ECH2O EC-5水分傳感器測定沙地土壤含水率的可靠性

何修道， 王 立， 黨宏忠， 韓 輝， 呂文強

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 林學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.中國林業(yè)科學研究院 荒漠化研究所，北京 100091； 3.遼寧省固沙造林研究所， 遼寧 阜新 123000)

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ECH2O EC-5水分傳感器測定沙地土壤含水率的可靠性

何修道1， 王 立1， 黨宏忠2， 韓 輝3， 呂文強1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 林學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.中國林業(yè)科學研究院 荒漠化研究所，北京 100091； 3.遼寧省固沙造林研究所， 遼寧 阜新 123000)

[目的] 對ECH2O EC-5土壤水分傳感器測定科爾沁沙地土壤含水率的可靠性進行驗證。 [方法] 以烘干法測定數(shù)據(jù)為基準值，采用回歸分析方法建立ECH2O EC-5水分傳感器測定沙地土壤含水率的校正方程，并用獨立的樣本進行驗證。 [結(jié)果] ECH2O EC-5水分傳感器測定值與烘干法測定值之間具有很好的線性回歸關(guān)系(R2=0.96)，呈顯著正相關(guān)(p<0.01)；驗證結(jié)果顯示，ECH2O EC-5土壤水分傳感器測定值經(jīng)回歸方程校正后與基準值之間的均方根誤差(RMSE)、相對均方根誤差(RRMSE)分別為0.38%和6.29%。 [結(jié)論] ECH2O EC-5土壤水分傳感器測定的沙地土壤水分值準確度較高，具有很高的可靠性。

EC-5水分傳感器; 沙地土壤水分; 校正

文獻參數(shù)： 何修道， 王立， 黨宏忠， 等.ECH2O EC-5水分傳感器測定沙地土壤含水率的可靠性[J].水土保持通報，2016,36(4)：68-71.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.012

土壤水分是土壤的重要物理參數(shù)之一，對于植物的生長具有重要的意義[1]。沙地土壤由于具有特殊的結(jié)構(gòu)與組成，其含水率往往較低，因此，水分是制約沙地植被正常生長的一個重要因素[2]，所以合理采用科學手段以準確測定沙地土壤含水率對恢復(fù)沙地植被和提高沙地農(nóng)業(yè)產(chǎn)量具有重要意義。隨著科技的不斷進步，測定土壤含水率的手段逐漸實現(xiàn)自動化監(jiān)測，保證了從時間、空間上對水分變化實現(xiàn)實時、動態(tài)的監(jiān)測[3-4]，從而節(jié)約時間和人力。但是，先進方法的可靠性與適用范圍如何，需要得到驗證。

