高标准农田国家耕地质量自动监测点建设推荐方案

一、建设内容

各级耕地质量监测点的田间建设包括 3 个功能区,分别为(1)自动监测功能区、(2)耕地质量监测功能区和(3)培肥改良试验监测功能区,建设面积 500m2-1000m2。本方案主要介绍(1)自动监测区。

(一)自动监测功能区设置

自动监测功能区主要设置土壤多参数自动监测设备、农田气象要素观测仪、移动式作物生长监测站、物联网和视频监控支撑系统等田间管理监测设备,通过传感器设备,自动监测土壤墒情、气象条件、田间管理及苗情长势等。该小区应避开水源50m以上,无其它干扰监测的障碍物,小区面积不小于 33m2。耕地类型为水田的监测点,就近选择一块旱地设置自动监测功能区。

(二)自动监测功能区建设

1.田间工程建设

该功能区需提前建设监测设备水泥墩底座(固定设备用),然后其余地方铺设草皮或种植低矮作物。功能区四周预留80cm宽步道,步道采用砌砖加水泥,或者铺设青石板、防腐木方式建设,同时设立 5m×5m不锈钢保护围栏,栏高不低于1.5m,围栏立柱水泥基础规格为 30 cm×30 cm×50 cm(共 9 个),在围栏一侧开 1.5m 宽外开双门。

2.标识牌、展示牌制作

标识牌制作参照《NY-T1119-2019耕地质量监测技术规程》。

3.田间监测设备安置

监测点田间监测设备安置包括气象站、墒情监测站、视频监控系统和防水箱等的安置以及供电系统和有线网络的连接,其 中 气 象 站 和 墒 情 监 测 站 水 泥 底 座 基 础 规 格 均 为120cm×120cm,水田要求高出地面至少20cm,入土深埋 40cm,旱地要求高出地面至少 20cm,入土深埋 30cm,用于安置农田气象要素观测仪和土壤多参数自动监测设备;视频监控水泥底座基础规格为 80cm×80cm,水田和旱地均要求高出地面至少20cm,入土深埋 80cm,并且需要提前预埋与立杆配套的地笼,用于安置视频监控设备。防水箱水泥底座基础规格为50cm×80cm,水田要求高出地面至少20cm,入土深埋40cm,旱地要求高出地面至少 20cm,入土深埋 20cm,用于安置监控设备配件。

(三)建点基本情况调查

1.监测点耕地质量基本情况调查

监测点建点时耕地质量基础调查内容及记载内容参照《NY-T1119-2019耕地质量监测技术规程》要求开展。其中监测点剖面土壤样品的采集方法见附录3。

2.监测点墒情基本情况调查

在自动监测功能区建设时,结合监测区建设与仪器安装,开展土壤墒情基础信息调查与取样检测。基础信息调查内容包括0-20cm和 20-40cm 两个层次的土壤田间持水量(见附录4)、容重、质地等土壤物理性状,有条件的地区还要增加40-60cm和 60-100cm 土壤层次基础调查。

二、布设原则及要求

(一)代表性。监测点布设时,要综合考虑耕地面积、土壤类型、耕地质量水平、种植制度、地力水平、耕地环境情况和管理水平等因素,选择具有代表性和典型性的区域布设监测点。同时,应充分考虑当地交通建设规划、城市建设规划、种植业结构调整规划、承包人素质等因素,将监测点优先布设在永久基本农田保护区、粮食生产功能区、重要农产品生产保护区等有代表性的地块上,以保持监测点点位和种植制度的长期稳定性、监测数据的连续性。

(二)兼顾性。监测点布设时,要兼顾现有监测点,在现有耕地质量监测点上提升建设,优先选择国家级和省级耕地质量监测点。另外,监测点布设时,还可结合耕地集中区域、农业园区、高标准农田建设区域。

(三)抗干扰性与安全性。监测地块尽可能选择在地形开阔的地方,远离村庄、建筑、道路、河流、主干沟渠;为确保不受到人为破坏、土地征用或土地使用纠纷,监测点应布设在产权明晰、能够长期租用的农田内。

