TDR測定不同濕度土壤含水量的精度比較研究

孫立等

摘要[目的] 探討TDR測定土壤含水量的原理，找出TDR測量土壤含水量的適合范圍。[方法] 用波蘭TDR/MUX/mpts水分測定儀，對不同濕度土樣的體積含水量進行測定，同時用烘干法和環(huán)刀法分別測量其質(zhì)量含水量和容重，然后轉(zhuǎn)化成體積含水量與TDR的測量值進行比較。[結果] 對于質(zhì)量含水量為0～5%之間的干燥土壤和質(zhì)量含水量為22%以上的濕潤土壤，TDR的測量精度較低。與烘干法相比，絕對誤差均大于2%，相對誤差大于10%。對于質(zhì)量含水量為5%～22%之間的土壤，TDR的測量精度較高。[結論] 在濕潤或半濕潤地區(qū)，TDR法測量土壤體積含水量有較高的精度。

關鍵詞TDR；濕度；土壤含水量；精度

中圖分類號S152.7文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）14-04279-03

A Comparative Study of Soil Moisture Measurement Accuracy under Different Humidity Using TDR

SUN Li，DONG Xiaohua et al（College of Hydraulic and Environment， China Three Gorges University， Yichang， Hubei 443000）

Abstract [Objective] The research aimed to study the principle of TDR measurement of soil moisture，and find out the suitable range of the determination of soil moisture. [Method] With Poland TDR/MUX/mpts moisture analyzer， the volumetric water content of soil samples was measured under different humidity in Yichang. With the drying method and the ring knife method， the quality of the soil water content and dry density of the same soil samples were measured respectively， then transferred into a volumetric water content and compared with the accuracy of the results using TDR. [Result] For dry soil whose quality of the soil water content was 0-5% and humid soil whose quality of the soil water content was above 22%， TDR measurement precision was low. Compared with the drying method， the absolute error was greater than 2%， and the relative error was greater than 10%. For the soil whose quality of the soil water content was 5%-22%， TDR measurement precision was high. [Conclusion] At moist or semihumid area， the determination of soil volumetric water content with TDR method had a higher precision.

Key words TDR； Humidity； Soil moisture； Accuracy

土壤水分是作物生長的要素之一，對于作物的生理活動起著至關重要的作用[1]。而土壤含水量的測定方法眾多，如烘干稱重法、中子儀法（NP）、γ射線法等[2]。但是，這些方法大多比較繁瑣，所以人們發(fā)明了時域反射儀（TDR）法。TDR法是新近發(fā)展起來的測定土壤含水量的方法，具有測定快速、使用方便等優(yōu)點，并且可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集的目的，很快被人們所接受。Topp等[3-4]使用TDR對不同類型土壤的介電常數(shù)進行大量測定，建立了土壤介電常數(shù)與土壤體積含水量的關系，證明介電常數(shù)與許多土壤類型的土壤含水量之間具有較好的相關性。這為采用TDR測定土壤含水量奠定了基礎。我國從20世紀90年代開始引進TDR 技術。目前，在我國應用較廣泛的TDR系統(tǒng)有美國Soilmoisture Equipment Corp生產(chǎn)的Trase系統(tǒng)和波蘭EasyTest Ltd生產(chǎn)的TDR/MUX/mpts系統(tǒng)[5-8]。

用TDR/MUX/mpts系統(tǒng)，可以快速地測定土壤的體積含水量。但是，在不同土壤濕度條件下，TDR測定土壤含水量的精度分析方面的研究較少。該研究使用波蘭TDR/MUX/mpts水分測定儀，對不同濕度土樣的體積含水量進行了測定。烘干法被認為是測定土壤水分含量的標準方法[9]，所以用烘干法對研究結果進行校正。該研究成果對進一步研究TDR測量土壤含水量的精度研究具有一定的參考價值。

1材料與方法

1.1TDR測量原理用時域反射技術測定土壤水分含量，依據(jù)的是土壤的介電常數(shù)（K）隨土壤含水量的變化而有規(guī)律地發(fā)生變化這一原則。水的介電常數(shù)為80 （20 ℃），而土壤固體介電常數(shù)為3～7，空氣的介電常數(shù)為1。水的介電常數(shù)比空氣或土壤的介電常數(shù)大得多，因此土壤的介電常數(shù)主要受到土壤水分含量的影響。通過測量土壤介電常數(shù)，推測土壤含水量（θ）。根據(jù)Topp等[3]研究，土壤的介電常數(shù)與土壤的容積含水量之間的關系可以很好地表達為：

在室內(nèi)常溫條件下，用TDR分別實時監(jiān)測1～10號土樣的體積含水量，將其與烘干法測量的質(zhì)量含水量轉(zhuǎn)換后的體積含水量進行相關分析。從圖3可以看出，TDR測量土壤含水量的過程是比較穩(wěn)定的，但還是有細微的波動。這可能是由儀器本身的系統(tǒng)誤差所致的。從圖4可以看出，TDR法和烘干法測量結果的R2值為0.97，具有很好的相關關系。但是，當土壤特別干燥或特別濕潤時，TDR測量值偏大，反之，TDR測量值偏小。

圖3TDR測量體積含水量圖4TDR法與烘干法測量值對比分析3結論

通過TDR/MUX/mpts水分測定儀對不同濕度土壤進行測量，同時用烘干法測量相同土樣的質(zhì)量含水量，轉(zhuǎn)換成體積含水量后對比兩者的結果并進行分析。時域反射儀法是速測土壤水分常用的方法之一。該方法具有快速、使用方便等優(yōu)點，但其使用有一定的局限性。當土壤特別干燥時，由于土壤間空隙較大，TDR測量精度低，因此在一些干旱地區(qū)不便于推廣應用。在濕潤或半濕潤地區(qū)，TDR法測量土壤體積含水量有較高的精度。該研究表明，當沙壤土含水量介于5%～22%之間時，將測量結果與烘干法進行對比，絕對誤差在2%以內(nèi)，相對誤差在10%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，用TDR測量得到的土壤含水量精度較高。

參考文獻

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