息，因此以这5个主成分作为输入变量进行建模。利用35个样本作为实验样本，15个样本作为预测样本对BP神经网络的预测能力进行检测，最终得到预测值和化学法得到的实际值比较如图2所示。

经计算BP神经网络的决定系数R2为0.920 4，均方根误差RMSEC为0.835 3。该方法稳定性高于之前预处理方法时利用偏最小二乘法建立的模型（R2=0.891 7），而均方根误差较低，为0.835 3，比利用偏最小二乘法建立的模型的均方根误差（RMSE C=0.961 4）稍小，可以应用于氮含量的初步预测。

5 结语

高光谱技术在农林业领域的应用为国内外农林业的发展提供一种新的思路和方法，快速获取林业土壤相关信息以对林业发展进行观测、维护对于当代林业发展有极为重要意义。该文研究了基于BP神经网络的高光谱技术在林业土壤信息检测方面的预处理和建模方法。在该研究中，BP神经网络模型的决定系数为0.920 4，均方根误差为0.835 3，比利用PLS建立的模型评价指标更优，说明该模型有较好的稳定性和预测能力。

参考文献

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    1材料和方法

    1.1试验区概况

    试验分为室内和田间试验二部分,均在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴试验基地(东经116°15′,北纬39°39′)进行,属于暖温带半湿润大陆季风气候,多年平均温度11.6℃,多年平均降水量556mm。土柱试验土壤取自田间试验保护区内的10~60cm深度土样,自然风干后,磨细、过2mm筛,充分混合均匀以备用。据国际制土壤质地分类标准,试验田块0~100cm剖面土壤质地为砂质壤土,平均土壤密度为1.47g/cm3[6]。

    1.2ECH2O-TE传感器工作原理

    选用Decagon Devices公司的ECH2O-TE传感器和EM50土壤多参数自动监测系统(Decagon DevicesInc.,Pullman,Washington,USA)实时监测土壤的含水率νs、温度Ts和电导率ECb。传感器长、宽、厚分别为10、3.2、0.7cm,探针长度为5.2cm[7]。土壤多参数自动监测系统通过测量土壤介电常数,利用含水率与介电常数的关系输出土壤含水率;通过镶嵌在传感器里的热敏电阻测量土壤温度;三探针ECH2O-TE传感器的2个探针上排放的4条金属丝(电极)组成电路,利用电流-电压4端法测定土壤电导率,这种方法的测试系统包括2个电流端和2个电压端,作为测量激励信号的恒定电流经过2个电流端流入大地,通过检测2个电压端的电势差,根据欧姆定律和电阻定律就可换算出介电材料(土壤)的电导率[8]。

    1.3室内试验

    室内试验于2009年8月15日—10月20日进行,自制内径40cm、高40cm的PVC土柱,在土柱侧面20cm高度处沿周长等间距预留4个直径3cm的孔,分别用于安装3支ECH2O-TE传感器和1个土壤溶液提取器。根据土壤密度分层(每5cm一层)装填至土柱30cm高度,装填完毕后,稳定24h,使土壤水分均匀分布。土壤初始含水率控制在0.07cm3/cm3左右。试验选用NH4NO3分析纯为溶质,共进行了7个溶液质量浓度(0、0.2、0.5、1、2、5、10g/L)的土柱试验。通过预试验可知土壤电导率和含水率稳定时间大概在灌水后90min,此后二者慢慢呈递减趋势。为使土柱内土壤水分达到饱和状态,按7.54L(60mm)灌水量瞬时注入土柱,试验计时开始,约90min后,用真空泵抽取土壤抽提液(≥30mL),用便携式电导率计(Sension5,Hach)测量溶液的电导率(ECw)。抽取溶液停止后,迅速将探头上部的土壤除去,在探头埋置处取土样,一部分用烘干法测量土壤含水率,另一部分土样用浓度1mol/L的KCl溶液浸提,然后用流动分析仪(Auto Analyzer-Ⅲ,Bran+Luebbe,Germany)测量土壤硝态氮质量分数。试验中数据采集器的取样间隔设为5min,试验过程中准确记录抽取溶液的起始和结束时间及取土时间。

