基于駐波率原理的森林枯落物和土壤含水率測量方法

顏小飛 鄭曉亮 趙雅婕 趙燕東

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室， 北京 100083)

引言

森林枯落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要功能層之一，枯落物水分含量與地表徑流、水分入滲和蒸發(fā)等水文過程以及土壤CO2釋放通量相關(guān)，實現(xiàn)枯落物含水率的原位測定對研究枯落物層水文特征和森林土壤呼吸以及碳循環(huán)具有重要作用[1-6]。此外，森林地表可燃物主要集中于枯落物層，其水分含量直接影響林火點燃的難易程度以及火勢強弱[7-9]，因此，快速、準(zhǔn)確獲取枯落物含水率對于林火監(jiān)測以及森林火險等級預(yù)測具有重要意義。

與土壤層相比，枯落物層具有結(jié)構(gòu)松散、有機質(zhì)含量高、厚度較薄的特點，常見的土壤水分傳感器很難直接、準(zhǔn)確地測定枯落物含水率。目前，國內(nèi)學(xué)者對于枯落物含水率測量方法的研究較少。國外部分學(xué)者開展了相關(guān)研究，B?RNER等[10]提出在枯落物與土壤交界面處和土壤中分別安裝時域反射儀(TDR)，通過2個TDR的測量值可推導(dǎo)出枯落物含水率。該研究提供了一種原位測定枯落物含水率的方法，但其測量的準(zhǔn)確性受TDR校準(zhǔn)方法、水分的空間變異性、TDR一致性等諸多因素影響。CANONE等[11]考慮到枯落物為松散多孔結(jié)構(gòu)，對傳統(tǒng)的TDR探針結(jié)構(gòu)進行了改進。然而，該研究是在條件可控的實驗室環(huán)境下開展的，且尚需對TDR輸出值與含水率關(guān)系的轉(zhuǎn)換模型進行深入研究。此外，WILSON等[12]和ATAKA等[13]分別嘗試將電容型土壤水分傳感器應(yīng)用于枯落物含水率的測定，盡管取得了一定的成果，但測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性仍需進一步提高。

為此，本文以駐波率(SWR)原理為基礎(chǔ)，設(shè)計復(fù)用雙環(huán)式探頭分時測定半分解、全分解枯落物和土壤含水率及其電導(dǎo)率。在此基礎(chǔ)上，探究枯落物分解程度對含水率測量的影響以及與電導(dǎo)率之間的相關(guān)關(guān)系，最大程度提高枯落物含水率的測量精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

森林枯落物和土壤含水率測量系統(tǒng)以STM公司的STM32F103RBT6型芯片為核心[14-15]，能夠?qū)崿F(xiàn)林區(qū)半分解、全分解枯落物層和土壤層水分含量信息的定時采集與存儲，與上位機之間既可通過232通信模塊實現(xiàn)近距離有線傳輸，又可通過GPRS實現(xiàn)遠距離無線傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電源控制模塊為水分和電導(dǎo)率檢測模塊分時供電，測得的數(shù)據(jù)存儲于SD卡并通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至上位機。

圖1 森林土壤信息采集系統(tǒng)Fig.1 Forest soil information acquisition system

圖2 SWR測量含水率原理圖Fig.2 Principle diagram of moisture content measurement based on SWR

1.2 傳感器設(shè)計

1.2.1測量原理

測量土壤含水率采用駐波比法(Standing wave ratio，SWR)[16-17]，又稱駐波率法，其工作原理如圖2所示。采用100 MHz晶振作為激勵信號源，晶振所產(chǎn)生的正弦信號沿同軸傳輸線傳輸?shù)教筋^，如果探頭阻抗(取決于探頭周圍介質(zhì)的介電常數(shù))與傳輸線阻抗不匹配，一部分入射信號將被反射回信號源。反射信號與入射信號在同軸傳輸線上疊加并形成駐波，則傳輸線上各點的電壓幅值存在變化。取圖2中A點和B點的差分信號ΔUAB作為傳感器輸出量。

(1)

式中A1——信號源輸出信號幅值，V

ZP——雙環(huán)式探頭及其周圍介質(zhì)的阻抗，Ω

ZL——同軸傳輸線特征阻抗，Ω

本文同軸傳輸線特征阻抗ZL為50 Ω，在信號幅值A(chǔ)1恒定的情況下，A、B兩點的電壓差ΔUAB只與ZP相關(guān)。當(dāng)探頭結(jié)構(gòu)確定后，探頭阻抗即為定值，因此ΔUAB只與探頭周圍介質(zhì)的阻抗有關(guān)[18]。本文采用SWR原理測量枯落物和土壤含水率，故ΔUAB的大小取決于被測樣品的含水率。

