1. Техническо определение и основни функции
Почвеният сензор е интелигентно устройство, което следи параметрите на почвената среда в реално време чрез физични или химични методи. Основните му измерения на мониторинг включват:
Мониторинг на водата: Обемно водно съдържание (VWC), матричен потенциал (kPa)
Физични и химични свойства: Електропроводимост (EC), pH, REDOX потенциал (ORP)
Анализ на хранителните вещества: Съдържание на азот, фосфор и калий (NPK), концентрация на органични вещества
Термодинамични параметри: профил на температурата на почвата (измерване на градиент 0-100 см)
Биологични показатели: Микробна активност (скорост на дишане на CO₂)
Второ, анализ на масовите сензорни технологии
Сензор за влага
TDR тип (рефлектометрия във времева област): измерване на времето за разпространение на електромагнитни вълни (точност ±1%, диапазон 0-100%)
Тип FDR (отражение в честотната област): Детекция на диелектрична проницаемост на кондензатор (ниска цена, изисква редовно калибриране)
Неутронна сонда: Броене на неутрони, модерирано с водород (точност с лабораторно качество, изисква се разрешение за радиация)
Многопараметрова композитна сонда
5-в-1 сензор: Влага + EC + температура + pH + азот (IP68 защита, устойчивост на солена и алкална корозия)
Спектроскопски сензор: Близко инфрачервено (NIR) in situ откриване на органична материя (граница на откриване 0,5%)
Нов технологичен пробив
Въглероден нанотръбичен електрод: резолюция на измерване на електропроводимостта до 1μS/cm
Микрофлуиден чип: 30 секунди за бързо откриване на нитратен азот
Трето, сценарии за приложение в индустрията и стойност на данните
1. Прецизно управление на интелигентното земеделие (царевично поле в Айова, САЩ)
Схема на разполагане:
Една станция за мониторинг на профила на всеки 10 хектара (20/50/100 см на три нива)
Безжична мрежа (LoRaWAN, разстояние на предаване 3 км)
Интелигентно решение:
Задействане на напояването: Стартиране на капково напояване, когато VWC <18% на 40 см дълбочина
Променливо торене: Динамично регулиране на приложението на азот въз основа на разлика в стойностите на електропроводимостта от ±20%
Данни за обезщетенията:
Спестяване на вода 28%, коефициент на използване на азот увеличен с 35%
Увеличение от 0,8 тона царевица на хектар
2. Мониторинг на контрола на опустиняването (Проект за екологично възстановяване на покрайнините на Сахара)
Сензорна решетка:
Мониторинг на нивото на подпочвените води (пиезорезистивен, диапазон 0-10 MPa)
Проследяване на солен фронт (сонда с висока плътност и разстояние между електродите 1 мм)
Модел за ранно предупреждение:
Индекс на опустиняване = 0,4×(EC>4dS/m)+0,3×(органична материя <0,6%)+0,3×(съдържание на вода <5%)
Ефект на управлението:
Растителното покритие се е увеличило от 12% на 37%
62% намаление на повърхностната соленост
3. Предупреждение за геоложко бедствие (префектура Шизуока, Японска мрежа за мониторинг на свлачища)
Система за мониторинг:
Вътрешен наклон: сензор за порово водно налягане (диапазон 0-200kPa)
Повърхностно изместване: MEMS наклономер (резолюция 0,001°)
Алгоритъм за ранно предупреждение:
Критични валежи: насищане на почвата >85% и почасови валежи >30 мм
Скорост на изместване: 3 последователни часа >5 мм/ч задейства червена аларма
Резултати от внедряването:
Три свлачища бяха успешно предупредени през 2021 г.
Времето за реакция при спешни случаи е намалено до 15 минути
4. Рекултивация на замърсени обекти (Третиране на тежки метали в индустриалната зона Рур, Германия)
Схема за откриване:
XRF флуоресцентен сензор: in situ откриване на олово/кадмий/арсен (точност в ppm)
REDOX потенциална верига: Мониторинг на процесите на биоремедиация
Интелигентно управление:
Фиторемедиацията се активира, когато концентрацията на арсен падне под 50 ppm
Когато потенциалът е >200mV, инжектирането на електронен донор насърчава микробното разграждане.
Данни за управлението:
Замърсяването с олово е намалено с 92%
Цикълът на ремонт е намален с 40%
4. Тенденция на технологичната еволюция
Миниатюризация и масив
Нанопроводни сензори (<100 nm в диаметър) позволяват наблюдение на кореновата зона на едно растение
Гъвкава електронна кожа (300% разтегливост) АДАПТИРА СЕ към деформацията на почвата
Мултимодално перцептивно сливане
Инверсия на текстурата на почвата чрез акустична вълна и електрическа проводимост
Измерване на проводимостта на водата с термоимпулсен метод (точност ±5%)
Изкуственият интелект задвижва интелигентния анализ
Конволюционните невронни мрежи идентифицират типове почви (с 98% точност)
Цифровите близнаци симулират миграцията на хранителни вещества
5. Типични случаи на приложение: Проект за защита на черната земя в Североизточен Китай
Мрежа за мониторинг:
100 000 комплекта сензори покриват 5 милиона акра земеделска земя
Създадена е 3D база данни за „влага, плодородие и компактност“ в почвен слой 0-50 см
Политика за защита:
Когато органичната материя е <3%, дълбокото обръщане на сламата е задължително.
Обемна плътност на почвата >1,35 г/см³ задейства операция по подкопаване
Резултати от внедряването:
Степента на загуба на черноземния слой е намаляла със 76%
Средният добив на соя на му се е увеличил с 21%
Съхранението на въглерод се е увеличило с 0,8 тона/ха годишно
Заключение
От „емпирично земеделие“ до „земеделие, основано на данни“, почвените сензори променят начина, по който хората общуват със земята. С дълбоката интеграция на MEMS процеса и технологията „Интернет на нещата“, мониторингът на почвата ще постигне пробиви в наномащабната пространствена резолюция и реакция на ниво минута в бъдеще. В отговор на предизвикателства като глобалната продоволствена сигурност и екологичната деградация, тези дълбоко заровени „тихи стражи“ ще продължат да предоставят ключова поддръжка на данни и да насърчават интелигентното управление и контрол на земните повърхностни системи.
Време на публикуване: 17 февруари 2025 г.