时间和operation-induced明显不稳定土壤电导率测量

1介绍

特定作物管理实施提高盈利能力并降低现代农业的负面环境影响。近端土壤遥感的应用促进了作物生长条件的空间变化的理解。因此,土壤电导率(EC的地图明显_一个)揭示土壤异质性与各种物理特性影响土壤进行电荷的能力。土壤EC_一个已经与盐度(1- - - - - -4)、结构(5- - - - - -7),土壤含水量(8- - - - - -13)和阳离子交换量(14)。

最受欢迎的方法测量土壤EC_一个活跃的是基于电接触电阻率(GCR)和电磁感应(EMI)技术。都包含至少一个元素导致土壤和电流至少有一个元素感应电阻/土壤电导媒体(15)。对工艺、一组接触电极(通常是滚动光盘)介绍了电流和意义上的改变可能在一个固定的距离。这些电极配置使用数组配置如斯伦贝谢、温纳、取向等(16,17)。另外,电磁干扰提供了一个非侵入性的方法。交流电的发射线圈产生电磁场主要导致土壤基质内的涡流。反过来,涡流,产生二次接收线圈内的电磁场。电流之间的关系从初级和二级电磁场创建允许检测土壤的导电特性。

先前的研究已经报道了不同层次的土壤EC_一个观察使用相同的工具(18- - - - - -24)。尽管一些研究报道相对稳定的空间模式,这些研究活动的焦点并非是仪器的灵敏度时间和运行噪音。据罗宾逊et al。(25),环境和土壤条件的差异可能导致信号随时间变化(漂移)。例如,热量积聚在乐器,是直接暴露在阳光下,这减少了测量土壤EC_一个(18,23,25)。相比之下,寒冷的天气可能会大大降低测量土壤EC_一个由于电解液的减少流动性的土壤(26)。泰勒和Holladay (27)发现1 / m女士抵消由于时间漂移DUALEM-21S传感器由于环境噪声,疑似主要是由于环境温度的梯度。同样地,土壤EC_一个可能不同,每年由于表层土壤的时间动态层(28,29日)。因此,土壤EC之间的关系_一个和其他土壤性质仍不确定。

操作漂移是典型的土壤EC的效果_一个映射运动。土壤EC的漂移_一个测量可能会受到内部的影响,仪器的热漂移(19)。感应热的本质是由涡流所产生的电磁干扰设备。此外,电子商务_一个测量显示改变由于小型仪器离地面高度的变化(22,30.)、传输和接收元素之间的距离(17,31日),或者由于横滚和俯仰的测量仪器(32)。地上的植被可能会增加土壤EC_一个由于植物细胞中的水分含量(33),从一年生作物残留物和次要的影响(34)。一般来说,不同的操作因素控制信号传播,当它在土壤EC不同于正常位置_一个调查、电子商务_一个测量几乎软件一样简单的事情被改变,使用不同电极间距(35)。

因为服务提供者必须考虑多种因素导致时间和运行噪音映射农田时,本研究的目的是量化静止EC的偏差_一个随着时间的推移产生使用不同的测量仪器(两者,短期和长期),而且由于不同的人为操作实施的不确定性(身高、横滚和俯仰)。

2材料和方法

2.1仪器

三个不同的仪器被用来同时测量土壤EC_一个(女士/ m)在同一区域。其中包括GCR传感器真实四EC 1000(真实技术,Inc .,赛利娜,堪萨斯州,美国;VERIS-EC)所示图1和两个EMI仪器:DUALEM-21S(加拿大安大略省Dualem, Inc .,弥尔顿)和EM-38(加拿大安大略省Geonics有限,米西索加)所示图2。表1总结了这些仪器的主要参数。

VERIS-EC用于这项研究由四个滚动库尔特和提供输出与浅层土壤EC(0 30厘米)_一个。DUALEM-21S由一个2.41米长管,一个发射线圈和接收线圈四。两个四线圈形成一个水平共面(HCP)在1米(DUALEM数组_HCP-1)和2 m (DUALEM_HCP-2)的距离,而其他两个形成一个垂直的共面(PRP)在1.1米(DUALEM数组_{prp - 1.1}),2.1米(DUALEM_{prp - 2.1})的距离。传感深度对所有配置中可以找到表2。最后,EM-38只有一条共面线圈1米。单位可以在水平偶极子定位或垂直偶极子模式产生电子商务_一个测量与0.75和1.55米深土壤剖面,分别。这个单位是每次使用前校准根据制造商的建议。由于垂直偶极子和HCP一样,EM-38_HCP-1和DUALEM_HCP-1测量数据具有可比性(21),EM-38仪器测试只有在垂直偶极子配置。所有仪器经历了大约5分钟的热身时期在每个测试之前的事件。