(四)便捷性与可操作性。监测点布设时,要优先选择相对集中连片、田面平整、具备灌溉条件、田间道路符合农机具操作要求、便于对外展示监测信息的地块。同时,监测点应具备必要的水力、电力和网络等外部协作条件以及较好的移动网络通讯信号。另外,监测点布设时,还要考虑设施设备日常维护和人工田间调查与样品采集的交通等便利性。

三、监测内容

按照《耕地质量监测技术规程》(NY/T 1119-2019)要求,监测点监测内容包括“四情”即地情、肥情、环情和墒情。

(一)地情:监测土壤理化性状相关指标,包括土壤容重、紧实度、pH、有机质、全氮、全磷、全钾和中微量及有益元素含量等内容,用以反映土壤结构和养分供给能力,采用常规调查、取样、检测等方式获取数据。

(二)肥情:监测肥料投入使用情况,包括肥料种类、有机质和 N、P、K 养分含量、实物量、折纯量等指标,用以反映人为管理、肥料施用等对耕地质量的影响,采用田间作业记录调查和取样检测等方式获取数据。

(三)环情:监测生物、环境等方面相关指标,包括作物生长性状、土壤重金属含量和气象状况等,用以反映作物生长环境健康适宜状况,采用仪器设备自动监测、田间调查、取样检测等方式获取数据。

(四)墒情:监测土壤含水量等指标,用以反映土壤干湿程度,采用仪器设备自动监测和田间调查等方式获取数据。

四、监测实施

设置在自动监测功能区的自动监测设备,在监测年度内设置为每隔1个小时整点监测记录一次土壤参数和农田气象要素数据。

(一)土壤参数:由土壤多参数自动监测站自动监测不同层次土壤含水量(体积含水量,其中 0-20cm、20-40cm 为必测层,对于一些特殊作物,根据其根系的分布深度增加取样测定层次和深度)、土壤温度、电导率等参数(耕地类型为水田的监测点,就近选择一块旱地设置自动监测功能区)。由人工采集干土层厚度、阶段灌水次数、灌水量、作物名称、生育期、作物表象、受旱面积比例、墒情评价参数。

