便攜式土壤水分自動采集儀的參數(shù)率定及對比實驗

李智峰

（遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽111000）

1 概述

每年4～5月進(jìn)入遼寧省的春播期，這個階段連續(xù)干旱將導(dǎo)致土地大面積缺墑，直接影響春季播種。平均氣溫、冬季降雪、土壤底墑、土壤表墑、風(fēng)力等多種因素影響土壤墑情指標(biāo)，土壤墑情又是反映旱情最直接的重要指標(biāo)。目前采用的土壤墑情監(jiān)測方式主要有人工監(jiān)測、移動監(jiān)測及自動監(jiān)測3種。人工監(jiān)測方式采用的是烘干法，土壤水分自動采集方式采用的是介電法。該方法主要包括時域反射法（TDR）和頻域法（FDM）。其中頻域法（FDM）中的頻域反射法（FDR）最為普遍，本次試驗中使用到的便攜式土壤水分自動采集儀就屬該方法。

頻域反射法（FDR）是通過被測介質(zhì)中介電常數(shù)隨土壤含水量變化而變化原理來測定土壤含水量的，主要根據(jù)土壤水分傳感器發(fā)出的電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中反饋電磁波的不同，計算出被測土壤的含水量［1］。相比較人工烘干法，采用這種方法不僅減輕了勞動強(qiáng)度，而且提高了土壤墑情監(jiān)測的機(jī)動性和實效性，也大幅提高了監(jiān)測的頻次。

國內(nèi)土壤墑情自動監(jiān)測技術(shù)起步較晚但發(fā)展速度非?？?，目前很多廠商研發(fā)了多款基于頻域反射法（FDR）的土壤水分自動采集儀。在土壤墑情自動監(jiān)測方面，2007年遼寧省在西部易旱地區(qū)建設(shè)了多個土壤墑情自動測報站。在此基礎(chǔ)上又配置了便攜式土壤水分自動采集儀。為了提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，更好地發(fā)揮土壤水分自動采集儀的作用，選擇遼寧省中部平原地區(qū)燈塔市五星鎮(zhèn)黃臘坨村（E122°57′N41°29′）及東部山丘地區(qū)遼陽縣河欄鎮(zhèn)二道河子村（E123° 24′E41°0′）兩處土壤墑情監(jiān)測實驗點，開展了土壤水分自動采集儀的參數(shù)率定及對比實驗。

2 參數(shù)率定

2.1 率定原理

土壤水分自動采集儀所采用的SMS01型土壤水分傳感器屬于頻域法儀器，工作頻率范圍在20～150M，由電路可將介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為直流電壓，該電壓值在廣泛的工作范圍內(nèi)與土壤含水量直接相關(guān)。理論上該類型的土壤水分傳感器數(shù)學(xué)模型是一個三次多項式。在對傳感器率定時，將傳感器在土壤含水量系列中進(jìn)行測試，同步測量其輸出電壓，最終得到一組含水量，電壓數(shù)據(jù)，再通過回歸分析擬合成一元三次多項式，確定回歸系數(shù)，即可得到傳感器的特性方程［2］。

2.2 土壤取樣

兩處實驗點選擇在農(nóng)作物種植區(qū)內(nèi)，選取能代表當(dāng)?shù)赝寥李愋偷奶烊煌翆尤⊥翗?，取樣?0cm，土樣總量不低于3kg，裝入塑料袋并用記號筆在取樣袋上標(biāo)記土樣相關(guān)信息。

2.3 參數(shù)設(shè)定

參照《便攜式土壤水分自動采集儀操作手冊》［3］，率定實驗前將便攜式土壤水分自動采集儀初始公式設(shè)置為：

+000.0000+000.0000+000.0100+000.0000

即將公式三次方系數(shù)、二次方系數(shù)、常數(shù)項設(shè)為零。這時測量土壤含水率，儀器設(shè)備讀數(shù)即為傳感器電壓。

2.4 率定方法

2.4.1 土樣處理

土樣的處理參照SL364—2006《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》［4］，取實驗站點作物種植區(qū)原狀態(tài)土壤去除石子，植物根莖等雜質(zhì)，裝入環(huán)刀并網(wǎng)蓋和濾紙，底部用吸水石板，防止土壤丟失，在水中浸泡2d，剩余土樣備用。

