土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)研究

劉漢臣

(黑龍江省齊齊哈爾水文局，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

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土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)研究

劉漢臣

(黑龍江省齊齊哈爾水文局，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

摘要：土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器主要有：張力計(jì)法、中子水分儀、頻域反射法和時(shí)域發(fā)射法，目前國內(nèi)外常用的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是時(shí)域反射法和頻域反射法儀器。時(shí)域反射法和頻域反射法均是基于介電法原理，通過測(cè)量土壤介電常數(shù)的變化，間接測(cè)定土壤含水量。

關(guān)鍵詞：土壤；墑情；自動(dòng)監(jiān)測(cè)；儀器；原理

0引言

中國是一個(gè)水旱災(zāi)害頻發(fā)的國家，干旱災(zāi)害是影響我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的主要自然災(zāi)害之一。土壤含水量是影響農(nóng)作物生長的關(guān)鍵要素，是反映干旱程度的重要指標(biāo)，干旱通過土壤含水量銳減對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成損失。因土壤含水量是重要的旱情信息，其監(jiān)測(cè)對(duì)抗旱工作意義重大。土壤水分是影響徑流形成的重要因素，通過長期的土壤含水量的監(jiān)測(cè)積累資料，對(duì)水文學(xué)基礎(chǔ)研究也是十分有益的。土壤含水量的監(jiān)測(cè)起因于農(nóng)業(yè)抗旱的需要，因此長期以來被稱為土壤墑情監(jiān)測(cè)。

土壤墑情監(jiān)測(cè)過去主要通過人工觀測(cè)。人工觀測(cè)采用烘干法測(cè)定土壤含水量，人工野外采集土樣，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)土樣秤重，烘干土樣再秤重，通過比較原始土樣和烘干后土樣的重量差別計(jì)算出土壤的重量含水量。

烘干法雖能得到精確觀測(cè)結(jié)果，但比較費(fèi)工耗時(shí)，信息的時(shí)效性較差。隨著近年來我國大面積旱災(zāi)的頻繁發(fā)生，在一些易旱地區(qū)逐步建設(shè)了土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)了土壤墑情信息的自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸，提高了土壤墑情監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)性。土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)水文部門是一個(gè)新生事務(wù)，充分認(rèn)識(shí)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的工作原理和性能對(duì)做好土壤墑情監(jiān)測(cè)工作是十分必要的。

1土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的原理

土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器主要有：張力計(jì)法、中子水分儀、頻域反射法和時(shí)域發(fā)射法，目前國內(nèi)外常用的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是時(shí)域反射法和頻域反射法儀器。時(shí)域反射法和頻域反射法均是基于介電法原理，通過測(cè)量土壤介電常數(shù)的變化，間接測(cè)定土壤含水量。

介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，最終介質(zhì)中電場(chǎng)與原外加電場(chǎng)(真空中電場(chǎng))的比值即稱為相對(duì)介電常數(shù)，又稱相對(duì)電容率。室溫下的相對(duì)介電常數(shù)：水約為80、干土為3～5、空氣為1，水的介電常數(shù)較干土和空氣都大，因此土壤含水量越大其相對(duì)介電常數(shù)也越大。土壤介電常數(shù)與含水量是一個(gè)非線性函數(shù)，可用臺(tái)勞多項(xiàng)式逼近。

(1)

式中：θv為土壤容積含水量。%；εr為土壤相對(duì)介電常數(shù)；a0、a1、a2、an為由土壤特性確定的系數(shù)。按照《土壤墑情監(jiān)測(cè)范規(guī)》規(guī)定取到多項(xiàng)式的三次方項(xiàng)即可。

頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry，簡(jiǎn)稱FDR)通過測(cè)量土壤介電常數(shù)變化引起的儀器振蕩頻率的變化測(cè)量土壤含水量。傳感器主要由一對(duì)圓形金屬環(huán)組成一個(gè)電容，利用土壤充當(dāng)電介質(zhì),電容與振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路，傳感器電容量與兩級(jí)間被測(cè)土壤介質(zhì)的介電常數(shù)成正比關(guān)系。當(dāng)土壤中的水分增加時(shí)，其介電常數(shù)相應(yīng)增大，測(cè)量時(shí)傳感器給出的電容值也隨之上升，相應(yīng)的傳感器的測(cè)量頻率也會(huì)發(fā)生變化，由此測(cè)得土壤的體積含水量。FDR法采用了相對(duì)較低的工作頻率,一般在100～150 MHz，在測(cè)量電路上易于實(shí)現(xiàn)，造價(jià)較低，是目前我國應(yīng)用最為廣泛的一類土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器。

振蕩頻率計(jì)算公式為：

(2)

式中：F為振蕩頻率；L為電感；C為電容。電容與介電常數(shù)成正比關(guān)系：

C=kεrε0

(3)

式中：ε0為真空絕對(duì)介電常數(shù)，ε0=8.85×e-12F/m；k為系數(shù)。由土壤體積含水量和介電常數(shù)的關(guān)系式(1)及式(2)、式(3)可知，振蕩器頻率與土壤體積含水量成非線性反比關(guān)系。

利用土壤水分傳感器在不同土壤含水量中的歸一化頻率SF變化來測(cè)量土壤體積含水量：

(4)

式中：Fa為放置于空氣中所測(cè)得的頻率；Fs為土壤中所測(cè)得的頻率；Fw為放置于水中所測(cè)得的頻率。輸出頻率與體積含水量的關(guān)系如下：

θv=αSFb

(5)

式中：α為由所在地土壤特性確定的常數(shù)，也可采用類似式(1)的多項(xiàng)式逼近式(5)。

式(1)和式(5)中的參數(shù)與土壤特性有關(guān)，均需要針對(duì)不同類型的土壤分別率定。

時(shí)域反射法(Time Domain Reflectometry，簡(jiǎn)稱TDR)是近年來出現(xiàn)的土壤含水量測(cè)量?jī)x器，這類儀器制造難度較大，價(jià)格也相對(duì)高，目前以國外品牌為主。時(shí)域反射法，通過測(cè)定電磁波在土壤中固定傳輸線路上的傳輸時(shí)間確定土壤得介電常數(shù)，其原理依據(jù)：電磁波沿電纜或線路傳播時(shí)在阻抗不連續(xù)處會(huì)發(fā)生反射，電磁波沿電纜傳播的速度與周圍介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的平方根成反比，即：

(6)

式中：v為電磁波在介質(zhì)中傳播的速度；c為電磁波在真空中傳播的速度。

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)具有陡峭上升沿的階躍電壓信號(hào)，以電磁波的形式沿同軸電纜和埋入土壤中的探針傳播，由于同軸電纜和探針的阻抗不同，部分電磁波在同軸電纜與探針的連接處(探針首端)發(fā)生反射并沿同軸電纜傳回；剩下的電磁波沿探針繼續(xù)傳播，在探針末端被全部反射并傳回。這兩部分反射信號(hào)均被高速采樣示波器記錄下來，根據(jù)示波器捕捉到它們的時(shí)間差計(jì)算土壤的相對(duì)介電常數(shù)：

(7)

式中：t2為探針末端反射的信號(hào)被示波器捕捉的時(shí)間；t1為探針首端反射的信號(hào)被示波器捕捉的時(shí)間；l為探針的長度。

可用類似于式(1)的公式將相對(duì)介電常數(shù)轉(zhuǎn)換為土壤的體積含水量。

圖1　時(shí)域反射法土壤水分

2土壤墑情自動(dòng)監(jiān)精度的討論

使用任何儀器量測(cè)任何物理量，精度都是至關(guān)重要的，只有精度滿足要求的測(cè)量數(shù)據(jù)才有意義。開展土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)對(duì)其監(jiān)測(cè)精度，影響監(jiān)測(cè)精度的因素，監(jiān)測(cè)精度的改進(jìn)方法有所認(rèn)識(shí)。

