自動土壤水分采集儀標定技術(shù)

徐 凱，徐加林，徐立萍

（吉林省墑情監(jiān)測中心，吉林長春130033）

自動土壤水分采集儀標定技術(shù)

徐 凱，徐加林，徐立萍

（吉林省墑情監(jiān)測中心，吉林長春130033）

為了提高土壤墑情監(jiān)測工作的時效性，吉林省建立了固定自動墑情站和旱情應急監(jiān)測站，但是采用土壤水分采集儀進行旱情監(jiān)測尚處于初級階段，文中根據(jù)多年墑情監(jiān)測工作經(jīng)驗、有關(guān)文獻成果，結(jié)合抗旱工作實際需求，對自動土壤水分采集儀監(jiān)測與標定應用技術(shù)進行了分析研究，對以后的土壤墑情監(jiān)測開展具有一定的指導作用。

自動土壤水分采集儀；標定技術(shù)；標定實驗

受地理氣候等因素影響，吉林省成為旱災頻發(fā)的省份，旱災的發(fā)生頻率及發(fā)生范圍均呈逐年擴大趨勢，土壤墑情監(jiān)測是吉林省旱情動態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容。為提高土壤墑情監(jiān)測工作的時效性，吉林省已經(jīng)建立了固定自動墑情站和旱情應急監(jiān)測站，但是采用土壤水分采集儀進行旱情監(jiān)測尚處于初級階段，對該類儀器設備性能指標認識、監(jiān)測能力水平、管理使用效率等處于研究和探索階段。根據(jù)多年墑情監(jiān)測工作經(jīng)驗、有關(guān)文獻成果，結(jié)合抗旱工作實際需求，對自動土壤水分采集儀監(jiān)測與標定應用技術(shù)進行了分析研究，對以后的土壤墑情監(jiān)測開展具有一定的指導作用，是及時掌握墑情變化、準確進行旱情等級評價、指導農(nóng)業(yè)抗旱減災、科學灌溉的重要前提和基礎(chǔ)。

1 標定技術(shù)

1.1 方法概述

利用烘干法和土壤水分采集儀分別監(jiān)測土壤含水量，同時計算土壤水分采集儀傳感器輸出電壓，測取不同量級土壤含水量的傳感器輸出電壓與烘干法測得含水量多組數(shù)據(jù)，創(chuàng)建土壤水分輸出曲線即傳感器輸出電壓與烘干法測得含水量關(guān)系線，數(shù)值化的土壤水分輸出曲線（數(shù)學表達式）即是土壤水分采集儀的率定公式。

1.2 標定流程

主要包括土壤水分采集、土壤水分輸出曲線建立和公式校正等操作過程。其中，土壤水分采集采取土壤水分采集儀召測和人工烘干法兩種方法同時監(jiān)測，分別測取傳感器輸出電壓和土壤含水量；傳感器輸出電壓通過設定的土壤水分采集儀初始參數(shù)方式進行計算。

1.3 電壓值提取方法

在采集儀數(shù)據(jù)顯示界面按“確定”鍵進入主菜單，在菜單界面選擇傳感器參數(shù)設置按“確定”鍵，進入傳感器方程設置，可以記錄和修改傳感器方程4個系數(shù)。首先記錄4個系數(shù)，分別是常數(shù)項D、一次項系數(shù)C、二次項系數(shù)B、三次項系數(shù)A，推求傳感器電壓值。即采集儀公式為y=Ax2+Bx2+ Cx+D，已知采集儀監(jiān)測數(shù)據(jù)土壤重量含水量y，求解電壓值x。求解方法一是試算法,利用逐步逼近法在Microsoft Excel中進行試算，選取不同電壓值，計算出土壤含水量，直至選取電壓值與采集儀讀數(shù)接近，該電壓值即為所求；二是單變量求解法,在Microsoft Excel表格中，以“工具”中“單變量求解”功能來實現(xiàn)，“目標單元格”為采集儀初始公式，“目標值”為采集儀讀取的土壤含水量值。“可變單元格”為電壓值x。

1.4 創(chuàng)建計算公式

根據(jù)計算出的土壤水分傳感器輸出的電壓值作為x軸，烘干法計算出的土壤含水量作為y軸，利用Microsoft Excel中“圖表”中的“XY散點圖”繪圖功能，通過添加趨勢線，建立關(guān)于x，y的公式，即為率定公式：

2 標定實驗

1）在墑情站觀測場以土壤水分采集儀傳感器為中心，建立2 m×2 m的實驗區(qū)。

2）為達到采集儀標定的目的，土壤含水量應從低值到高值都具有監(jiān)測數(shù)據(jù)，也就是地塊從飽和到干旱分不同過程進行監(jiān)測。

3）采集儀監(jiān)測土壤含水量時，在實驗區(qū)用鋁盒取土30～50 g，作為烘干法土壤含水量監(jiān)測樣本。

4）獲取土壤含水量高值，可在大量級、長歷時的天然降水監(jiān)測土壤含水量；或者采用淹灌法，在建立的2 m×2 m實驗區(qū)，用堅實土埂筑起，人工模擬降水進行灌溉，使其達到飽和，然后根據(jù)土壤質(zhì)地，在下滲幾小時后開始采集儀與人工烘干法對比監(jiān)測。

5）獲取土壤含水量中低值，可以在適墑期間和旱情嚴重（多日無雨）時，進行采集儀與人工烘干法同時對比監(jiān)測。

6）根據(jù)采集儀召測含水量值變化在3%～5%時，進行監(jiān)測，以獲取不同量級土壤含水量值。

7）每一個傳感器輸出電壓與該電壓對應的烘干法土壤含水量為一組實驗樣本，每個量級實驗樣本數(shù)為2～3組，即低含水量（含水量小于10%）、中等含水量（含水量為10%～20%）和高含水量（含水量大于20%）均為2～3組，總實驗樣本數(shù)以6～9組為宜。