2.4.2 測量飽和含水量

取出浸泡好的土樣，稱重并記錄。將自動采集儀傳感器垂直緩慢地插入環(huán)刀內(nèi)，保證傳感器探針時沒有接觸到環(huán)刀內(nèi)壁，保證探針不暴露在空氣中，并與土壤緊密接觸。直到傳感器探針完全沒入土中，測量并記錄傳感器電壓。

2.4.3 測量田間持水量

飽和含水率測量完畢，將環(huán)刀取出用薄膜包裹，懸置自然排水2d后，稱重并記錄。再次插入傳感器，測量傳感器電壓。

2.4.4 測量土樣不同含水量

田間持水率測量完畢，將環(huán)刀懸置一定時間，將環(huán)刀內(nèi)土樣取出，放入不銹鋼托盤攤開晾曬2h后，裝回環(huán)刀，稱重并記錄后測量電壓。傳感器測得土樣電壓低于0.5V時，可停止率定。保證取得數(shù)據(jù)不少于12組，率定結(jié)束后對土樣進(jìn)行烘干稱重。

2.5 參數(shù)率定結(jié)果

以土壤水分傳感器測量電壓V的平均值為自變量，以對應(yīng)土壤重量含水量ω為因變量，采用最小二乘法擬合成三次多項式ω=aV3+bV2+cV+d，該多項式即為對應(yīng)站點土壤參數(shù)公式。二道河子實驗站點土壤重量含水量與傳感器測量電壓關(guān)系率定結(jié)果如圖1。

圖1 二道河子土壤重量含水量與傳感器測量電壓關(guān)系

3 對比實驗

3.1 地點和時間

在前期參數(shù)率定的基礎(chǔ)上，開展土壤水分自動采集儀與人工采集的對比實驗。選擇黃臘坨村和二道河子村兩處實驗地點是考慮到兩地不同的土壤類別、作物種植結(jié)構(gòu)和區(qū)域氣候條件。兩站點分別代表平原區(qū)和山丘區(qū)，平原區(qū)屬遼河下游平原，耕地為淤土、黃土，以種植水稻為主，山丘區(qū)屬棕色森林土地帶，這一地帶耕地多為山地砂石土與淤土，以種植水果、玉米、谷子等為主。對比實驗期為2013年5～10月，基本涵蓋了農(nóng)作物的整個生長周期。

3.2 實施方案

實驗期內(nèi)土壤水分自動采集儀數(shù)據(jù)與人工烘干法墑情數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行。每月每站點對比實驗不少于3次，每次對比實驗時間間隔不少于5d。每站點對比實驗總次數(shù)應(yīng)不少于15次，采集不同含水量時的實驗數(shù)據(jù)。實驗選取平整且不易積水的作物種植地塊，采用垂向三點法布設(shè)，垂向測點深度分別為10，20，40cm。開挖50cm×50cm垂直剖面測量溝槽，土壤水分自動采集儀傳感器垂直于土層剖面、平行于地面插入。傳感器中心針正對測點深度位置。傳感器的探針部分完全插入土壤中并壓實，測量點應(yīng)盡量避開孔穴、石子、根莖較多的地方，對比實驗野外測量取樣現(xiàn)場如圖2。

圖2 對比實驗野外測量取樣現(xiàn)場

每插入土層一次取出后應(yīng)清理干凈傳感器探針附帶的土壤。每次使用土壤水分自動采集儀采集數(shù)據(jù)前及采集后，使用對應(yīng)參數(shù)公式進(jìn)行傳感器校驗，實驗結(jié)束后按原狀土進(jìn)行回填，每次實驗采樣點間距不小于1m。