    1.4田间试验

    田间试验于2009年4月26日—8月24日和2010年5月3日—8月28日春玉米生育期内进行。试验设置3个小区,每小区的尺寸为32m×3m,每小区种植6行春玉米,行距50cm,株距40cm,小区间预留50cm宽的观测通道。灌水方式采用滴灌,灌水器流量为1.65L/h(0.1MPa),间距为40cm(Super Typhoon,Netafim,Israel)。每小区沿春玉米行向安装3条间距100cm的毛管(滴灌带),每条毛管控制2行春玉米(图1)。每小区沿中间毛管按均匀分布的原则水平安装5支ECH2O-TE传感器(总计15支),埋设深度35cm,数据采集间隔设置为30min。当监测的土壤体积含水率达到田间持水率60%~70%时进行灌溉,3个小区的灌水量分别采用灌溉需水量(生育阶段作物需水量(ET)扣除有效降雨量(P0))的50%(I1)、75%(I2)和100%(I3)。生育期内2009年共灌水4次(5月20日、6月14日、6月29日和7月14日),最大总灌水量为85mm,施氮量为180kg/hm2(25%作为基肥施入,其余75%随灌水施入);2010年共灌水4次(6月22日、7月1日、7月23日和8月8日),最大总灌水量为100mm,施氮量为162kg/hm2(全部随灌水施入)。肥料选用尿素,利用水动比例式施肥泵(Mis Rite Model 2504,Tefen)采用“1/4W—1/2N—1/4W”的模式(前1/4时间灌清水,中间1/2时间施肥,后1/4时间灌清水冲洗管网)注入[9]。每个试验小区首部均单独安装水表和阀门,用以监控灌水量。在播种前、灌溉、施肥后2d和收获后(2009年4月27日、5月23日、6月16日、7月16日、7月20日、8月28日;2010年5月3日、6月24日、7月25日和8月30日)在距传感器约1m、在20~40cm深度土层取土,一部分土样用以测量土壤含水率(烘干法),另一部用来测试硝态氮质量分数,土样处理、浸提及测试方法与室内试验相同。

    1.5统计分析

    利用PASW Statistics 18.0软件对试验数据进行分析,对同一土柱不同传感器测量的数据进行方差分析,检验传感器之间是否存在显着差异(P=0.05),用多元回归寻求土壤硝态氮质量分数与电导率、含水率和温度之间的定量关系,并对回归方程进行F检验和对回归系数进行t检验(P=0.05)。

    2结果与分析

    2.1室内试验

    土壤电导率随硝酸铵溶液质量浓度和硝酸铵溶液电导率线性增加,斜率和截距分别为4.58、4.81和-1.51、0.93,判定系数分别为0.99和0.96,这与文献[4]室内试验的结论相同。说明在假定其他条件不变的情况下(例如温度和含水率),通过正确的校正,土壤电导率能较好的反映土壤溶液质量浓度的变化,但是在实际应用时,土壤电导率受土壤水分、温度、质地和盐分等因素的影响。不同硝酸铵溶液质量浓度下的土壤电导率随土壤含水率的变化情况绘于图2。硝酸铵溶液质量浓度较低时,土壤电导率随含水率呈明显的非线性变化特征,先随含水率的增大而增大,但当含水率超过0.3cm3/cm3左右时,电导率随含水率的继续增加而减小。当硝酸铵溶液中的硝态氮质量浓度低于土壤溶液的初始硝态氮质量浓度时,随灌水的进行,含水率不断增加的同时,会对土壤中的硝态氮产生淋洗作用,致使土壤电导率有所降低,这是产生上述现象的主要原因。按照Rhoades线性经验模型(式1)对土壤电导率与土壤含水率和提取液电导率的关系进行拟合[2,10],结果列于表1,表1中S为剩余标准差。由表1可知,不同传感器的回归方程的偏回归系数相差不大,说明在此土壤结构条件下传感器不需要特殊校正;不同传感器的回归方程的判定系数均大于0.99,且所有传感器数据联合的回归方程的判定系数也大于0.99,说明式(1)能较好地反映试验条件下土壤电导率和土壤溶液电导率的关系,且统计分析结果表明回归方程达到了极显着水平(P≤0.01,下同)。土壤硝态氮质量分数与提取液电导率具有很强的线性关系(0.997),以式(1)为基础,对土壤硝态氮质量分数与土壤含水率和电导率的关系也进行拟合,得出:由式(2)可知,当含水率一定时,土壤硝态氮质量分数随土壤电导率的增加而线性增加;对式(2)变量的统计检验结果指出,土壤电导率对硝态氮质量分数的影响达到极显着水平,说明土壤电导率是表征土壤硝态氮质量分数的一个重要指标。