(二)农田气象要素:由农田气象要素观测仪自动监测空气温度、湿度、风速、风向、光照、大气压、降水量等参数。

(三)作物长势:由移动式作物生长监测站自动监测作物覆盖度、株高、叶面积指数、叶绿素等,有条件的区域可以选择监测归一化植被指数、叶冠层指数等。

附录1 耕地质量监测点田间建设内容和仪器设备功能参数与要求

序号 名称 数量 单位 建设主要内容、名称及型号、性能
1 土地流转 m2 流转到第二轮土地承包期或 30 年
2 标识牌、展示牌 2 功能和相关参数见方案内“监测标识牌、展示牌制 作”相关说明
3 隔离区设置(含田间整治) ≥6 建设监测区水泥板或砖混结构 (内外做防水)隔离等。相关参数见方案内“田间工程建设”相关说明。
4 围栏建设 1 不锈钢围栏,占地面积不低于 33 m2,高度 1.5m 以上
5 土壤样品采集设备 1 2 把不锈钢土钻,2 把取土铲,2 把剖面刀、50 个环刀,100 个铝盒,1 套团聚体筛分设备及原状土储运盒
6 土壤贯穿阻力仪(紧实度仪) 1 测量范围:0-10 Mpa; 手摇式入土方式; 3.测量深度:0~375mm; 4.测量精度:±1%。
7 土壤多参数自动监测站 1 1.土壤温度范围:-40~85℃,误差±0.3℃;
2.土壤体积含水量:0%~100%,相对误差±3%;
3.土壤电导率,测量范围 0 dS/m~5 dS/m;
4.监测深度:0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-100 cm。
8 手持式土壤墒情速测仪 4 1.土壤体积含水量:0-100%,相对误差±3%;
2.监测深度:0-10 cm、10-20 cm;
9 移动式作物生长监测站 1 监测覆盖度、株高、叶面积指数(LAI)、叶绿素 (SPAD)、归一化植被指数(NDVI)、叶冠层指数(CC)等功能。
10 农田气象要素观测仪 1 1.空气温度测量范围: -40~85℃, 分辨率: 0. 1℃, 准确度: ±0.3℃。
2.空气相对湿度测量范围:0~100%, 分辨率:0.1%, 准确度: ±3%RH。
3.光照传感器测量精度:±2%(0-20000lux),分 辨率: 1LUX, 测量范围: 0~200000 Lux
4. 风向测量范围: 0 ~ 360°, 分辨率: 1, 准确度: ±1°。
5. 风速测量范围: 0-65m/s 分辨率: ±0.1m/s 准确度: ±0. 1m/s;
6. 降水量测量范围: 0~ 6553mm, 分辨率: 0.1mm 准确度: ±0.5mm; ,
7. 大气压力测量范围和精度参照国家气象局标准。
11 物联网系统 1 摄像头200 万像素 8 寸红外 200 米红外照射距离 焦距: 6- 186 mm, 30 倍以上光学变倍。 含球机立杆, 硬盘录像机, 硬盘, 控制箱。 交流电供电。
12 视频监控系统 1 1.长4~6 m、直径 160 mm 整体镀锌管监控立杆,0.8m~1.2m 长横臂 1 个,各地可根据实际情况调整;
2.抗风力: 45 kg/ (m·h);
3. 1m×1m 基础混凝土浇灌,钢结构预埋件。
13 防雷器+接地设备 1 配备视频、控制信号防雷设施, 用于监控视频信号设备点对点的协击保护。
14 数据存储设备 1 主机, 4 个 2TB 硬盘
15 供电系统 1 优先选择市电;使用太阳能供电的,要求阴雨天可连续使用达 10d~15 d
16 通讯网络系统 1 优先使用有线网络或4G及以上无线网络
17 仪器设备维护 5 保证5年硬件、软件运行正常