目前測量土壤含水率的方法除了烘干法外，常見的還有時域反射儀法，即TDR法，中子儀法和ECH2O水分傳感器法等。TDR法是用一對平行棒或金屬線作為導體，土壤作為電介質(zhì)，一對棒起波導管的作用，電磁波信號在土壤中以平面波傳導，經(jīng)傳輸線一端返到TDR接收器，分析傳導速度和振幅變化，根據(jù)速度與介電常數(shù)的關(guān)系、介電常數(shù)與體積含水量之間的函數(shù)關(guān)系而得出土壤含水率[5]。該儀器價格較貴，且在鹽堿地使用過程中其測量精度較低，需進行標定[6]。中子儀法測定水分就是通過測定慢中子云的密度與水分子間的函數(shù)關(guān)系來確定土壤中的水分含量[5]。利用中子儀測定土壤水分含量，不必采土樣，不破壞土壤結(jié)構(gòu),并可定點連續(xù)監(jiān)測，從而得到該樣點土壤水分動態(tài)運動規(guī)律，且無滯后現(xiàn)象[7]，但室內(nèi)外曲線差異較大[8]，且田間不同的土壤物理性質(zhì)，如容重不同、土壤質(zhì)地不同都會造成曲線較大的移動[5]，表層測量困難，深度分辨不夠準確，也存在一定的潛在輻射危害[5,7]。ECH2O土壤水分傳感器(decagon devices inc. Pullman， WA)是傳感器測量土壤水分的一種，是美國Decagon公司根據(jù)Topp[9]等提出的土壤含水率與土壤介電常數(shù)之間存在著確定性的單值多項式關(guān)系這一原理研制出的一種土壤水分監(jiān)測器。其EC-5型水分傳感器是通過改進EC-20和EC-10型水分傳感器而來的一種新型傳感器，該傳感器發(fā)射頻率為70 MHz的方形波，以測量探針周圍土壤的介電常數(shù)，并通過數(shù)據(jù)采集器計算程序?qū)⑺鶞y得的介電常數(shù)轉(zhuǎn)換為土壤體積含水率，具有持續(xù)監(jiān)測土壤水分變化的優(yōu)點，數(shù)據(jù)記錄間隔時間最小1 s，并且能最低限度的受到溫度、鹽分、電介質(zhì)等因素對測量結(jié)果的干擾，能即時反應(yīng)土壤水分狀況[10]，并且可以同時監(jiān)測多層次土壤水分含量變化情況，ECH2O土壤水分傳感器因而能得到廣泛應(yīng)用[11-12]。目前，ECH2O土壤水分傳感器已廣泛運用于土壤水分的實時監(jiān)測中，但是在野外條件下，特別是針對不同類型土壤下測定的可靠性還需取得廣泛的驗證[13]。目前，WU Bo等[14]在毛烏素沙地的研究表明EC-5測定沙地土壤水分含量具有較好的可靠性，并建立了校正方程，該校正方程在其它沙地如科爾沁沙地(土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)有差異)是否具有足夠的可靠性仍亟待驗證，因此，本研究在野外取樣以烘干法測得結(jié)果作為標準，建立EC-5水分傳感器測定沙地土壤水分的回歸方程，并采取獨立的樣本進行方程精度的檢驗，并把校正結(jié)果與前人研究結(jié)果相比較，較系統(tǒng)地分析了EC-5水分傳感器在測定沙地土壤含水率時的可靠性。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗地位于科爾沁沙地南緣的遼寧省章古臺鎮(zhèn)，地理位置處于北緯42°43′，東經(jīng)122°22′，平均海拔高度226.5 m，屬北溫帶亞濕潤氣候區(qū)，春季干旱多偏南風，年平均氣溫為5.7 ℃，年降水量為475 mm，年蒸發(fā)量1 200～1 450 mm，生長期為150 d左右。采樣地點分3處，其中在三家子工區(qū)附近選取兩個點，其地上植被建群種分別為樟子松(Pinussylvestris)和赤松(Pinusdensifrora)，在后坨子區(qū)選擇一個點，其地上植被群種為油松(Pinustabulaeformis)。該地區(qū)20世紀50年代初為流動沙地，通過人工種植樟子松、赤松、油松林進行治理，逐漸形成具有一定規(guī)模的人工林。土壤類型為風沙土，在地下約2 m以下具有不同程度的埋藏古土分布。試驗林地情況詳見表1。