    2.2田间试验结果

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关键词 土壤墒情；监测；现状；效果；吉林梨树

中图分类号 S152.7 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）15-0250-01

当前，随着气候和环境的变化，干旱已成为摆在农业生产面前的首要难题[1-5]，而作为以雨养农业为主的吉林省梨树县，如何在此条件下做好全县的农业生产任务，更是重中之重。而有效地做好土壤墒情工作，发展旱作节水农业技术，提高旱地土壤水分利用率，从而探讨梨树县旱作地区土、肥、水资源的优化配置的主要技术参数及优化模式，以更好地指导旱作区水分利用动态管理模式科学施肥技术与科学施肥技术研究。因此，做好土壤墒情的监测工作尤为重要。

1 梨树县土壤墒情监测工作现状

1.1 加强组织管理工作

为搞好此项监测工作，梨树县农业技术推广总站专门成立了领导小组和技术指导小组，领导小组组长由站长担任，主要负责组织、协调、督促和检查工作。技术指导小组由副站长担任组长，设3名以上成员主要负责监测点定位及取土、测试与数据采集分析工作。

1.2 完善基础设施设备

经过多年的建设，现在全县范围内已建成6个自动气象监测点，可通过网络远程控制，随时取所需要的数据，包括水分、温度等多项指标。为有效运用和实施管理，专门配备了土壤水分速测仪和笔记本电脑。同时每位监测人员均具有相关的专业知识和实践工作经验，工作认真负责，熟悉农业生产和计算机应用等相关知识，并建有基础档案，保证农田墒情监测的连续性和稳定性。

1.3 农田监测点的布设

根据气候、地形地貌、土壤类型划分为3个农田土壤墒情监测类型区，即西北部风沙盐碱区、中部平原区和南部半山区，并在不同类型区选择主导农作物和种植模式一致的连片、有代表性的地块设立农田土壤墒情监测点，每个监测点面积不小于2 000 m2，共设5个监测点，即林海镇1个、万发镇1个、梨树镇高家村1个（玉米宽窄行栽培及对照）、梨树镇泉眼沟科技示范园区1个、金山乡1个。每个监测点都落实到当地科技示范户的地块上，以便管理，监测点应用GPS仪定位，设立保护标志，并保持长期稳定，同时代表以当地粮食作物为主导，兼顾大田经济作物、旱地和水浇地，及种植制度、种植结构、技术措施基本一致的地块。

1.4 探索新的工作模式

前几年每逢取土日都是科技人员下乡取土，存在着局限性，人力物力耗费大，取土时间长。近年来，各乡镇农业推广体系逐渐完善，乡镇站的基础设施得到改观，从2010年起，以各乡镇为单位进行监测，取土日县站集中通知各监测点，按操作规程测量后将数据上报汇总，这样既节省了人力、物力和财力，又调动了技术指导员的积极性，加大了土壤墒情与旱情工作的宣传力度。

