幾種土壤參數(shù)測定儀器的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定

徐倩　劉玉春　潘秋艷　姜紅安　李晶

摘要：對(duì)土壤含水率、電導(dǎo)率和pH值等參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測定是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的前提，對(duì)我國目前科研和生產(chǎn)中常用的幾種土壤參數(shù)測定儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，分析這些儀器測試結(jié)果的可靠性。結(jié)果表明TDR和土壤電導(dǎo)率儀測定土壤含水率和電導(dǎo)率的精度較高、操作簡單；土壤酸堿度儀和三合一測定土壤含水率具有較好的精度、且測定快速簡單，穩(wěn)定性好，在使用時(shí)根據(jù)土壤特性和作物品種確定適宜的灌水控制值，但三合一不適宜用來測定土壤pH值；四合一測定土壤含水率穩(wěn)定性差；土壤電導(dǎo)率和含水率之間呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著含水率的增大，電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降的趨勢。研究結(jié)果能夠?yàn)樽魑锷a(chǎn)中土壤參數(shù)測定儀器的選擇提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤；含水率；電導(dǎo)率；pH值；儀器；實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定

中圖分類號(hào)：S274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）02-0192-06

精細(xì)灌溉是根據(jù)作物和土壤信息適時(shí)、適量地進(jìn)行灌溉，通過對(duì)水肥的精細(xì)調(diào)控確保農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，是提高灌溉管理水平、實(shí)現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的必然趨勢。在作物生長過程中，對(duì)土壤含水率、pH值、電導(dǎo)率等土壤參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地觀測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)來指導(dǎo)田間灌溉，這對(duì)精細(xì)灌溉的實(shí)現(xiàn)和水資源合理利用具有重要意義。在已有研究中，對(duì)TDR測量土壤含水率的研究較多，研究表明TDR的測量值與真實(shí)值之間有較高的相關(guān)性，目前TDR測定土壤含水率的方法已經(jīng)在作物灌溉制度的制定、農(nóng)田水分監(jiān)測中得到了較為廣泛的應(yīng)用。目前我國市場上出現(xiàn)了多種操作簡便的土壤含水率、電導(dǎo)率、pH值等土壤參數(shù)測定儀器，對(duì)這些儀器測定結(jié)果的標(biāo)定尚沒有相關(guān)研究。對(duì)此，本研究對(duì)目前科研和生產(chǎn)中常用的5種土壤參數(shù)測定儀器，包括TDR進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室儀器標(biāo)定，對(duì)這些儀器測定土壤參數(shù)的可靠性進(jìn)行評(píng)定，為作物生長過程中土壤參數(shù)測定儀器的選擇提供更多參考。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)土壤和測定儀器

本研究選用兩種土壤進(jìn)行試驗(yàn)，一種取自廊坊市永清縣新苑陽光農(nóng)業(yè)園區(qū)，一種取自河北農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)綠化區(qū)，取土層次均為0～20 cm土層，表1給出了兩種試驗(yàn)土壤的物理和水力特性參數(shù)。

本研究對(duì)目前科研和生產(chǎn)中常用的5種土壤參數(shù)測定儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，包括TDR土壤水分測量儀器/TZS型、土壤電導(dǎo)率原位測量儀/Ec110，土壤pH值/濕度測量儀/KS-06、三合一園藝檢測儀/TR01和四合一土壤測試儀/AMT-300，表2給出了以上5種土壤參數(shù)測定儀器的名稱、標(biāo)定項(xiàng)目、標(biāo)示測量范圍及精度、產(chǎn)地等相關(guān)信息，圖1給出了這些儀器的照片。TDR和土壤電導(dǎo)率儀是目前科學(xué)研究中應(yīng)用較廣的測定土壤含水率和電導(dǎo)率的儀器，操作簡便、快速，且測量范圍較大，為科學(xué)研究提供了較為精準(zhǔn)的土壤含水率和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)；土壤酸堿度儀、三合一和四合一等儀器是我國近幾年出現(xiàn)的土壤含水率、pH值、溫度等土壤環(huán)境多參數(shù)測定儀器，由于價(jià)格低，使用快捷方便，在園藝生產(chǎn)上得到了一定的推廣應(yīng)用。這些儀器的測定精度直接影響著水肥管理決策方案，因此有必要對(duì)這些儀器的測量精準(zhǔn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤參數(shù)測定儀器的選擇提供參考依據(jù)，本文對(duì)這幾種儀器土壤含水率、電導(dǎo)率和pH值等3個(gè)與水肥管理決策密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)、觀測項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)于2014年7月-8月在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)田水利實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)土壤首先自然風(fēng)干、過2mm篩待用。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)土壤配制成不同含水率后裝盆，共設(shè)計(jì)15個(gè)土壤含水率梯度，分別為田間持水率的40%～100%（每隔5%一個(gè)梯度）、125%和150%，并按照土壤初始容重裝盆。裝盆后試驗(yàn)土壤靜置24 h，使水分重新分布達(dá)到設(shè)計(jì)土壤含水率。而后用以上5種土壤參數(shù)測定儀器依次測定每盆土壤的含水率、pH值和電導(dǎo)率等環(huán)境參數(shù)值。儀器測試完成后，每盆取土約50 g，一部分土樣用烘干法測定土壤含水率，一部分土樣自然風(fēng)干、磨碎、過2mm篩后，按土水比1：5配置土壤浸提液，測定土壤浸提液電導(dǎo)率Ec。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析利用SPSS17.0進(jìn)行。