附录2 仪器设备重要技术参数汇总表
常规的,我们推荐SS-ET3为一个农田气象监测单位和SS-EU2为一个土壤监测单元即可满足耕地质量自动监测点的要求,有更多预算即可进一步升级配置进行选择,并增加农田地表水和地下水SS-EV系列的选择。这种高配置监测即可对标农田面源污染监测站,详细参见《面源污染监测评估》。
实践证明,思摩特科技集成构建的气象站,水土气原位监测站,具有非常优异的环境适应性,完全可以正常工作在-35℃到50℃的环境条件下。并在辽宁、吉林、墨龙江、内蒙古等东北地区已经有长时间、较广泛的应用,如图所示。
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Metrics Cloud 501在线式水土气原位观测站
传感器规格
分辨率
空气温度 0.1℃
空气湿度 0.5%
风速 0.1m/s
风向
降雨量 0.2mm
太阳辐射 1W/m2
大气压 0.1hPa
土壤温度 0.1℃
土壤湿度 0.1%
土壤电导率 0.001mS/cm [0-5dS/m],0.01mS/cm [5-15dS/m]
土壤pH 0.05
土壤氧化还原电位 1mV
测量范围
空气温度 -40 ~ +80℃
空气湿度 0~100%
风速 0.5~89m/s
风向 0~359°
降雨量 0.2mm/h ~ 100 mm/h
太阳辐射 0~1800W/m2
大气压 500~1100hPa
土壤温度 -40~65℃
土壤湿度 0~100%(cm3/cm3)
土壤电导率 0~15dS/m
土壤pH 2 ~ 14
土壤氧化还原电位 -500mV ~ 500mV
精度
空气温度 10℃-50℃范围内:±0.5℃,全量程范围内:±1.5℃
空气湿度 10%-90%范围内±2%, 全量程范围内±4%
风速 1m/s或±5%中较大值
风向 ±3°
降雨量 0.2mm/h~50mm/h范围内±4%,50mm/h~100m/h范围内 ±5%
太阳辐射 ±5%
大气压 ±0.5hPa ( 25℃)
土壤温度 0.5℃
土壤湿度 0~50%范围内为±2%
土壤电导率 5%FS
土壤pH 0.1
土壤氧化还原电位 ±5%FS
记录仪性能
基本功能 支持以上所有传感器接入,主机可自动计算实时值、平均值、最大值(含出现时间)、最小值(含出现时间)、累积值。测量和存储周期可设置,最短间隔1分钟。
▲防盗要求:设备发生位移时,可在PC 云端地图中査看设备位置、移动轨迹等数据,被盗可追踪。
▲网络查看:可通过手机微信端、PC浏览器查看数据和曲线图,曲线和数据都可下载到本地电脑中进行存储和分析,且在服务器中永不丢失。
▲远程控制:可通过云端软件设置采集间隔时间、传感器校准、报警手机卡及流量控制等。
可按指定传感器在某一时间范图内分析其变化趋势,从而得到其走势分析。
▲后台设备管理:支持传感器故障信息、电池电压、太阳能电压、设备信号强度等信息可发送至设备绑定人和管理平台。
▲可查看某个站点指定传感器在指定时间范围内的数据报表信息,支持数据导出。
可查看某个站点在指定时间月份、年份的数据报表信息。
按管理权限分为多个管理级别,上级可浏览到下级所有信息,同级不能浏览他人信息,下级不能浏览上级信息。
▲内置GPS定位,可远程实时查看设备位置信息。
▲异常报警:设备通信异常、传感器数据超出预设的上限或下限、传感器电量过低(平台可设置门限)时,通过微信进行报警,提醒用户处理异常情况。
物联网云监测平台 1.支持PC端、手机微信端;
2.集成地图系统,直观显示监测站位置等信息;
3.支持用户自定义视图;
4.支持列表和图表两种不同的数据查看方式;
5.支持用户权限管理功能;
6.数据可永久存储;
7.支持测量值上下限报警设置功能
通讯 设备内置移动通信功能,可以自动上传测量数据以及远程设置参数。当出现网络故障时,后台将存储数据,网络恢复后,缓存数据将自动补发。具有USB接口,可以通过USB接口进线采集器配置、数据下载。
结构 为保证在恶劣环境中使用,采集器应该全封闭。
记录仪最大变量 32变量
记录仪存储空间 32M,大约3万条;支持不小于8G SD卡。
记录周期 最小1分钟
内部电池容量 20Ah@3.7v,聚合物锂电池,工作温度范围-20℃到70℃
外部太阳能板 255mm345mm17mm,10W
功耗 休眠:每个探头 0.1mA;活动:每个探头 1mA;测量:每个探头 68mA@150ms
故障和过压保护 可承受 16 V,最小电压6V
工作温度 -20~60℃
存储温度 -20~85℃
工作湿度 5~95%,无凝结
标准配置
SS-ET0 空气温度、空气湿度、风速、风向、大气压和太阳辐射
SS-ET1 空气温度、空气湿度、风速、风向、大气压、降雨和太阳辐射
SS-ET2 空气温度、空气湿度、大气压力、风速、风向、降雨和太阳辐射
SS-ET3 空气温度、空气湿度、大气压力、风速、风向、降雨和太阳辐射,带地面拍照抓取地表信息功能
SS-ET4 空气温度、空气湿度、光照强度、降雨、风速、风向
SS-EU0 土壤水分4层、土壤温度4层、土壤电导率4层
SS-EU1 土壤水分4层、土壤温度4层、土壤电导率4层、地下水位1个
SS-EU2 土壤水分4层、土壤温度4层、土壤电导率4层、地下水位1个、土壤pH1层、土壤氧化还原1层
SS-EU3 土壤水分8层、土壤温度8层、土壤电导率8层
SS-EU4 土壤水分8层、土壤温度8层、土壤电导率8层、地下水位1个
SS-EU5 土壤水分8层、土壤温度8层、土壤电导率8层、地下水位1个、土壤pH2层、土壤氧化还原2层
SS-EU6 土壤水分4层、土壤温度4层、土壤电导率4层、地下水位1个、土壤pH1层、土壤氧化还原1层、带地面拍照抓取地表信息功能
SS-EU7 土壤水分8层、土壤温度8层、土壤电导率8层、地下水位1个、土壤pH2层、土壤氧化还原2层、带地面拍照抓取地表信息功能
SS-EV0 地下水位(压力式)、地表水位(雷达式)、地表流量(雷达式)
SS-EV1 地下水位(压力式)、地表水位(雷达式)、地表流量(雷达式)、水质自动取样单元
SS-EV2 地下水位(压力式)、地表水位(雷达式)、地表流量(雷达式)、水质自动取样单元、水质自动监测单元
SS-EV3 地下水位(压力式)、地表水位(雷达式)、地表流量(雷达式)、水质自动取样单元、水质自动监测单元、水质质控单元
选购附件
N5401 数字传感器延长线
N5102 430mm*430mm*25mm,20W太阳能板
N5701-001 ST-3-20三脚安装支架套件,含标准安装支架、20W太阳能供电和安装包
N5701-002 ST-3-20-D三脚安装支架套件,含标准安装支架、20W太阳能供电和安装包
N5701-003 ST-4-20四脚安装支架套件,含标准安装支架、20W太阳能供电和安装包