2 墒情与旱情监测效果

根据测定基础数据，及时土壤墒情与旱情信息，并提出农事建议。从初春开始根据天气等情况进行土壤墒情与旱情监测，根据梨树县实际情况各监测点累计监测9次，全县逾200点次，整理监测结果见表1。从监测数据看，总体墒情较好，根据作物需水规律和土壤墒情监测指标体系、5月，西北部林海镇风沙土含水量小，相对湿度不足50%，山区孟家岭属于轻旱外，其余地方墒情适宜，有利于春播及保苗，6—7月总体墒情适宜，8月全县普遍轻旱，9月墒情适宜。2012年向中国农业节水墒情网上传简报9期，在《梨树农技简报》上及梨树总站农网上农田墒情与旱情通报9次。每次测定后都及时总结分析，以照片、简报、以及登载总站农网等各种形式通过媒体或网络向政府、农民土壤墒情与旱情信息，并提出相应的农技措施，加强监测成果的应用。每期简报都要上传到土壤墒情监测数据管理系统。

通过适时监测，墒情信息，2013年春季抢墒播种，出苗率提高了3%，作物生长期根据墒情及时提出抗旱排涝，有利于作物生长，仅此项为梨树县粮食增产5%左右，通过项目乡镇辐射带动周边农民科学种田的积极性，改变他们靠天吃饭、等靠的思想，打井、坐水种、旱时浇、涝时排均列入耕作工作日程上。建议加强交流，更好地利用监测数据为农业生产服务。

3 参考文献

[1] 范佳林，梁秀清.土壤墒情自动化监测及应用[J].现代农业科技，2010（7）：323，327

[2] 范长玉.吉林省土壤墒情监测现状浅析[J].农业与技术，2011，31（3）：5-6.

[3] 苏雅萍，孙宝凯，李莉，等.辽宁义县土壤墒情监测工作现状及发展对策[J].科技与生活，2011（12）：221.

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关键词 碱解蒸馏法；土壤水解性氮；凯式定氮仪

中图分类号 S132 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）12-0237-02

土壤水解性氮的测定通常采用碱解扩散法，通常做法是在扩散皿中，用1.8 mol/L氢氧化钠（水稻土和经常淹水的土壤用1.2 mol/L氢氧化钠）水解土壤，然后将其放置在40 ℃恒温箱中（24±0.5） h后取出滴定[1]。但该法有如下缺点：扩散时间长，操作繁琐，玻璃板和扩散皿之间有时密封不严使氨气逸出，且内外室之间容易污染。而碱解蒸馏法则能避免这些问题，且可提高速度和检测数据的精准度[2]。现将凯式定氮仪碱解蒸馏法介绍如下，以为土壤水解性氮测定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验原理

将土壤样品放在消化管中，用氢氧化钠和锌-硫酸亚铁还原剂进行水解，使易水解氮和硝态氮在碱性条件下还原成氨逸出，蒸馏出的氨被吸收在2%硼酸溶液中，后用标准酸进行滴定[3]。

1.2 试剂与仪器

（1）化学试剂。4 mol/L的氢氧化钠溶液；1∶5的锌-硫酸亚铁还原剂；0.01 mol/L盐酸标准溶液；定氮混合指示剂；2%硼酸溶液；甲基红-溴甲酚绿混合指示剂。

（2）仪器。福斯特卡托公司的2200型凯式定氮仪；250 mL消化管；250 mL三角瓶。

1.3 分析步骤

（1）称取过60号筛的风干土样1 g（精确到0.001 g）置于消化管中，加入1 g锌-硫酸亚铁还原剂，加入4 mol/L氢氧化钠10 mL。同时做空白试验。

（2）接通电源，打开冷凝水，将没有样品的消化管放入蒸馏器上，关上安全门，把空的三角瓶放到接收台上，空蒸管道4 min，2次。

（3）将装有样品的消化管放入蒸馏器，再将装有10 mL硼酸的250 mL三角瓶放到蒸馏器的接收座上，开始蒸馏，蒸馏时间4 min。

（4）蒸馏完成后取下接收瓶，用0.01 mol/L盐酸标准溶液滴定，溶液由蓝色至微红色。

2 结果与分析

2.1 不同氢氧化钠的浓度对测定结果的影响

使用空蒸馏管蒸馏4 min后，测定管中水量，10次测量水量分别为11.5、13.5、13.0、12.0、13.2、11.5、12.4、11.8、10.8、12.5 mL，平均为12.22 mL。

