项目背景与行业痛点

农田、果园、林草地、设施农业和生态试验区的土壤墒情并不是只发生在地表。降雨和灌溉进入土壤以后，水分会从浅层逐渐向深层迁移，同时受到蒸发、植物根系吸水、土壤质地和地下水条件影响，在不同深度形成明显不同的含水状态。传统单点土壤水分监测通常只能说明某一个深度当前是干还是湿。例如10cm土层在灌溉后很快变湿，并不代表40cm、60cm根区已经得到补水；表层已经干燥，也不表示深层土壤已经缺水。

人工取土烘干法能够获得阶段性墒情数据，但需要反复取样，难以连续观察一场降雨从表层向下渗透的完整过程，也无法实时判断湿润锋已经到达哪个深度。

对于滴灌、喷灌和节水灌溉项目，灌水过少可能只湿润浅层，灌水过多又可能使水分进入根系利用率较低的深层土壤，形成深层渗漏。仅看灌溉时间或灌水量，很难判断实际水分在土壤中的分布。

管式土壤剖面墒情监测系统利用一套管式多层探头在同一垂向位置连续获取多个深度的土壤水分，并同步获得土壤温度及项目配置的电导率信息，通过4G网络上传SIYB智能监测平台，将传统单层墒情升级为具有深度信息的动态土壤水分剖面。