表1　林分及林地主要植被類型

1.2研究方法

為了在田間取得土壤含水率變化較大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，于2015年5月14—20日，6月29—7月6日兩個時間段內(nèi)，分別在樟子松、赤松、油松林各隨機選取樣點，用小鏟鏟去表層0.8 m×0.8 m范圍約10 cm厚的土層，垂直插入EC-5土壤水分傳感器(傳感器與北京雨根公司生產(chǎn)的RR-7120型數(shù)采器、電腦已聯(lián)接)，待穩(wěn)定10 min后記錄數(shù)據(jù)，以此方法分別測量各樣點土壤水分，每個樣點重復(fù)測量3次，記錄輸出電壓值與輸出體積含水率；同時在探針附近用鋁盒取土樣，重復(fù)3次，帶回室內(nèi)稱量后放入105 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定(12 h)，以測定土壤含水率，共測得188對水分數(shù)據(jù)。在樟子松林、赤松林、油松林地各取3個土樣，用100 cm3環(huán)刀在各林地樣點取土樣并按照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準《森林土壤水分—物理性質(zhì)的測定(LY/T1215-1999)》測定土壤容重(g/cm3)、土壤毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)等指標。于7月29日至8月3日在各樣點區(qū)域再次進行測定，對先期建議的回歸方程進行驗證。用Excel，SPSS 20.0對測得的水分數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪圖。

2　結(jié)果分析

2.1林地土壤物理性質(zhì)

根據(jù)已有的研究結(jié)果[15]，林地固定風沙土土壤粒徑主要集中在0.5～0.05 mm范圍內(nèi)，占總量的76.23%，按照我國土壤質(zhì)地分級系統(tǒng)，沙礫含量(≥0.05 mm)為77.8%，粉粒含量(<0.05 mm)為22.2%，土壤質(zhì)地較粗，同時有機質(zhì)含量較低，僅為0.38%。測定結(jié)果表明(表2)，在樟子松、赤松、油松林中，赤松林地的最大持水量、毛管持水量、田間持水量和毛管孔隙度在3種類型林地中均為最大，最大持水量分別比樟子松、油松林的高出5.99，13.41 g/kg；毛管持水量分別高出1.59，16.37 g/kg；田間持水量分別高出2.34，12.67 g/kg，毛管孔隙度分別高出0.23%，2.37%?？梢钥闯鲈谝陨蠋醉椫笜酥校退闪值厥侨咧凶钚〉?，但是其非毛管孔隙度卻是最大的(7.21%)，分別比樟子松(6.12%)、赤松(6.78%)高了1.09%和0.43%，這可能是由于油松林地同其他林地相比，土壤質(zhì)地較粗造成的。對樟子松、赤松、油松林地土壤水分物理性質(zhì)進行方差分析發(fā)現(xiàn)，各林地最大持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤容重之間沒有顯著性差異(p>0.05)。

表2　樟子松、赤松、油松林地土壤物理性質(zhì)

注：同列數(shù)據(jù)后小寫字母表示p<0.05條件下的顯著性。

2.2林地土壤水分校正

分別在樟子松、赤松、油松林地用EC-5水分傳感器、烘干法進行土壤水分測定，共取得數(shù)據(jù)188對，對EC-5水分傳感器輸出土壤水分值與烘干法實測土壤水分值進行回歸分析，以校正水分傳感器輸出值。發(fā)現(xiàn)二者具有較好的線性相關(guān)性，線性方程為：

y=0.967 7x+0.263 4(R2=0.96)

(1)

式中：y——校正后土壤水分含量 (%)；x——EC-5水分傳感器輸出土壤水分值(%)。

方程擬合較好，能解釋96%以上相關(guān)數(shù)據(jù)；根據(jù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)r=0.98，說明用兩種方法所測結(jié)果達到高度相關(guān)；另一方面，經(jīng)顯著性檢驗，校正方程顯著性水平達到顯著相關(guān)(p<0.01)。因此，校正后的土壤水分值能很好地反映用烘干法測定科爾沁沙地林地土壤水分實測值，校正后的水分值較為準確，這也直接說明用EC-5型土壤水分傳感器測定沙地林地土壤水分的結(jié)果是可信的。

為保證擬合方程校正后的土壤含水率與EC-5土壤水分傳感器輸出水分值的可靠性，于7月29日至8月3日內(nèi)再次進行試驗，并利用校正方程對所測土壤水分進行校正，并將校正后的土壤水分值與烘干法測得的實測值進行相關(guān)性分析，由分析結(jié)果可知，經(jīng)校正方程校正后的土壤水分值與烘干法實測值之間相關(guān)性顯著，該校正方程校正后的土壤水分值具有較高的準確性和穩(wěn)定性。