取国家的标准土样GBW07142a和GBW07458 2个样品，在消化管中加入4 mol/L氢氧化钠10 mL后，一种是加入25 mL水，使氢氧化钠浓度为0.85 mol/L，一种是不加入水，氢氧化钠浓度为1.8 mol/L，后分别用碱解蒸馏法进行测定，测定结果见表1。可以看出，氢氧化钠的浓度对测定结果的影响很大，氢氧化钠的浓度过低时，水解不完全，检测结果低；氢氧化钠的浓度过高时，某些难水解的蛋白质发生部分水解，检测结果偏高[2]。碱解蒸馏法测定时，氢氧化钠浓度为4 mol/L[3]，不加水的情况下，消化管中氢氧化钠的浓度为1.8 mol/L，符合碱解扩散法中氢氧化钠浓度，并且检验结果在标物标准值范围内。

2.2 蒸馏时间对测定结果的影响

选择不同蒸馏时间（3、4、5 min）对取国家的标准土样GBW07142a和GBW07458 2个样品进行测定，结果见表2。可以看出，当蒸馏时间为4、5 min时，检验结果在标物标准值范围内，蒸馏时间为3 min时结果偏低，说明，蒸馏时间为4 min水解就已经完全，所以，在以后的试验过程中蒸馏时间可选择4 min。

2.3 2种测定方法对比试验

用林业行业标准LY/T1229-1999碱解扩散法和碱解蒸馏法对随机抽取的20个土壤样品进行试验（n=5），结果见表3。可以看出，2种方法测定土壤水解性氮，结果完全在分析误差范围内，所有相对差值均低于5%，没有显著性的差异。

3 结论与讨论

试验结果表明，用碱解蒸馏法测定土壤水解性氮，达到了林业行业标准LY/T1229-1999碱解扩散法的效果，使水解时间由24 h降低到了4 min，真正达到了节时高效的目的，且操作简便，准确度高，适合于批量检测水解性氮的过程中选用[4-11]。

4 参考文献

[1] LY/T 1229―1999森林土壤水解性氮的测定[M].北京：中国标准出版社，1999.

[2] 孙又宁，保万魁，余梅玲.自动定氮仪碱解蒸馏法测定土壤中碱解氮含量[J].中国土壤与肥料，2007（5）：64-66.

[3] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上海科学技术出版社，1978：73-76.

[4] 杨雪，陶晓秋，黄玫.碱解蒸馏法测定植烟土壤中水解性氮含量的研究[J].安徽农业科学，2013（17）：7517-7519.

[5] 童娟，谢春梅.碱解扩散法测定土壤水解性氮影响因素分析[J].宁夏农林科技，2011（9）：61，71.

[6] 尹献远，徐霄，余丽丽.全自动凯氏定氮仪测定土壤碱解氮的探讨[J].浙江农业科学，2012（8）：1185-1187.

[7] 刘坤.凯式定氮仪测定肉与肉制品的挥发性盐基氮含量[J].轻工科技，2012（6）：11，18.

[8] 冯敬晶.2200型半自动凯式定氮仪测定饲料中粗蛋白的方法与注意事项[J].养殖技术顾问，2009（10）：128.

[9] 何孟杭.全自动凯式定氮仪测定酱油中全氮含量不确定度的评定[J].质量技术监督研究，2010（3）：23-27.