虚拟仪器(国家仪器公司,奥斯汀,德克萨斯州,美国)应用了自动日志数据从三个传感器在个人数据率。看狗2700气象站(光谱技术,Inc .,极光,伊利诺斯州,美国)是用来记录环境条件可能影响仪器性能。5分钟间隔环境参数监控记录,包括:空气温度、湿度、风速和风向,降雨。同一车站被用来监测土壤温度和含水量30厘米以下表面使用一个安装SMEC 300(光谱技术,Inc .,极光,伊利诺斯州,美国)固定探头。

2.2实验过程

仪器放置在固定位置大约分开8米和6米距离数据记录,如图所示图3。设置距离是用来防止信号失真和干扰传感器读数。测试区域在麦吉尔大学麦克唐纳农场,魁北克,加拿大,是一个定期剪草坪边缘大约2米的玉米田。土壤类型在试验位置被确认为Chicot系列,砂壤土和温和的持水量,和中度到落后的排水系统(37土壤EC),相对较低_一个。

进行了一系列的五4.5 - h数据记录从8月到10月。每一次,设备被放置在相同的位置。轻轻GCR coulter磁盘被下推(约5 - 10厘米深),以确保良好的接触土壤。同时,EMI仪器放置在平地的横滚和俯仰工具尽可能接近0°(正常位置)。另一组5分钟数据记录进行了几天从9月到11月,人为引入运行噪音。评价因素包括:a) 10厘米高度离地面模拟仪表和土壤表面之间不一致的距离,b) + 10°、-10°音高模拟潜在提高仪器的一端,和c) + 10°、-10°卷模拟仪器从垂直方向的偏差(图4)在一个典型的映射运动。0厘米高度为0°或滚球场代表了典型的正常位置的EMI传感器放置在地上在映射操作。的表3总结了所有数据采集事件,让五个复制的时间和三个复制操作测试每一个乐器。

2.3数据分析

数据分析是基于比较1 s获得尽可能高的速度没有任何数据过滤。而时间测试量化潜在的数据漂移从单个映射的开始到结束练习,操作测试显示典型的不确定性的影响仪器对地面的位置。此外,测试复制显示环境条件的影响以及可能的传感器定位的不确定性和其他可行的测试复制之间的反复无常。

时间和操作测试,描述性统计,如每个测试的平均值和标准偏差(STD)复制,计算。均方根误差(RMSE)时间测试预计使用以下方程:

其中n是1 s测量平均的数量在任何特定的数据日志例如4.5 h;m是测试的许多不同的日志事件复制如5复制。

平等的方差(如列文的测试。38)进行了比较均方误差(MSE)值对应不同的仪器使用原始数据集。由于大量的数据记录,高自由度使相对类似的方差估计显著不同。因此,类似的主观分组RSME估计进行促进讨论。因此,RMSE值小于0.01 / m女士将暂时被认为是最稳定的测量,0.01 - -0.50 / m女士暂时相对稳定的测量,和0.5 mS / m以上暂时相对稳定测量。一个简单的线性回归应用于电子商务之间的关系_一个测量和环境条件,包括土壤和空气温度、土壤含水量、空气湿度和内部的温度DUALEM-21S乐器。的操作测试,学习使用α= 0.05是用来比较的三个操作测试复制的意思是九代表仪器的正常操作(即复制。零高度、横滚和俯仰)。

3结果和讨论

3.1时间测试

图5表示范围的空气和土壤温度,相对湿度,土壤含水量和记录仪器内部的温度DUALEM-21S在每个4.5 - h时间测试。这些测试通常覆盖所有合理的操作条件,当土壤EC_一个通常收集数据。气象站的气象数据捕获显示环境和土壤温度变化从23.3°C (-0.1°C)寒冷,且29.5到7.6°C,分别。后者测量略有不同在同一个测量日期;然而,他们变化很大从一个事件到另一个测试。DUALEM-21S的内部温度范围从整个考试日期6 - 40°C。假设环境温度效应是类似的仪器,这个温度数据然后被用作基础比较所有这三种工具。9-Oct土壤水分的增加是由于降雨前两天测试期间(6毫米的降水)。