采用AD5933阻抗芯片實現(xiàn)枯落物和土壤的電導(dǎo)率測量[19-22]。如圖3所示，AD5933由內(nèi)部振蕩器或外部晶振MCLK產(chǎn)生振蕩頻率，通過直接數(shù)字合成器(DDS)產(chǎn)生正弦信號并經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換后由發(fā)射級信號差分放大器輸出，并通過VOUT管腳激勵外部復(fù)阻抗ZX，在外部阻抗上產(chǎn)生的電流響應(yīng)信號經(jīng)過壓流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號，其中壓流轉(zhuǎn)換器可通過反饋電阻RBF調(diào)節(jié)輸出，轉(zhuǎn)換后的電壓信號通過1倍或5倍可調(diào)增益GAIN放大后輸入到LPF，進而由片上ADC采樣，采樣結(jié)果通過片上DSP進行離散的傅里葉變換(DFT)處理，經(jīng)過傅里葉變換后返回該輸出頻率下得到的實部數(shù)據(jù)R和虛部數(shù)據(jù)I[23]，從而計算出在每個掃描頻率下傅里葉變換的模和相角，測量結(jié)果正比于被測對象的導(dǎo)納，在此基礎(chǔ)上建立阻抗值與電導(dǎo)率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

圖3 AD5933阻抗測量原理圖Fig.3 Principle diagram of impedance measurement of AD5933

根據(jù)AD5933測量原理，在某一頻率下通過離散傅里葉變換后，即

(2)

式中X(f)——信號在頻率點f的能量

x(n)——ADC輸出

sinn、cosn——頻率點f的采樣矢量

得到的實部數(shù)據(jù)R和虛部數(shù)據(jù)I正比于被測對象的導(dǎo)納，即

(3)

(4)

式中Z——復(fù)阻抗幅值θ——復(fù)阻抗相角

通過計算得到該測量頻率下的阻抗ZX，即

(5)

其中

(6)

式中G——增益系數(shù)Zn——標(biāo)定阻抗

增益系數(shù)G確定后，可計算出阻抗ZX，通過實驗數(shù)據(jù)建立阻抗ZX與電導(dǎo)率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，用于測量森林枯落物的表觀電導(dǎo)率。

1.2.2傳感器探頭結(jié)構(gòu)

傳感器雙環(huán)式探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示，在不銹鋼圓管上套接用于絕緣的尼龍軟管，再套上2個不銹鋼探測環(huán)，兩環(huán)之間用PVC環(huán)絕緣。其中，不銹鋼圓管直徑為2 cm，探測環(huán)寬度為1 cm，絕緣PVC環(huán)寬度為1 cm。該探頭可實現(xiàn)介質(zhì)含水率和電導(dǎo)率的分時測量。

圖4 傳感器雙環(huán)式探頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagrams of sensor probe1.絕緣PVC管 2.絕緣尼龍軟管 3.304不銹鋼圓管 4.布線通道 5.雙環(huán)式探頭 6.不銹鋼錐頭

2 實驗方案

2.1 樣品采集

枯落物和土壤樣品采集于北京西郊鷲峰國家森林公園，地理坐標(biāo)39°54′N、116°28′E，海拔50～1 100 m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。實驗地點為一片栓皮櫟林，在相同立地條件下分別采集半分解的枯落物、全分解的枯落物和緊鄰枯落物的表層土壤(0～10 cm)。選取林地中枯落物層較厚的位置采集樣品，首先除去地表的植物體，然后挖開垂直剖面，在枯落物的半分解層、全分解層和土壤層分別用100 cm3環(huán)刀取樣，并于林地的3個不同位置各取一組樣品，用于樣品容重的計算，最后分層采集樣品并裝入密封袋中，用于傳感器標(biāo)定實驗。

2.2 實驗方法與過程

(1)計算容重。將100 cm3環(huán)刀采集的3種(共9個)樣品放入干燥箱于65℃下干燥48 h，冷卻至室溫后稱量，計算出半分解枯落物層、全分解枯落物層、土壤層的平均容重。