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关键词：土壤电导，监测系统，传感器网络

 

土壤物理学的研究结果表明土壤电导本身包含了反映土壤品质与物理性质的丰富信息，因此土壤电导的实时测量具有非常重要的现实意义。目前，国内土壤电导的测量还仅局限于单点测量，国外澳作公司利用总线技术设计出了分布土壤电导监测系统，它代表了目前世界的先进水平。。但是这个系统要用电缆联结成为一个小网络，田间布线太多，而且费用高昂。为此，本文设计了一种适合于大范围多点测量且造价低廉的土壤电导监测系统。。

该土壤电导监测系统主要由双环形土壤电导探头、双极性脉冲电压源、集成运放器、程控放大器、A/D转换器和单片机等电路组成。

1 传感器探头的设计

自行设计一对弧形的电极，弧形电极紧贴在一个圆柱形的绝缘材料上，埋入待测土壤中，此时测量的土壤电导为以电极为中心向外辐射的一个圆形区域的电导，可以更有代表性地反映其所在深度的电导。这种传感器探头的优点是造价低廉，适合土壤电导的大范围测量。

2 激励信号的选择

为避免电极极化，激励信号拟采用双极性脉冲间歇电压信号，如图1所示。

由于在激励信号的前半个周期和后半个周期，激励电流同值反向，被测系统中那种介质极化现象就得以削弱。再者通过系统软件的控制，经放大器放大输出的电压信号Vo在被采样时已经稳定。由于A/D采样点位于电压波形稳定后的平坦部位，在这一段时间内系统相当于受到一个恒定直流电压信号的激励，被测电压信号不再需要复杂的处理，相敏调解、滤波等环节就可以省略，这样既简化了系统的结构，又提高了数据采集速度。

3 单片机的选择

选用ATMEL公司的AT-mega16单片机，作为传感器节点的主控芯片，主要原因如下：

（1）其内部已经嵌入了8通道10位高精度ADC转换器，不必再买A/D转换芯片，节省了开销。

（2）AVR系列单片机都支持ISP（In-System Programming），只要一根ISP下载线就可以方便地在线修改程序，开发设备简单方便。

（3）片内设有上电复位和内部RC振荡电路，无需扩展任何元件就可以自成最小系统，只要接通电源就可以工作。

（4）Mega 16 单片机有内置的TWI（Two-Wire Interface）总线，方便扩展存储芯片，节省了设计存储程序的时间。

4 土壤电导转换电路的选择

土壤电导的测量电路主要有电阻分压法、集成运放输入法。

电阻分压法只用一个合适的固定电阻R与土壤电阻Rx串联就可以了，是最简单的测量电路。

当Rx>>R时，

（1）

式中Gx为被测土壤电导，可以看出，当Rx>>R时，输出电压与电导成线性关系。但是当Rx>>R时，电阻R上分得的电压就会非常的小，用单片机进行A/D转换并采集时就会有一定的误差；如果选取的R阻值与Rx接近，则输出的电压与电导之间不呈线性关系。

集成运放输入法是典型的反相输入比例放大电路。

根据反相比例放大电路原理：

（2）

式中Gx为被测土壤电导，从公式2.4可以看出，输出电压与电导成线性关系。

上述所期望的表达式是将集成运放按理想模型得到的，如果考虑实际运放，相对误差会达到10-6 数量级，因此只要稍微注意筛选器件，由运放造成的误差可以不予考虑。

比较上面两种测试电路，方法一虽然简单，成本低，但在选择R上要进行误差分析。方法二在测试过程中只需考虑传感器本身的误差，而不必考虑采集信号的电路所带来的误差，因此本系统采用集成运放输入法电路作为采集信号电路。

5 程控放大器电路的设计

土壤含水量从风干土含水量到饱和含水量，土壤电导的变化范围很大，这使得单片机采集到的信号要么很弱、要么达到饱和，造成很大的误差或者过载。为此本系统采用程控放大器AD526来保证测量精度。。AD526是一种单端可编程增益放大器，可提供二进制数1、2、4、8、16的精密增益数字控制。为了使测量范围更宽、测量结果更准确，本系统采用两片AD526级联的方式作为增益放大器，级联后的放大倍数为1、4、16、64、256，依次增大4倍。