2結(jié)果與分析

2.1土壤含水率測定效果分析

烘干法測定土壤含水率是其它土壤含水率測定方法的標(biāo)定依據(jù)，本試驗(yàn)也用烘干法測得的土壤含水率作為5種土壤參數(shù)測定儀器測定土壤含水率的標(biāo)定依據(jù)。圖2給出了烘干法測定的土壤含水率與設(shè)計(jì)土壤含水率的相互關(guān)系，烘干法測得的廊坊土和保定土的土壤含水率與設(shè)計(jì)含水率之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.991和0.987，在=0.01水平上達(dá)到顯著相關(guān)，說明試驗(yàn)土壤含水率配制達(dá)到了設(shè)計(jì)值且具有較高的精度。圖3給出了TDR測定的土壤含水率與烘干法土壤含水率之間的關(guān)系，兩種土壤TDR測得的土壤含水率與烘干法測得的含水率之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.967和0.949，在=0.01水平上達(dá)到顯著相關(guān)，說明TDR測定的土壤含水率精度較高。

土壤酸堿度儀和三合一測得的土壤含水率值越小說明土壤越干燥，圖4和圖5分別給出了土壤酸堿度儀和三合一測得的廊坊土、保定土兩種土壤的含水率與烘干法和TDR法測得的土壤含水率之間關(guān)系。土壤酸堿度儀測得的廊坊土、保定土的含水率與烘干法的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.976和0.944，與TDR測得土壤含水率之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.943和0.885；三合一測得的兩種土壤含水率與烘干法測得的土壤含水率之間相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.957和0.897，與TDR測得土壤含水率之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.944和0.821；均在=0.01水平上均達(dá)到顯著相關(guān)，說明土壤酸度儀和三合一測得的土壤含水率值與真實(shí)土壤水分狀況間具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠反映土壤水分含量的大小。

表3給出了土壤酸度儀和三合一土壤含水率測定值與烘干法土壤含水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，土壤酸堿度儀的含水率測量值為0～8，三合一的測量值為0～10，相同土壤含水率兩種土壤的測量值不同，說明土壤酸度儀和三合一測定的土壤含水率值因土壤的不同而不同，需要在使用時(shí)根據(jù)土壤特性和作物品種確定適宜的灌水控制值；土壤酸度儀測量時(shí)廊坊土含水率超過0.28 cm³/cm³、保定土超過0.26cm³/cm³時(shí)超量程三合一測量時(shí)廊坊土含水率超過0.25cm³/cm³、保定土超過0.26 cm³/cm³時(shí)超量程，即土壤含水率較高達(dá)到或超過土壤的田間持水率時(shí)這兩種儀器均出現(xiàn)了超量程問題，說明不適合在含水率較大隋況下使用；表3中同時(shí)給出了四合一測得的土壤含水率與烘干法測定結(jié)果的比較，四合一測定土壤含水率值根據(jù)土壤水分含量的大小測定結(jié)果顯示為DRY+、DRY、WET和WET+，從表3分析可見，四合一測定值對(duì)應(yīng)的土壤水分范圍較大，說明測量精度較低，且在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)此儀器在應(yīng)用中測定值的穩(wěn)定性差。