注:部分技术参数可微调——1)光照或辐射传感器选一即可;2)蒸发传感器,水利标准蒸发器为水面蒸发,对农田监测意义不大,可不选,可利用气象数据和植被数据计算潜在土壤蒸散发;3)土壤部分可以选配增加土壤容重传感器。

附录3 监测点建点时剖面土壤样品采集方法

在能代表研究对象的采样点挖掘未经扰动的1 m×1.5 m左右的长方形土壤剖面坑,使较窄的一面向阳作为剖面观察面。挖出的土放在土坑两侧,不能放在观察面上方,土坑深度根据具体情况而定,一般要求达到母质层或地下水位。根据剖面土壤颜色、结构、质地、松紧度、湿度及植物根系分布等,划分土层,按计划项目逐项进行仔细观察、描述记载,并拍摄剖面图片,然后自下而上逐层采集样品。采样时一般采集各层最典型的中部位置土壤,以克服层次之间的过渡现象,保证样品代表性。

采样时一方面每层采集环刀测定土壤容重,一方面每层采集一块原状土样,用硬质塑料盒或铝盒装好,以保持原状土壤结构,运回实验室去除可见的植物残体、石子等杂物后,将一部分土样留作土壤水稳定团聚体颗粒分级和土壤质地分析;剩余土样过 2 mm筛,其中一部分存放在恒温 4℃条件下用于测定土壤微生物量碳、氮含量,剩余部分土样置于室温条件下风干至少一周,收集后用于测定土壤基本理化性状和重金属指标。

附录4田间持水量的测定

4.1 适用范围

土壤田间持水量是指土壤毛细管悬着水达到最大含量时的持水量。通俗地说,土壤饱和后,重力水被排干,但是毛细管还没有开始损失时的含水量。那么,重力水和毛细管水的分界线一般为60-300 hPa吸力,小于其范围为重力水,大于其范围为毛细管水。为了方便测定,同时也考虑到其在农业生产中应用方便。这里推荐土壤沙箱法。沙箱法已在国际上广泛利用,也在水利科研、生产中采用,其操作简便、快速,结果稳定可靠,重现性好。

4.2 方法要点

在石砾含量不是很多的情况下,可采用沙箱法测定田间持水量。取原状土后,用水浸泡一定时间,使其达到水饱和,然后放置在沙盘上,在一定的吸力下平衡一段时间,将土壤中的重力水排出,使环刀中土壤达到最大毛管悬着水,测出的土壤含水量即为田间持水量。