AT-mega16的采集电压范围为0~5V，当被测电压太小或者太大都会导致误差增大，所以设置最佳测量电压范围大约为1~4V，对应的ADC值为200~820。增益设置程序的规则如下：每次把采集到的ADC值和最佳范围的端值进行比较，当在200~820之间时，就把该次ADC值作为实际测量值；大于820时，并且增益值不为1就缩小4倍，重新采集，直到采集的ADC值在最佳范围内；如果大于820且增益值为1，就把该次ADC值作为实际测量值；小于200时，并且增益值不等于256就增大4倍，重新采集，直到采集的ADC值在最佳范围内；如果小于200且增益值为256，就把该次ADC值作为实际测量值。

6土壤电导监测系统的工作原理

双环形电导探头上含有一对金属电极薄片，该电极对通过绝缘线分别与激励源电路的输出端和反向放大电路的输入端相连。当单片机发出启动双极性脉冲间歇电压源的控制信号后，被测土壤受到激励，被测信号通过转换电路，把电导信号转换成电压信号，传递到可编程增益放大器的输入端，经程控放大后被单片机自带的A/D转换电路采集，存入单片机。激励源的正、反、0V切换、程控放大器的增益设置等均由单片机完成。测得的信号通过串口通讯电路送至上位机进行数据处理。

7 结语

自行设计的土壤电导监测系统制作容易、造价低廉，特别适合于大范围土壤电导的测量。如果土壤电导监测系统再加上无线收发模块，就可以组成无线传感器网络，实现对大范围土壤电导的监测。

参考文献

[1] 文宇庄.电导线性化标定的传感器信号的采集. 西南师范大学学报（自然科学版）[J]，2000，25(2)：195-197

[2] 王德胜，倪焕明. 微小信号反馈式程控放大电路. 地壳形变与地震[J]，2001，21(2)：83-86

[3] 纪宗南.仪表放大器及其应用（五）――SPGA仪表放大器的应用. 国外电子元器件[J]，1998，(8)：22-25

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[关键词]土壤电阻率；接地电阻；四极法

中图分类号： TM54 文献标识码： A 文章编号：

接地电阻，就是电流由接地装置流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻，它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及两接地体之间大地的电阻或接地体到无限远处的大地电阻。接地电阻大小直接体现了电气装置与“地”接触的良好程度，是衡量接地系统泄放雷电流能力的重要参数。

对于接地装置而言，要求其接地电阻越小越好，因为接地电阻越小，散流越快，跨步电压、接触电压也越小。而影响接地电阻的主要因素有土壤电阻率，接地体的尺寸、形状及埋入深度，接地线与接地体的连接等。其中土壤电阻率对接地电阻的大小起着决定性作用。土壤电阻率是接地工程计算中一个常用的参数，直接影响接地装置接地电阻的大小，以及地网地面的电位分布。因此，研究影响土壤电阻率的主要因素，有效地改善土壤电阻率，以及正确地测量土壤电阻率，对接地装置的正确设计具有重要的意义。

1 影响土壤电阻率的主要因素

土壤电阻率不是一个恒定的值，影响因素有很多，主要受以下几个方面的影响：

（1）土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量的影响

土壤电阻率ρ的大小主要取决于土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量。土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ就越小；反之就越大。土壤越湿，含水量越多，导电性能就越好，ρ就越小；反之就越大。

（2）土质的影响

不同土质的土壤电阻率不同，甚至相差几千到几万倍。表1 为几种不同土质在不同含水量时的ρ值。

表1 不同土质的土壤电阻率ρ

（3）温度的影响

温度对土壤电阻率的影响也较大。一般来说，土壤电阻率随温度的升高而下降。

（4）土壤致密性的影响

土壤的致密与否对土壤电阻率也有一定的影响。试验表明，当粘土的含水量为10%，温度不变，单位压力由1961Pa增大10倍到19610Pa时，ρ可下降到原来的65%。因此，为了减少接地电极的流散电阻，必须将接地体四周的回填土夯实，使接地极与土壤紧密接触，从而达到减小土壤电阻率的效果。