2.2土壤電導(dǎo)率定效果分析

圖6比餃了電導(dǎo)率儀和浸提法測得的土壤電導(dǎo)率，圖7給出了廊坊土和保定土2種土壤的電導(dǎo)率（浸提法）和含水率（烘干法）的相關(guān)關(guān)系。分析可見廊坊土和保定土2種土壤電導(dǎo)率儀測得的土壤電導(dǎo)率與浸提法測定結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.977和0.974，在=0.01水平上顯著相關(guān)，說明電導(dǎo)率儀測得的土壤電導(dǎo)率精度較高、能夠陜速測定并提供較為精準(zhǔn)的土壤電導(dǎo)率狀況。隨著土壤含水率的噌大，土壤電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降的趨勢，土壤電導(dǎo)率和含水率之間呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，廊坊土含水率與電導(dǎo)率之間的相關(guān)系數(shù)為0.510，有達(dá)到顯著相關(guān)，保定土含水率與電導(dǎo)率相關(guān)系數(shù)為-0.719，在=0.01水平上顯著負(fù)相關(guān)。廊坊土電導(dǎo)率為4130-5130μs/cm，保定土為150-330 μs/cm，當(dāng)土壤含水率接近田間持水率時(shí)，廊坊土電導(dǎo)率則下降至300μs/cm以下，保定土下降至200 μs/cm以下，說明鹽堿土條件下通過土壤水分的調(diào)控能夠控制土壤電導(dǎo)率，以保證作物的正常生長對(duì)土壤水分和鹽分含量的需求。

2.3土壤pH值測定效果分析

表4給出土壤酸堿度儀、三合一和四合一3種儀器測定的土壤pH值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，3種儀器測試的土壤pH值變異系數(shù)均小于0.1，為弱變異性，說明3種儀器測試的土壤pH值差異不大結(jié)果一致。土壤酸堿度儀和四合一測量值的偏度系數(shù)、測試的土壤pH值變異系數(shù)均小于0.1，為弱變異性，說明3種儀器測試的土壤pH值差異不大結(jié)果一致。土壤酸堿度儀和四合一測量值的偏度系數(shù)、峰度系數(shù)均接近0，說明二種儀器的測試結(jié)果十分接近、準(zhǔn)確可靠。三合一測定結(jié)果的方差較大，偏度系數(shù)、峰度系數(shù)較高，說明測定值的波動(dòng)較大。試驗(yàn)測量過程中土壤酸度儀和四合一的穩(wěn)定性好，三合一的測定值波動(dòng)性大，穩(wěn)定性較差。

3結(jié)語

對(duì)土壤含水率、pH值、電導(dǎo)率等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的前提，對(duì)土壤參數(shù)測定儀器的可靠性的準(zhǔn)確評(píng)定，能夠?yàn)樽魑锷L過程中土壤參數(shù)測定儀器的選擇、精準(zhǔn)灌溉決策提供參考依據(jù)。

本文對(duì)我國目前科研和生產(chǎn)中5種土壤參數(shù)測定儀器的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果表明，這5種儀器對(duì)土壤含水率、電導(dǎo)率和pH值的測試都具有操作簡便、快速簡單的特點(diǎn)。就土壤含水率的測試而言，TDR的測量精度較高，能夠定量測定土壤含水率，適宜在科研和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中選用；土壤酸堿度儀和三合一測定土壤含水率穩(wěn)定性較好，測定值與烘干法和TDR測定的土壤含水率之間具有較高的相關(guān)性，測量結(jié)果具有較高的精度，能夠定性的反映土壤含水率的高低，但不能定量的確定土壤含水率的大小，在使用時(shí)需根據(jù)土壤特性和作物品種確定適宜的灌水控制限值，適宜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中選用；四合一測定土壤含水率精度低、穩(wěn)定性差，不適宜在作物種植過程中選用。就土壤pH值的測試而言，三合一測定pH值的穩(wěn)定性差，四合一測定pH值穩(wěn)定性較好。Ec110土壤電導(dǎo)率原位測量儀測定土壤電導(dǎo)率精度較高。

本文僅對(duì)這幾種儀器土壤含水率、電導(dǎo)率和pH值等3個(gè)與水肥管理決策密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，沒有對(duì)光照和溫度等其他參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，尚需在后續(xù)研究中加以考慮。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需價(jià)格合理、操作簡便、能夠準(zhǔn)確定量測定土壤參數(shù)的儀器，以便為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水肥管理管理提供定量的決策支撐；我國目前科研中這些儀器大多依賴進(jìn)口，真正應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、操作簡便、精度較高的相關(guān)儀器尚處于空白，亟需展開相關(guān)的研發(fā)。