對所測土壤水分校正前和校正后的土壤水分傳感器輸出水分值分別與烘干法測定土壤水分值做絕對誤差(D)、相對誤差(RD)、均方根誤差(RMSE)和相對均方根誤差(RRMSE)計算，計算結(jié)果詳見表3。經(jīng)計算，校正前、后土壤水分傳感器輸出水分值與烘干法所測土壤水分值的絕對誤差范圍分別為-1.10%～1.0%和-0.92%～1.03%，相對誤差范圍分別為-33.82%～22.5%和-27.64%～18.85%，均方根誤差分別為0.41%和0.38%，相對均方根誤差分別為6.75%和6.29%。從以上結(jié)果來看，以烘干法所測得的實測土壤水分值為標準，校正前、后的土壤水分輸出值與實測土壤水分值的誤差變化范圍較為接近，校正后土壤水分輸出值的均方根誤差和相對均方根誤差比校正前略低。同時，經(jīng)單因素方差分析，結(jié)果表明校正前后水分傳感器輸出值與烘干法實測值之間差異不顯著(p>0.05)，說明水分傳感器輸出結(jié)果較為穩(wěn)定，水分傳感器所測得的結(jié)果是真實可靠的。

表3　　　　EC-5輸出土壤水分值校正前、后與

WU Bo[14]在毛烏素沙地對EC-5土壤水分探頭所測土壤水分值進行了相關(guān)校正試驗[14]，得到了校正方程：

y=0.151 6～1.501×10-3mV+3.218×10-6mV2

(R2=0.95)

(2)

式中：y——土壤含水率%； mV——EC-5傳感器輸出電壓值。

該校正方程在毛烏素沙地土壤水分研究中起到了重要作用?，F(xiàn)將本次試驗所測所有電壓值帶入公式(2)，并將所得土壤水分值與經(jīng)公式(1)校正后的水分值進行方差分析，結(jié)果表明，毛烏素沙地土壤水分校正方程校正后的水分值分別與本試驗的校正水分值差異性顯著(p<0.05)(圖1)，校正土壤水分值變化范圍分別為2.01%～24.05%和1.81%～21.39%。公式(1)校正的水分值與烘干法實測值差異不明顯(p>0.05)，說明為準確研究土壤水分變化，在用EC-5水分傳感器研究沙地土壤水分過程中，應(yīng)對傳感器做相應(yīng)的水分校正，以達到準確研究沙地土壤水分變化的目的。

圖1　不同校正方程校正結(jié)果對比

3　討 論

以烘干法為基準，對EC-5土壤水分傳感器進行野外校正試驗。試驗結(jié)果表明，EC-5土壤水分傳感器輸出土壤水分值與烘干法測定水分值之間有顯著線性相關(guān)關(guān)系，對毛烏素沙地土壤水分相關(guān)研究也表明二者呈線性關(guān)系[11,16]。有關(guān)研究[12,17]表明，溫度對EC-5土壤水分傳感器測量結(jié)果影響并不明顯，土壤溫度從3 ℃緩慢變化到38 ℃，土壤水分傳感器輸出值僅增長了1%[17]；研究人員在毛烏素沙地土壤水分的研究結(jié)果表明日間空氣溫度波動范圍為在41 ℃左右時，10 cm深度表層土壤水分測定結(jié)果比烘干法實測值大0.005 3 m3/m3，隨著深度增加，溫度影響逐漸減小，溫度對測定結(jié)果影響可忽略[14]。但是對表層土壤(5 cm)的水分與熱量的研究卻表明，隨著土壤溫度的變化，土壤水分與其呈顯著相關(guān)關(guān)系[18]，所以針對溫度對EC-5水分傳感器測定結(jié)果的影響還需做進一步研究。本研究由于是在密度較大的喬木林地，所以地溫變化對測定結(jié)果的影響可以忽略不計。