建设目标与监测目标

本项目建设土壤剖面墒情综合在线监测系统，在具有代表性的农田、果园、林地或试验样地布设管式多层土壤剖面监测站。

系统重点连续监测不同深度土壤水分，形成根区水分垂向分布，并同步记录各层土壤温度和项目配置的土壤电导率。

通过多层同步数据识别降雨和灌溉开始以后各土层的响应先后顺序，分析实际入渗深度和湿润锋向下移动过程。

系统进一步形成各层墒情变化率、根区平均含水状态、项目化根区储水量以及深层渗漏风险等派生指标。

现场数据通过边缘数据采集主机处理，再采用4G蜂窝网络上传SIYB智能监测平台，实现长期无人值守、远程查看和历史数据分析。

需求分析

土壤剖面墒情监测首先需要确定实际根区深度。浅根蔬菜、粮食作物、果树和林木的主要吸水层差异较大，监测层数和深度应依据作物、土层和研究目的设计。

第二，需要关注土壤垂向结构。砂层、黏土层、石砾层、犁底层和回填层会明显改变水分向下运动速度，因此安装前应掌握土壤剖面基本情况。

第三，管式探头的优势是同一位置连续获得多个深度数据，但安装孔质量尤其重要。如果管体或感知区域与周围土壤之间存在明显空气隙，会使水分测量失去代表性。

第四，墒情数据受到土质、容重、盐分和温度影响。对于精度要求较高的科研或灌溉项目，应结合现场取土或参考方法进行比对，必要时建立土质修正关系。

第五，远距离农田和林草区通常缺少有线网络，因此本方案采用4G远程通信，并根据现场条件配置太阳能和电池供电。

总体解决方案

本方案采用S-SPRF管式土壤剖面墒情监测系统，由多深度管式土壤剖面探头、边缘数据采集主机、4G通信模块、供电与防护组件以及SIYB智能监测平台组成。

管式剖面探头按照项目设计插入目标土层，在同一垂向位置形成多个固定监测层。

各监测层按照统一时间基准获取土壤水分和温度，并根据最终配置获取剖面电导率信息。

边缘主机完成原始信号读取、线性化、补偿、滤波、单位换算、异常判断、变化率计算、质量码和本地缓存。

数据通过4G网络上传远程平台；公网暂时中断时现场继续采集并保存，网络恢复后按照原始时间戳自动补传。

最终形成“多深度感知—剖面墒情形成—入渗过程识别—根区储水分析—4G上传—平台综合在线管理”的完整系统。

系统架构设计

系统采用土壤剖面感知层、边缘数据处理层、4G通信层、SIYB数据平台层和农业应用层五级架构。

土壤剖面感知层由管式多深度感知单元组成，在同一安装位置形成多个深度的水分和温度连续序列。

边缘数据处理层负责补偿、滤波、剖面组合、质量判断、变化率分析、本地存储和断网缓存。

4G通信层负责现场站点与远程服务器的数据传输，并保存网络状态和最近通信时间。

SIYB平台按照“项目—地块—剖面站—监测深度”组织数据，使每一个墒情数值都具有明确深度属性。

农业应用层用于灌溉评价、入渗分析、根区水分管理、深层渗漏判断和科研数据分析。

监测内容与监测方法

各层土壤水分是本系统的核心直接监测量，用于描述不同深度当前土壤墒情状态。

各层土壤温度用于记录土壤剖面热环境。浅层通常受到昼夜环境影响较明显，深层温度变化相对缓慢，可观察温度波动向地下传播的过程。

剖面电导率属于系统项目化监测内容，可与水分共同分析土壤水盐环境，具体层级与输出方式按照最终探头配置确定。

入渗锋面属于根据不同深度水分变化时间和幅度计算或判断得到的派生结果，用于描述一次降雨或灌溉以后明显湿润区域向下发展的深度。

根区储水量属于模型计算指标，需要结合各层体积含水量、代表土层厚度和根区范围进行计算，并不是传感器直接输出的物理量。

多层变化率可以比较不同深度开始增湿、达到峰值和随后失水的时间差异。

技术原理与算法模型

S-SPRF采用管式分层介电感知原理。土壤含水状态改变会引起土壤介电特性变化，各深度感知单元通过相应电学响应获得土壤水分信息。

多个深度的感知单元沿管体垂向布置，由同一系统按照统一时间基准采集，因此可以形成具有空间深度属性的土壤水分剖面。

设第i层当前土壤水分为θi(t)，某一参考时刻水分为θi(t0)，则该层相对水分变化可表示为Δθi=θi(t)-θi(t0)。

第i层水分变化速率可以表示为Vθi=[θi(t)-θi(t-1)]/Δt。

当一次灌溉以后10cm层首先出现明显水分增加，随后20cm、30cm和更深土层依次响应，可以依据各层响应时间形成入渗过程判断。

根区平均墒情不宜简单对所有测点求算术平均。在需要更准确分析时，应根据不同深度代表的土层厚度和主要根区范围进行加权。

根区储水量的计算需要结合体积含水率与各层代表厚度，因此平台应明确区分各层直接测量值、公式换算结果以及模型推算结果。

系统功能设计

系统具备多深度土壤水分连续监测、各层土壤温度监测、剖面电导率监测、土壤墒情剖面展示和4G远程联网功能。

剖面功能按照实际深度显示各层当前水分，使用户可以快速看到浅层、中层和深层的干湿差异。

入渗分析功能根据不同土层水分响应顺序辅助识别湿润锋下移过程。

根区分析功能可按照项目模型统计平均墒情和根区储水量。

历史数据功能可以观察一场降雨、一次灌溉以及连续干旱期间整个土壤剖面的变化。

边缘质控支持超量程、突变、漂移、长期固定和异常数据识别。

系统支持阈值、变化率、持续时间和设备故障告警，并可根据项目与灌溉控制系统进行联动。

断网期间设备继续本地记录，恢复4G通信后完成历史补传。

硬件组成与配置方案