图6说明了四种不同的测量数据日志中获得9-Oct测试。范围(最小和最大)未处理的土壤EC_一个提出了测量整个时间测试图7。表4总结了平均、性病和RMSE(方程1)值。最稳定的土壤EC_一个从GCR仪器测量。早些时候,塞拉诺et al。(33)观察到类似的CGR测量结果的一致性程度。两DUALEM PRP测量产生RMSE值小于5 - 10倍EM-38或DUALEM HCP测量。除了4.5 - h EC的漂移_一个测量,一天比一天有明显的变化。由于未知原因,EC的减少最为明显_一个测量是对18-Sep DUALEM HCP测量,但PRP。那天,最初的内部和周围的温度是相似的(10.4和11.6°C),而是一个稳定增长的环境温度相对较低的风速(约2 km / h)可能会导致快速太阳能变暖的乐器。这通常可以减少土壤EC_一个测量。然而,现在还不确定是什么导致了这种传感器的行为。

表5总结了相关系数之间的线性回归和记录测量环境条件。图8表明空气之间的关系、土壤和内部DUALEM仪器温度与几个EC_一个测量。很明显,异常,如18-Sep下降DUALEM HCP测量,观察到的影响关系。这种异常现象无法解释由环境条件和可能隶属于下落不明因素,如仪器定位和周围植被的条件。当无视,看来EM-38测量环境和内部温度呈负相关。根据奥尔雷德等。19),土壤含水量低,高温通常可以减少土壤EC_一个。Sudduth et al。(18)报道,漂移EC的10%以上_一个期间观察到的字段映射使用EM-38可能由于内部温度的变化,而不是环境温度变化。科文和Lesch (11)建议将电子商务_一个测量在特定温度测量在一个参考温度(例如,25°C)。自然,这就意味着温度补偿VERIS-EC和DUALEM-21S测量不受环境条件影响的程度non-compensated EM-38测量。然而,数据没有显示温度引起的变化在EM-38测量大于其他影响,如仪器重新定位。土壤温度和含水量的影响可量化的因为他们个人测试期间没有明显变化。

3.2操作测试

图9提供运行测试的结果(最大和最小值)对EMI传感器的高度(0和10厘米),卷(−10°,0°,+ 10°)和音高(−10°,0°,+ 10°)测试。每个5分钟数据代表一个特定的测试配置,重复登录随机顺序在三个不同的场合在至少两个不同的日子。自正常运行(零高度、螺距和卷)是每个操作测试的一部分,这个配置已经复制的9倍。表6显示了个人土壤EC_一个测试平均,性病和t检验p -值。在这种情况下,平均三个操作测试复制手段比较平均的九个正常操作手段。

看来,提高仪器没有造成更大的电子商务_一个测量的变化比复制之间的区别。在大多数情况下,HCP减少时,仪器测量空气中长大,但是这可能不适合一些传感器configuraions如果高EC_一个土壤覆盖导电底土。平均边际意义下降EC_一个提高了DUALEM仪器发现造成的_{prp - 2.1}这可能是由于相对较低的电子商务_一个复制的区别,而不是这种变化的大小。的音高和辊测试,看来10°偏离正常操作没有显著影响测量记录。例外是EM-38_HCP-1和DUALEM_{prp - 2.1}当仪器包含发射线圈的结束离地面。

从实用的角度来看,这项研究的结果表明,GCR EC的感应_一个敏感时间的影响可能小于EMI测量在很多情况下,可能有许多环境测试来说是有吸引力的。然而,EMI测量的非接触式性质提供了多样性的测量环境,在设计部署平台,如雪橇(32,39),这些工具应保持接近与零距地面。决心是非常重要的保持发射线圈靠近地面。小偏离这些条件不影响测量更大程度比时间测试复制。

4结论

一组固定一个GCR和两个EMI的测试仪器显示的时间和程度operation-induced EC的变化观察测量结果_一个。虽然GCR仪器相对免疫长期漂移数据,重新定位EMI仪器在土壤表面在不同时间的(不同的土壤条件和环境温度)提供了更多的明显差异。此外,EMI测量不稳定在4.5 - h比CGR仪器日志时期。也指出,PRP配置是更稳定的比HCP随着时间的操作。这同样适用于操作测试。仪器高度的影响,横滚和俯仰都小于从测试事件测试事件的不同,这可能是由于一些无法控制的因素,包括仪器的确切位置和不同的环境参数。然而,从业人员应避免或最小化,提高仪器的发射线圈末端由于报道EC的敏感性_一个测量实验处理。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在文章/补充材料,进一步调查可以直接到通讯作者/ s。

作者的贡献

AMS和VA概念化设计的研究中,AMS收集数据,分析数据,并起草了手稿,弗吉尼亚州的审查和编辑了手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这个项目的部分资金由加拿大创新基金会(CFI)领导人机会基金(LOF),马来西亚高等教育(邻蒙古)和马来西亚Putra大学(芬欧蓝)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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