3.3 數(shù)據(jù)記錄

為分析土壤水分自動采集儀在同一地點同一含水率的土層中的測量誤差，每站點每次采集儀與人工分別測量采樣9次，即在3個土層中各采集3組數(shù)據(jù)取用平均值，相關(guān)數(shù)據(jù)記入《墑情對比實驗記錄表》。

3.4 數(shù)據(jù)處理

采用人工烘干法數(shù)據(jù)結(jié)果檢測土壤水分自動采集儀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。烘干法直接測量土壤重量含水量，采集足夠多的土壤樣本，這種方法也是目前認(rèn)為最為精確的土壤墑情測量方法。使用人工烘干法標(biāo)定土壤水分自動采集儀。數(shù)據(jù)編入《墑情數(shù)據(jù)對比分析表》，并計算土壤水分自動采集儀數(shù)據(jù)相對人工烘干法數(shù)據(jù)誤差，黃臘坨實驗站點墑情數(shù)據(jù)對比分析如表1。

表1 黃臘坨實驗站點10cm墑情數(shù)據(jù)對比分析

繪制每站點分層土壤水分自動采集儀數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)過程線圖，黃臘坨站點10cm墑情數(shù)據(jù)過程線如圖3。

圖3 黃臘坨站點10cm墑情數(shù)據(jù)過程線

4 綜合分析

通過黃臘坨和二道河子實驗站點3個土層實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，土壤水分自動采集儀數(shù)據(jù)的總體變化趨勢與人工數(shù)據(jù)相同，準(zhǔn)確性指標(biāo)總體偏低［5］。在黃臘坨實驗站點自動采集儀數(shù)據(jù)較人工數(shù)據(jù)總體偏大，在二道河子實驗站點自動采集儀數(shù)據(jù)較人工數(shù)據(jù)總體偏小。以SL364—2006《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》要求土壤含水量的量測誤差|δ|≤2.5%作為準(zhǔn)確性控制指標(biāo)進(jìn)行分析，對比實驗中黃臘坨實驗站點土壤水分自動采集儀的準(zhǔn)確性指標(biāo)為23%，二道河子實驗站點土壤水分自動采集儀的準(zhǔn)確性指標(biāo)為34%。對比實驗中黃臘坨實驗站點最大相對誤差23.5%，二道河子實驗站點最大相對誤差－20.11%。均超出SL364—2006《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》要求的土壤含水量量測誤差要求范圍。分析土壤水分自動采集儀誤差大的主要原因是使用采集儀監(jiān)測土壤含水量需通過土壤含水量轉(zhuǎn)化為傳感器電壓，再由傳感器電壓通過率定公式轉(zhuǎn)換為土壤重量含水率，在這兩個轉(zhuǎn)換過程都存在不同程度的誤差［5］。累積誤差導(dǎo)致自動采集儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性指標(biāo)總體偏低。

5 結(jié)語

此次參照SL364—2006 《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》制定實驗規(guī)程，并通過便攜式土壤水分自動采集儀的整體對比實驗，在整個實驗過程中，每次均在實驗前、后對傳感器進(jìn)行校正，設(shè)備在采集過程中未出現(xiàn)故障，測量過程中也無數(shù)據(jù)跳變，說明其產(chǎn)品的穩(wěn)定性是有保障的。最后從對比實驗綜合分析結(jié)果來看，便攜式土壤水分自動采集儀在對要求精度不高的干旱應(yīng)急監(jiān)測中方面有測報一體的速度優(yōu)勢。

［1］張憲，姜晶，王勁松.基于FDR技術(shù)的土壤水分傳感器設(shè)計［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（11）：61-65.

［2］鄧英春，付奔，馬紹雄，等.關(guān)于介電法土壤水分傳感器參數(shù)率定問題的商榷［J］.江淮水利科技，2007（1）.

［3］北京慧圖信息科技有限公司，HT/QR 09-01A HT-SMAAV型便攜式土壤水分自動采集儀操作手冊［R］.2009.

［4］SL364—2006，土壤墑情監(jiān)測規(guī)范［S］.

［5］楊建青，王吉星，章樹安，等.土壤水分監(jiān)測儀器野外對比測試分析研究［J］.水文，2012，32（5）.