所用环刀的体积根据不同工作条件与测定要求来定,为了工作携带方便,可用100 cm3(Φ50.46 mm×50 mm)或200 cm3(Φ70 mm×52 mm)的标准环刀。为了数字更准确,可采用体积更大的环刀,但是工作量更大,耗时更长。测定土壤田间持水量,必须采取土壤结构不破坏的原状土壤。

4.3 主要仪器

不锈钢土壤环刀(体积200 cm3或100 cm3);天平(感量0.01g,最大称量2000 g);烘箱;铝盒(或称量瓶);不锈钢土壤刀;土铲;干燥器;沙箱(高80 cm,干净的石英沙<1 mm的高度70 cm;见4.6图所示);滤纸等。

4.4 测定步骤

4.4.1 用天平称已经编号的环刀质量, 记录其质量为m0克。

4.4.2 选定代表性的测定地点,挖掘土壤剖面,根据规定土壤层次或每隔10 cm用环刀采取土样(必须保持环刀内土壤的结构不受破坏),用锋利的不锈钢土壤刀削平环刀表面,盖好,放入自封袋中密封,带回室内待测定。

同时取约100-200 g相同土层的扰动土样(区别于环刀土样)于已经编号的自封袋中,密封后带回室内以备测定采样时田间土壤含水量之用(见A. 4.8)。

4.4.3 用滤纸将从野外采回来的环刀土样的底部包好,滤纸可用橡皮筋固定,环刀底部垫上有网孔的底盖(便于水分从底部湿润环刀土壤),然后放入平底盆(或盘)中。缓慢注入水并保持盆中水层的高度离环刀上沿2 cm为止(注意:水不要淹过环刀)。使其饱和2天(质地粘重的土壤放置时间需更长),此时环刀中土壤所有非毛管孔隙和毛管孔隙都充满了水分。

4.4.4 关闭沙盘出水口,注入水于沙盘(沙子高度=70 cm)中,使沙盘达到饱和。然后打开水龙头,排水2天,控制水位离沙子表面60 cm处,也就是其吸力为60 hPa。(注:这个步骤可在饱和土样的同时或者之前操作)

4.4.5 环刀土样达到饱和后,水平取出,取下底盖,但保留滤纸便于土壤与沙盘充分接触。放置在吸力为60 hPa的沙盘上(沙盘水龙头一直处于开的状态),然后盖上盖子防止蒸发损失水分,最后盖上沙盘盖子,平衡一段时间(砂土2-3天,壤土3-4天,粘土4-5天)。平衡结束,此时环刀中土壤的水分为最大毛管悬着水。

4.4.6平衡结束后,取下上盖,移去橡皮筋,保留滤纸,立即用天平称量,记录其质量为m1

4.4.7秤完后,把带滤纸的环刀土壤放入烘箱中,在105 ℃下烘24 小时左右。然后取出称重,记录其质量为m2克。

4.4.8 关于扰动土壤含水量测定,先称重并有编号的铝盒中(记录m3克),然后从自封袋中取出100g左右土,放入铝盒中再次称重(记录m4克)。放入烘箱中,在105 ℃下烘6 小时左右。然后取出称重,记录其质量为m5克。计算采样时田间含水量(%)

4.5 结果计算

4.5.1 计算田间持水量(%)。

土壤田间持水量按下式计算:

式中:——土壤田间持水量(%);

m0——环刀+滤纸的质量(g);

m1——60 hPa吸力下环刀+湿土样+滤纸的质量(g);

m2——105℃烘干后环刀+干土样+滤纸的质量(g)。

4.5.2 计算采样时田间含水量(%)

式中:——采样时田间土壤含水量(%);

m3——铝盒的质量(g);

m4——湿土样+铝盒的质量(g);

m5——105℃烘干后干土样+铝盒的质量(g)。

4.5.3 计算土壤相对含水量,作为墒情评价依据。

式中:W——土壤相对含水量(%);

——采样时田间土壤含水量(%);

——田间持水量(%)。

4.6 沙盘示意图

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