采用电阻法测量农作物干旱程度技术分析

时间：2024-09-03

张新龙

(赤峰市气象局，内蒙古赤峰 024000)

干旱是影响农作物生长的最主要因素之一。农作物干旱程度的测量目前主要有两种主要方法：一个是采用测量土壤的含水率，另一个是通过肉眼观察植被的凋萎程度。这两种方法由于受到农作物所在地段的土质结构和观测人的主观意识影响，测量结果会存在一定的误差。本研究利用植被含水导电的特性设计测量仪器，即植被茎秆的含水率越高、电阻越小，导电性越强，反之亦然。这种通过测量植被茎秆电阻的大小，进而得出农作物干旱程度的测量方法，其结果比较其他方法更加科学合理。

1 农作物干旱测量的方法分析

农作物干旱是指因缺水影响到了正常的生长发育而减产或歉收。据民政部门统计，干旱已经成为威胁世界农作物生长的最大灾害。传统的农作物干旱的测量方法按照测量目标主要分为两大类，即对土壤的测量和对农作物本身的测量，本研究属于对农作物本身的测量。

对土壤的测量主要是测量土壤的空间含水率或重量含水率，进而在通过设定的阈值，来判定生长在该地段的作物干旱程度。这期间，土壤的属性对测量的结果影响非常大。比如沙壤土和黏土的空间含水率和重点含水率就存在非常大的差异。沙瓤土的持水能力比黏土弱，与黏土相同空间的相同含水率，可供农作物迅速吸收的水分反倒比黏土高。重量含水率的误差就更为明显，即使同为沙壤土，土壤所含元素的比率对测量土壤重量含水率的影响都非常大，更何况土质类型的不同，差异就会更大，见表1。

表1 土壤相对湿度指数干旱等级划分

为了尽量消除土质结构对干旱测量的影响，人们引入了土壤常数的概念，即通过判定不同土质结构的干旱阈值，进而得出测量的干旱程度。但这种方法还是会因土壤里不同化学元素的不同造成很大的误差。比如测量土壤空间含水率的土壤电阻法测量，目前国内的自动土壤水分站的设计原理基本上都是这类。它是通过测量单位空间内，土壤所含水分的电阻大小来实现的。但如果该土壤金属含量偏高，仅靠一般的土壤常熟标定测量结果，还是存在非常大的误差。

对作物本身的观测也分为目测和计算农作物含水率两大类。目测是通过观测人员通过多年观测积累的经验来人为判定干旱等级。由于受到观测人员主观意识的影响，不同的观测人员会得出不同的结果，甚至同一观测人员在不同时期也会给出不同结果。计算农作物含水率的方法和测量土壤方法类似。一般都是将取样作物进行称重，然后烘干，再称重。最后计算含水率。这种观测方法的弊端：①操作比较麻烦，费时费力。②需要破坏采样作物。一年下来农作物的损失也不少。基于以上方法的弊端，开发一种省时省力，又不损失农作物的设备成为农作物干旱测量的迫切需要。

对于通过植物茎叶导电性来测量干旱程度的方法在学术界也有过许多探讨[1]，最有代表性的有FPGA[2]技术、CPLD[3]技术和DDS[4]技术。这些仪器虽然在技术上都较为成功，但存在一个普遍的问题就是体积庞大，有的甚至需要的电流非常大，需要接入交流电力。所以，这些技术大多只存在于实验室中，很难在实际的农业生产中普及。利用植被含水率导电性技术原理来设计一种体积轻小，使用方便的干旱测量设备势在必行。

2 电阻法对农作物干旱观测的可行性

作物需水量是指作物正常生长发育，在土壤肥力和水分适宜的条件下，获得较高产量的植物棵间蒸发、蒸腾以及构成作物体的水量之和，而且农作物在不同时期需水量也是不相同的，一般农作物在生长前期需水量较少，中期需水量加大，后期需水量减少。农作物的组成除了干物质外就是水分，而干物质是不具备导电性的。农作物的干物质不像土壤一样存在大量的金属等导电性强的微量元素，其导电程度可以忽略不计。只有水分这一种导体。所以某种农作物导电性的强弱就是该作物水分含量的多寡。况且，该测量方法是直接对作物本身的测量，更能直接体现农作物的干旱程度。只要观测人员按照观测方法操作，其误差可以控制在非常小的范围内。

3 电阻法测量仪器的设计

电阻法测量一种农作物干旱指数测量计，包括安装座，所述安装座底部固定连接有连接座，所述连接座底部固定连接有把手，所述把手内腔开设有安装腔，所述安装腔内腔设置有电池组，所述安装座表面设置有显示屏，所述显示屏左右侧均设置有喇叭，所述喇叭位于所述安装座表面，所述安装座内腔滑动连接有对称设置的探针，两个探针外壁均套接有弹簧，且两个探针底部均固定连接有固定底座，两个固定底座底部均转动连接有滑块连接座，两个滑块连接座表面均固定连接有滑块。优选的，所述安装座内腔开设有对称分布的滑动仓，两个探针和两个滑块连接座分别滑动在两个滑动仓的内腔。优选的，所述安装座背面开设有对称分布的滑槽，两个滑块分别滑动在两个滑槽的内腔。优选的，所述连接座正面和背面分别设置有测量按钮和电源开关，所述把手表面设置有悬挂把手，且所述把手底部卡接有密封盖。

优选的，两个喇叭表面均设置有通过铰链连接的防尘盖，所述显示屏表面设置有保护盖。优选的，所述安装座顶部设置有通过铰链连接的开关盖，所述安装座顶部开设有配合槽，所述开关盖和所述配合槽相匹配，示意图显示如下。

图1 农作物干旱指数测量计

图中装置包括安装座(1)，其特征在于：所述安装座(1)底部固定连接有连接座(2)，所述连接座(2)底部固定连接有把手(3)，所述把手(3)内腔开设有安装腔，所述安装腔内腔设置有电池组(17)，所述安装座(1)表面设置有显示屏(9)，所述显示屏(9)左右侧均设置有喇叭(6)，所述喇叭(6)位于所述安装座(1)表面，所述安装座(1)内腔滑动连接有对称设置的探针(8)。

4 电阻法测量仪器原理和效果

电阻法测量仪器的测量原理，农作物生命活动的重要物质是水分，也是农作物生长过程中需求最大，影响作物丰产丰收的直接因素。作物内导电物质主要是作物内的汁液，汁液的浓度变化是直接影响电阻的变化，作物的汁液浓度越大，也就是作物水分越少，电阻率也就相应的增大，当汁液浓度越小时，作物体内水分越大，电阻率相应减小，从而利用仪器测量出作物的电阻，反应作物的干旱程度。

仪器有益效果是：将两个探针分别触碰农作物根茎的两侧，测量电阻值，当R<30Ω：显示屏显数并呈绿色，喇叭报“不旱”，当30Ω90Ω：显示屏不显示，喇叭报“测量错误”，该干旱指数测量计可有效测量出农作物的干旱程度，且便于操作，标准统一测量准确；向上推动滑块，使得滑块带动滑块连接座向上，滑块连接座带动固定底座，固定底座带动探针向上移动，且探针凸出安装座的表面，转动滑块，使其卡在滑槽中进行固定，该农作物干旱指数测量计，两个探针可以进行伸缩，可在不使用时进行收纳，可有效避免探针长期暴露在空气中，造成接触不良，影响测量结果。