系统主要由S-SPRF多深度管式土壤剖面探头、边缘数据采集主机、4G通信模块、SIM通信组件、太阳能或DC供电系统、防护箱、防雷接地和安装附件组成。

一套管式剖面探头可以按照项目配置多个监测层，典型为3～10层，从而减少多个独立传感器分散开孔和重复布线。

典型层间距为10cm，也可根据主要根区、土层结构和研究目标重新设计。

对于浅根作物可重点覆盖表层至主要根层；果树和林草项目则可以将管式监测范围向更深土层延伸。

大面积项目可在不同灌溉分区、不同土壤类型、高低地形和对照区域分别布设多个管式剖面站。

每套剖面站由边缘主机统一采集，并通过4G蜂窝网络直接上传SIYB平台。

无稳定市电区域可采用太阳能与蓄电池供电，容量根据测层数量、采集周期、4G上传频率和当地日照条件核算。

核心设备参数

S-SPRF管式土壤剖面墒情监测仪监测层数按照项目配置，典型为3～10层。

典型层间距为10cm，也可以按照实际作物根区进行设计。

土壤水分测量范围为0～100%。

土壤温度量程资料典型为-15～35℃，也可按照最终探头配置确定。

土壤电导率量程为0～20,000μS/cm，具体按照系统配置。

地下部分资料典型防护等级为IP68。

现场常用接口为RS485/Modbus。

本方案远程通信统一采用4G蜂窝网络，通过边缘主机连接SIYB智能监测平台。

采集周期与4G上传周期可以分别配置，具体依据灌溉分析实时性、供电和网络条件确定。

系统支持循环存储和断网缓存，网络恢复后按照原采集时间补传。

供电可采用DC、市电适配或太阳能加电池方式。

当前说明书没有给出统一的水分、温度和EC精度指标，因此本方案不自行增加未确认的精度数值，最终以产品配置表和出厂检验结果为准。

软件平台与数据展示

SIYB智能监测平台针对S-SPRF采用土壤剖面形式展示数据，而不是只显示若干孤立的土壤水分数字。

实时页面显示各深度水分、各深度温度、剖面电导率、设备状态和4G通信状态。

剖面图可以按照深度由浅到深显示当前土壤墒情，使管理人员直接识别哪一层偏干、哪一层已经湿润。

时间—深度页面可以观察一次降雨或灌溉以后水分从浅层向深层传播的连续过程。

平台可进一步展示入渗锋面和根区储水量等派生数据，并明确标注为计算结果。

多站点比较功能可以对比不同灌溉分区、不同作物、不同土壤类型和不同处理区的墒情剖面。

质量控制页面自动标记超量程、突变、漂移、离线、低电量、维护和校准状态。

系统支持CSV、Excel数据导出，并可根据项目要求通过API、MQTT、Modbus等方式接入灌溉、农业或科研平台。

数据分析与智能应用

管式墒情监测最直观的应用，是回答“一次灌溉究竟浇到了多深”。

灌溉开始后，浅层土壤通常首先出现水分增加。随着水向下入渗，中层和深层监测点依次产生响应，平台可以完整记录湿润锋发展的时间过程。

如果灌溉结束以后只有浅层明显湿润，而主要根层没有明显响应，可以说明本次灌溉入渗深度可能不足。

如果主要根区已经达到合理水分，而更深监测层仍持续明显增湿，则可作为检查过量灌溉和深层渗漏的一个数据依据。

连续晴热天气中，可以比较不同深度土壤水分下降速度，观察作物主要在哪些土层消耗水分。

果树和林木项目可长期比较浅层、中层和深层墒情的季节变化，研究根系吸水深度随生长阶段和气候条件发生的变化。

土壤温度剖面可以观察浅层昼夜波动向深层传播时的衰减和时间延迟。

若系统同时获取EC，可进一步将水分变化与盐分迁移进行联合分析，但EC解释需要结合含水率、土质和温度背景。

预警机制与决策支撑

土壤剖面墒情预警不能只依据最浅层水分。灌溉管理应重点关注作物主要根区的综合在线状态。

系统可根据不同深度分别设置偏干、偏湿和持续时间条件，避免一个统一阈值覆盖所有土层。

根区缺水提醒可以根据多个主要根层持续偏干形成，而不是表层短时间干燥就立即触发灌溉。

深层渗漏提醒可根据主要根区已经充分增湿，同时更深土层继续出现明显水分增加的情况进行辅助判断。

快速增湿规则可以识别降雨和灌溉事件，并提高数据采集或4G上报频率，以获得更完整的入渗过程。

如果只有某一层突然出现明显跳变，而相邻层、降雨和灌溉均没有对应变化，应优先检查传感器质量和管体接触状态。

实际土壤墒情控制值必须根据土壤质地、作物类型、生育期和现场校准结果确定，不能直接把0～100%量程作为统一灌溉控制标准。

项目实施方案

项目实施前首先调查作物种类、主要根系深度、土壤剖面、土壤质地、灌溉方式、地形、石砾和历史墒情条件。

根据根区确定管式探头监测深度、层数和层间距，典型可采用3～10层和10cm层间距，也可根据项目重新设计。

安装位置应选择具有代表性的作物区域，并避开排水沟、滴头正下方、异常回填区和明显不同于周边土壤的位置。

安装过程中应采用原状开挖、土钻或项目适合的方法，确保管体感知区域与周围土壤紧密接触，避免形成空气隙。

同步记录土壤质地、容重、石砾、盐分和初始含水状态，并建立测点坐标、设备编号和各层深度档案。

项目条件允许时，同步取土或采用参考方法进行现场比对，必要时建立土质修正关系。

完成防水、防雷、供电和4G通信后，将剖面站接入SIYB平台并验证各深度数据、断网缓存和恢复补传。

试运行期间通过自然降雨或灌溉事件检查各层水分响应顺序是否合理，确认后建立正式监测基线。

运维服务保障

管式剖面传感器属于长期地下监测设备，安装以后应尽量避免翻耕、机械施工和人为挖掘影响管体周围土壤。