土壤含水量的真實(shí)值我們無法得知，能夠得到的均是各種方法的測(cè)量值，一般公認(rèn)人工烘干法的量測(cè)值相對(duì)準(zhǔn)確，因此多用人工烘干法的觀測(cè)結(jié)果校對(duì)儀器自動(dòng)監(jiān)測(cè)值。人工烘干法測(cè)量的是土壤的重量含水量，頻域反射法和時(shí)域反射法測(cè)量的是土壤的體積含水量，需將體積含水量與重量含水量進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能對(duì)比，轉(zhuǎn)換公式為：

θv=γθg

(8)

式中：γ為土壤干容重；θg為土壤重量含水量。

一般采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)值與人工烘干法測(cè)量值的絕對(duì)誤差衡量?jī)x器的精度，水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》中規(guī)定應(yīng)此值應(yīng)<2%,氣象局的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此值應(yīng)<5%，從面前的實(shí)際使用情況看很多廠家的儀器達(dá)不到以上標(biāo)準(zhǔn)的要求。

土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的精度，首先取決于監(jiān)測(cè)儀器的性能和質(zhì)量，主要是儀器的穩(wěn)定性和靈敏性。因此在設(shè)備采購時(shí)應(yīng)，采取制定相應(yīng)的儀器性能標(biāo)準(zhǔn)，建立市場(chǎng)準(zhǔn)入制度等措施嚴(yán)格控制質(zhì)量。

頻域反射法和時(shí)域反射法土壤含水量監(jiān)測(cè)儀，直接量測(cè)的是土壤的介電常數(shù)，通過轉(zhuǎn)換公式再得出土壤體積含水量，因此轉(zhuǎn)換公式準(zhǔn)確與否也是影響監(jiān)測(cè)精度的一個(gè)重要因素，轉(zhuǎn)換公式一般由廠家提供。廠家先制作標(biāo)準(zhǔn)土樣，再將土樣制備成已知的含水量，對(duì)土樣進(jìn)行土壤含水量測(cè)量，得出一組土壤含水量與儀器測(cè)量電信號(hào)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，最后率定出轉(zhuǎn)換公式。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)土樣，有的廠家在監(jiān)測(cè)站當(dāng)?shù)厝⊥林谱?，也有的廠家已建立了各種土壤質(zhì)地的土樣庫，無論采取那種方式其制作的標(biāo)準(zhǔn)土樣均可能與監(jiān)測(cè)站的土壤特性有所差異，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下率定出的轉(zhuǎn)換公式與野外環(huán)境下的會(huì)有所不同，廠家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)土樣的制作水平等成為決定轉(zhuǎn)換公式精度的關(guān)鍵因素。

對(duì)于轉(zhuǎn)換公式的誤差監(jiān)測(cè)部門可通過進(jìn)行人工比測(cè)校準(zhǔn)，定期對(duì)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行人工對(duì)比觀測(cè)，對(duì)比人工烘干法的測(cè)量值與儀器的自動(dòng)監(jiān)測(cè)值，對(duì)儀器自動(dòng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行系統(tǒng)校正，也可根據(jù)人工烘干法測(cè)量值與儀器監(jiān)測(cè)的電信號(hào)值重新率定轉(zhuǎn)換公式。

固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站埋設(shè)在田間，探頭周圍的土地農(nóng)民不再耕作，其降雨入滲和蒸發(fā)特性會(huì)與耕作的土壤有所不同，也會(huì)影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)附近農(nóng)田的代表性。

3結(jié)語

黑龍江省是糧食生產(chǎn)大省，土地后備資源豐富，人均占有耕地多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力大，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面有6項(xiàng)全國第一，在全國占有重要特殊位置。受大陸季風(fēng)氣候影響，我省易發(fā)生春旱夏澇，土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)在指導(dǎo)我省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，抗旱增收，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方面具有重要作用。目前我省土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)剛剛起步，還需我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦姓J(rèn)真總結(jié)檢驗(yàn)，不斷探索改進(jìn)。

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文章編號(hào)：1007-7596(2016)04-0086-03

[收稿日期]2016-03-28

[作者簡(jiǎn)介]劉漢臣(1960-)，男，遼寧法庫人，高級(jí)工程師，曾獲黑龍江省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

中圖分類號(hào)：S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B