（5）土壤致密性的影响

季节因素的影响季节的变化也将引起土壤电阻率的变化。季节不同，土壤的含水量和温度也就不同，影响土壤电阻率最明显的因素就是降雨和冰冻.在雨季，由于雨水的渗入，地表层土壤的ρ降低，低于深层土壤；在冬季，由于土壤的冰冻作用，地表层土壤的ρ升高，高于深层土壤。这样，使土壤由原来的均匀结构变成了分层的不均匀结构，引起ρ的变化。多年冻土的ρ极高，可达没有冻土时的几十倍。

2 减小土壤电阻率的主要措施

由于土壤电阻率的大小直接关系到接地装置接地电阻的大小，而出于安全要求，接地电阻必然是越小越好，因而要求土壤电阻率也要越小越好。当接地点的土壤（如岩石、碎石沙和长期冰冻的土壤）电阻率较高时，为了满足接地电阻的要求，须采取措施来降低土壤的电阻率，这些措施包括：

（1）换土 用电阻率较低的黑土、粘土和砂质粘土等替换电阻率较高的土壤。一般换掉接地体上部约三分之一长度、周围0.5米以内的土壤。

（2）深埋 如果接地点的深层土壤电阻率较低，可适当增加接地体的埋入深度。深埋还可以不考虑土壤冻结和干枯所增加电阻率的影响。

（3）外引接地 通过金属引线将接地体埋设在附近土壤电阻率较低的地点。

（4）化学处理 在接地点的土壤中混入炉渣、木炭粉、食盐等化学物质，以及采用专用的化学降阻剂，可以有效地降低土壤电阻率。

（5）保土 采取措施保持接地点土壤长期湿润。

3 测量土壤电阻率的主要方法

3.1 测量方法

土壤电阻率的影响因子有：土壤类型、含水量、含盐量、温度、土壤的紧密程度等化学和物理性质，同时土壤电阻率随时深度变化较横向变化要大很多。因此，对测量数据的分析应进行相关的校正。

土壤电阻率的测量方法很多，如地质判定法、双回路互感法、三极法以及四极电测深法等。其中四极电测深法通过实践检验，其准确性完全能满足工程计算要求，这种测量方法所需仪表设备少，操作简单。

3.2 四极电测深法的原理

四极法是通过接地电极将直流电供入地下，建立稳定的人工电场，在地表观测某点在垂直方向的电阻率变化。如图1所示:

图1 四极法测试原理图

测量的时候先在地面插入四个电极A、B、C、D，埋入深度一致，使用稳压电源E 向外侧电极A和B施加电流I，电流由电极A流入，由电极B返回电源。这时电流场将在电极上产生电势，可以用电位差计或者高电阻电压表测量电极C和电极D间的电位差。

用四极法测量土壤电阻率时，应注意电流极之间的距离不宜太大，一般不超过300m，否则引线间互感将对测量结果造成较大的影响。

3.3 测量方法

（1）打开仪表电源，先机械调零，使指针指在零点。

（2）把四根导线一端插在仪器端钮上，另一端连接好极棒。

（3）将四根极棒插入土壤中，布设在一条直线上，插入深度相同，插入间距相等为 a。

（4）按START键开始测量并查看结果。

3.4 测量结果计算

（Ω·m） （1）

式中：ρ — 土壤电阻率（Ω·m） ；

R — 测得电阻值（Ω） ；

a — 测试电极间距（m） ；

b— 测试电极入地深度（m） 。

一般测试电极入地深度b不超过 0.1a时，可假定b＝0，则计算公式可简化为：

（Ω·m） （2）

3.5测量结果修正

土壤电阻率应在干燥季节或天气晴朗多日后进行，因此土壤电阻率应是所测的土壤电阻率数据中最大的值，为此应按下列公式进行季节修正：

表2根据土壤性质决定的季节修正系数表

4 结论

本文介绍了土壤电阻率的影响因素、改良措施和主要测量方法。土壤电阻率的大小直接关系到接地装置接地电阻的大小，而接地电阻又直接关系到所连接生产设备的安全运行。及时测得土壤电阻率，有助于采取相应措施改良接地电阻，从而保证生产设备的安全运行。

参考文献

[1] 李志江等，防雷设计中土壤电阻率及其测量[J]，辽宁气象，2001