随着长期干湿循环、根系生长、土壤沉降和板结，管体与周边土壤接触条件可能变化，应根据数据质量定期评估。

当某一层长期不随降雨、灌溉和季节变化产生合理响应时，应与相邻层和附近监测站比较，检查是否存在局部接触或感知异常。

4G主机、太阳能板、蓄电池、防护箱、防雷和外露线缆应按照现场环境定期检查。

公网中断期间边缘主机继续保存数据，恢复4G后自动按照原始时间补传。

土地翻耕、灌溉系统改造、作物更换或监测站周围环境明显变化以后，应重新评估该剖面站的代表性。

设备更换、校准、深度调整、算法修改和阈值变化均应保留版本记录。

项目优势与方案价值

管式多层结构可以在一个垂向安装位置获取典型3～10层土壤数据，比多个独立探针分散安装更便于形成连续剖面。

典型10cm层间距可以较直观地观察水分从表层向根区和深层移动的过程，并可按照作物根区重新设计。

0～100%土壤水分范围能够覆盖不同干湿状态，适合农田、果园和林草生态长期墒情监测。

各层水分和温度统一授时，便于分析湿润锋、根区吸水和土壤热环境的垂向传播。

平台能够输出各层水分、各层温度、剖面电导率、入渗锋面和根区储水量，使数据从单点监测升级为土壤剖面分析。

4G通信适合分散农田、果园和野外样地，多个剖面站可统一接入SIYB平台。

边缘存储和断网补传保证短时移动网络异常不会造成关键降雨或灌溉过程数据永久缺失。

系统还可以与自动雨量、气象、灌溉流量和作物环境数据结合，形成完整的农田水分综合在线监测体系。

应用场景

本方案适用于智慧农业，对作物根区不同深度墒情进行长期综合在线监测。

适用于节水灌溉，通过水分剖面判断每次灌溉实际入渗深度和根区补水效果。

适用于果园、葡萄园和茶园，对深根作物不同土层的水分消耗进行连续观测。

适用于玉米、小麦、棉花等大田作物的土壤墒情监测。

适用于设施农业，对滴灌和水肥一体化条件下根区水分分布进行分析。

适用于林草生态和生态修复项目，观察不同深度土壤水分对植被恢复的影响。

适用于水土保持项目，研究降雨入渗、土壤储水和植被措施对水分过程的影响。

适用于高校、科研院所和农业试验站开展土壤水分、根系吸水和灌溉入渗研究。

效益分析

墒情完整性方面，从单一深度升级为完整垂向剖面，可以更加真实地描述整个主要根区的水分状态。

灌溉评价方面，通过不同深度水分响应可以判断灌水过浅、合理入渗或可能存在的深层渗漏。

节水管理方面，避免仅依据表层干湿反复灌溉，为制定灌溉时机和灌溉量提供更完整的数据参考。

科研方面，连续时间—深度数据能够记录降雨入渗和作物根系吸水过程，减少大量人工取土工作。

远程管理方面，4G联网使分散农田和果园的多个剖面站能够集中查看。

数据资产方面，长期运行可形成不同季节、作物生育期、降雨和灌溉条件下的土壤墒情剖面数据库。

标准规范与政策依据

土壤水分和土壤温度观测可根据项目实际适用范围参考WMO-No.8《Guide to Instruments and Methods of Observation》相关方法。

具有外壳防护等级声明的地下监测设备可根据实际配置参考GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》。

现场采用RS485/Modbus进行管式探头与边缘主机数据通信时，可参考Modbus Application Protocol Specification V1.1b3。

农业、节水灌溉、林草生态、水土保持和科研项目还应结合所在地现行行业标准、作物管理要求和试验设计确定监测层数、深度和采样周期。

所列标准用于监测方法、设备选型和系统集成参考，不表示S-SPRF整套系统自动满足所有标准全部条款或已经取得相应行业认证。

成功案例

成功案例应以真实实施并获得公开授权的项目资料为准。典型果园土壤剖面墒情监测项目，可根据果树主要根系深度配置多层S-SPRF管式墒情监测站，并通过4G接入SIYB智能监测平台。

系统安装以后首先建立各深度初始土壤水分和温度基线，并记录土壤质地、灌溉方式和作物状态。

滴灌开始后，平台持续观察浅层水分变化。当湿润区域逐渐向下扩展时，中层和深层水分依次产生响应，从而形成一次完整的灌溉入渗过程。

如果主要根区已经明显增湿，而更深监测层仍持续增加，可以结合灌溉量进一步分析深层渗漏风险。

灌溉结束后，各深度水分进入不同的消耗阶段，长期数据可以观察果树在哪些土层持续吸收水分。

通过多个灌溉周期比较，可以逐渐形成该果园不同季节和生育阶段的根区墒情变化规律，为后续灌溉管理和科研分析提供数据。

以上内容属于基于S-SPRF系统能力编制的典型应用路径，不作为欣仰邦既有客户名称、实际项目业绩或固定节水、增产效果声明。

参考文献

[1] World Meteorological Organization. Guide to Instruments and Methods of Observation (WMO-No.8), 2024 edition.

[2] GB/T 4208-2017，《外壳防护等级（IP代码）》及相关修改文件。

[3] Modbus Application Protocol Specification V1.1b3。

[4] 土壤墒情、体积含水率、根区储水及土壤水分垂向分布相关土壤科学技术资料。

[5] 农田灌溉入渗、湿润锋迁移、深层渗漏和作物根系吸水相关农业水利研究资料。

[6] 管式土壤剖面水分监测及多深度连续墒情观测相关技术资料。