8）烘干法推求土壤重量含水量計算公式：

式中：ω為土壤重量含水量，%；w1為濕土+鋁盒的重量，g；w2為干土+鋁盒的重量，g；w0為鋁盒的重量，g。

將鋁盒盒蓋打開并放到盒下整體放入烘干箱中，恒溫105℃進行烘干8 h，分別記錄w2的重量。

9）根據(jù)測取不同量級土壤含水量的傳感器輸出電壓與烘干法測得含水量多組數(shù)據(jù)，創(chuàng)建土壤水分輸出曲線即傳感器輸出電壓與烘干法測得含水量關(guān)系線，數(shù)值化的土壤水分輸出曲線（數(shù)學表達式）即為土壤水分采集儀的率定公式。

3 建立標定公式舉例

3.1 土壤重量含水量的計算

大布蘇站10 cm土層深度土壤含水量采用烘干法計算，人工烘干法及墑情自動監(jiān)測法采集土壤含水量信息數(shù)據(jù)見表1。

表1 大布蘇站土壤含水量烘干法計算表

按公式（2）計算出土壤重量含水量，根據(jù)計算出來的3個重量含水量值進行分析，排除誤差大的值即39.9%，重量含水量應該取其他兩組平均值36.5%。

3.2 電壓值的計算

將大布蘇站傳感器初始參數(shù)代入公式（1），即設備參數(shù)公式為y=0.033 7x3-0.042 6x2+0.200 8x-0.004 1。采集儀讀取含水量值y=61.6%，以試算法和單變量求解法，電壓值x=2.25 V，實際工作中選擇1種計算方法即可。

1）試算法：利用逐步逼近法在Microsoft Excel中進行試算，選取不同電壓值，計算出土壤含水量，直至選取電壓值與采集儀讀數(shù)接近，該電壓值即為所求。電壓值試算結(jié)果見表2。

表2 電壓值試算表

2）單變量求解法

在Microsoft Excel表格中，以“工具”中“單變量求解”功能來實現(xiàn)，“目標單元格”為采集儀初始公式，“目標值”為采集儀讀取的土壤含水量值，“可變單元格”為電壓值x。

3.3 創(chuàng)建公式

不同量級土壤含水量，采集儀讀取土壤含水量計算的電壓值與烘干法測得土壤含水量統(tǒng)計見表3，采集儀初始公式為y=0.033 7x3-0.042 6x2+ 0.200 8x-0.004 1。

表3 大布蘇站烘干法土壤含水量與電壓值統(tǒng)計表

傳感器輸出電壓0.50～2.25 V，對應的土壤含水量0.085～0.365，利用Microsoft Excel中“圖表”中的“XY散點圖”繪圖功能，點繪傳感器輸出電壓x為x軸，烘干法土壤含水量ω為y軸，通過“添加趨勢線”，在“類型”中選擇多項式，階數(shù)為“3”，在“選項”中選擇“顯示公式”。大布蘇墑情站標定公式見圖1。

圖1 大布蘇墑情站標定公式圖

3.4 傳感器系數(shù)設置

一元三次方程y=0.074 2x3-0.270 6x2+0.426 7x-0.069 7是此種土壤的特性曲線，即土壤水分采集儀的率定公式。按上述打開采集儀LCD顯示器，在數(shù)據(jù)顯示界面按“確定”鍵進入主菜單，在菜單界面選擇傳感器參數(shù)設置按“確定”鍵進入傳感器方程設置，修改傳感器方程4個系數(shù)，x代表傳感器輸出電壓值，y代表含水量。設備自動采集出一個x值，通過此公式計算出土壤的含水量。

4 標定公式檢驗

1）標定后的采集儀需進行公式校正檢驗（已標定的采集儀監(jiān)測的土壤含水量和烘干法監(jiān)測的土壤含水量對比實驗），達到檢驗標準，方可投入生產(chǎn)使用。

2）公式校正檢驗數(shù)據(jù)不少于6次。若通過檢驗，即可設置為此地塊的率定公式；若儀器未通過檢驗，分析查找原因，排除儀器故障原因后，對建立的土壤水分輸出曲線進行完善，再進行檢驗；若仍達不到檢驗標準，應對傳感器進行更換。

3）公式校正檢驗標準的評價指標：烘干法測得土壤含水量與采集儀測得土壤含水量的多次誤差均值σ小于等于4%。

計算公式為：

式中：xi為儀器觀測值；ai為標準值（烘干法測定值）；N為對比觀測次數(shù)；σ為對比觀測含水量多次誤差均值。

4）公式校正檢驗需定期進行，每年校正一次。檢驗時機可選擇為：春季（土壤解凍融化以后）、夏季（降水致使土壤達到飽和以后）或發(fā)生嚴重干旱時期。

5）若更換傳感器應對該套儀器重新進行標定。

5 注意事項

1）烘干法取土宜用筒鉆采樣；

2）取土遠離傳感器位置20 cm以上，避開傳感器和電纜線；

3）取土后鉆孔用土及時回填好，防止雨水順鉆孔直接下滲；

4）標定時應盡可能在不同量級的土壤含水量實驗樣本中均有分布；

5）烘干法與采集儀監(jiān)測的土壤含水量單位必須統(tǒng)一。即均為重量含水量或體積含水量。

［1］吉林省墑情監(jiān)測中心.移動土壤墑情監(jiān)測方法與技術(shù)要求試驗［R］.2013.

［2］SL364-2015，土壤墑情監(jiān)測規(guī)范［S］.2015.

S163；S152.7

B

2016-08-20