在野外條件下測定土壤水分狀況，應(yīng)根據(jù)實地情況考慮環(huán)境因素對EC-5土壤水分傳感器測定過程的影響，選取關(guān)鍵因素對EC-5土壤水分傳感器做出校正，忽略影響較小的因子，以便對不同條件下的測量精度做出正確估計。單就本次試驗來看，在試驗過程中忽略溫度對測定結(jié)果的影響，EC-5土壤水分傳感器輸出結(jié)果同烘干法實測土壤水分值呈顯著相關(guān)關(guān)系，說明該土壤水分傳感器輸出值能正確反映土壤水分實測值，測得結(jié)果真實可靠，溫度對該水分傳感器測定結(jié)果影響不大。此次試驗所得沙地土壤水分校正方程能準確估算土壤含水率，結(jié)果可靠。

4　結(jié) 論

通過對沙地樟子松、赤松、油松林地采用EC-5土壤水分傳感器、烘干法以測定沙地土壤含水率，經(jīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)二者所測結(jié)果具有一元線性相關(guān)性(R2=0.96)，二者具有顯著線性相關(guān)性(p<0.01)，說明校正方程模擬結(jié)果良好，EC-5水分傳感器測定結(jié)果較為穩(wěn)定。傳感器輸出水分值與烘干法測得實測土壤土壤水分值相差不大，經(jīng)校正方程校正后，有96%以上的數(shù)據(jù)接近土壤含水率實測值。通過運用毛烏素沙地土壤水分校正方程與本文所得校正方程的對比分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)兩種校正方程校正后的水分值之間差異顯著。因此，不同研究地區(qū)的土壤水分校正方程不能應(yīng)用于所有研究地區(qū)，應(yīng)針對不同的研究區(qū)對EC-5土壤水分傳感器進行相應(yīng)的水分校正試驗，建立相應(yīng)的水分校正方程，才能對研究區(qū)域進行準確的土壤水分含量變化研究，為沙地土壤水分研究提供理論依據(jù)。

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Reliability of ECH2O EC-5 Sensor in Measuring Sandy Soil Water Content

HE Xiudao1， WANG Li1， DANG Hongzhong2， HAN Hui3， Lü Wenqiang1

(1.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou，Gansu730030,China;2.InstituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China;3.LiaoningProvinceSand-fixationandAfforestationResearchInstitute,Fuxin，Liaoning123000,China)

[Objective] The soil water content in Horqin sandy land was measured by ECH2O EC-5 sensor to validate the reliability of the sensor. [Methods] Values obtained by weighting method was compared with the ones of ECH2O EC-5 sensor measurement, and calibrated with regression analysis. [Results] The equation of water correction between the values of weighting method and the ones of sensor measurement for the sandy land was a linear function(R2=0.96,p<0.01). The validation results showed that the root mean square error(RMSE) and relative root mean square error(RRMSE) between the soil water contents predicted by regression equation and the contrast standard values were 0.38%, 6.29%, respectively. [Conclusion] Soil water contents measured by ECH2O EC-5 sensor for sandy land were accurate and reliable.

EC-5 sensor; soil water content of sandy soil; correction

2015-09-01

2015-09-25

國家基礎(chǔ)科學發(fā)展計劃(973)項目“沙區(qū)土壤水分時空分布格局與區(qū)域分異規(guī)律”(2013CB429901)

何修道(1988—)，男(漢族)，甘肅省張掖市人，碩士研究生，研究方向為水土保持。E-mail:xiudaohe@sina.com。

王立(1963—)，男(漢族)，甘肅省天水市人，博士，副教授，碩士生導師,主要從事水土保持與荒漠化防治、土壤侵蝕、抗旱植物研究工作。E-mail:wangli@gsau.edu.cn。

B

1000-288X(2016)04-0068-04

S152.7