(2)干燥樣品。將3種樣品中的枯枝、石塊等雜質(zhì)去除，分別放入干燥箱于65℃下干燥48 h[24]。

(3)配制不同含水率的樣品。將干燥后的土壤樣品分為若干份，每份2 kg。在每份樣品中分別以100 g為梯度添加去離子水，直至土樣飽和?；旌暇鶆蚝?，用分層填裝的方式將每份樣品分別裝入一個圓柱形PVC容器(內(nèi)徑10.5 cm、高度20 cm)，使其容重盡量與林地中原狀土容重保持一致，計算并記錄每份樣品的體積含水率(θV，cm3/cm3)和質(zhì)量含水率(θG，g/g)。對于半分解和全分解枯落物樣品的處理方式與土壤樣品相同。

(4)將傳感器探頭插入樣品中，用本文所設(shè)計的SWR水分傳感器測量3種樣品在不同含水率下的輸出電壓和阻抗(圖5a)，同時采用商品化的TDR(TRIME-PICO 64型, IMKO, 德國)測量各樣品的體積含水率和電導(dǎo)率(圖5b)。

圖5 樣品含水率測量Fig.5 Photographs of water content measurement

3 結(jié)果與分析

3.1 SWR測定枯落物含水率結(jié)果分析

經(jīng)環(huán)刀取樣并計算得出，供試栓皮櫟林地中半分解枯落物層、全分解枯落物層和緊鄰枯落物土壤層容重分別為0.65～0.67 g/cm3、0.86～0.89 g/cm3和1.28～1.30 g/cm3，本文所配制被測樣品盡量與林地中各層的原始容重保持一致。

由圖6a可看出，在半分解、全分解枯落物和土壤的測試中，SWR水分傳感器輸出電壓ΔUAB與樣品體積含水率θV之間具有良好的線性關(guān)系，線性回歸方程分別為θV=0.877ΔUAB-0.261、θV=0.645ΔUAB-0.191、θV=0.629ΔUAB-0.205。半分解枯落物與全分解枯落物、土壤回歸曲線差異較大，而全分解枯落物與其鄰接土壤的回歸曲線非常相近，可能是由于兩者的有機質(zhì)成分相同且含量均較高，從而使兩者因質(zhì)地不同導(dǎo)致的差異可以被忽略。因此，使用本文所研制的SWR水分傳感器測量全分解枯落物層和0～10 cm土壤層體積含水率時，可以使用相同的標(biāo)定曲線。由圖6b可見，SWR輸出電壓ΔUAB與樣品質(zhì)量含水率θG也呈線性關(guān)系，然而由于容重不同，在測量質(zhì)量含水率θG時，全分解枯落物層與土壤層不能使用同一標(biāo)定曲線，需要分別進行標(biāo)定。

圖6 SWR傳感器輸出電壓ΔUAB與樣品體積含水率θV、質(zhì)量含水率θG的關(guān)系Fig.6 Relationships of output voltage of SWR ΔUAB vs volumetric water content θV and gravimetric water content θG in forest floor and mineral soil

SWR測量半分解枯落物、全分解枯落物和土壤體積含水率的平均絕對誤差(MAE)分別為0.038、0.020、0.020 cm3/cm3，標(biāo)準(zhǔn)差(SD)分別為0.044、0.027、0.029 cm3/cm3(表1)。半分解枯落物的MAE和SD明顯高于全分解枯落物和土壤，這是由于半分解枯落物中林地植被落下的枝葉、枝條、樹皮等凋落物處于部分分解狀態(tài)，其均一性低于全分解枯落物和土壤。在半分解枯落物含水率測量過程中，傳感器探頭不可避免地會隨機插入樣品中較大的孔隙之間，從而造成測量結(jié)果的穩(wěn)定性低于全分解枯落物和土壤。

表1 SWR與TDR測量樣品體積含水率的平均絕對誤差(MAE)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)Tab.1 Mean absolute error (MAE) and standarddeviation (SD) of volumetric water content measuredby SWR and TDR probes cm3/cm3

3.2 SWR與TDR測定枯落物含水率的對比

采用商品化的TDR與本文設(shè)計的SWR傳感器同步測量半分解枯落物、全分解枯落物和土壤含水率，由圖7可知，采用商品化TDR的默認(rèn)標(biāo)定曲線直接測量枯落物含水率，誤差較大，需要進行重新標(biāo)定。TDR輸出值與樣品體積含水率、質(zhì)量含水率也呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且R2均大于0.95。由表1可看出，重新標(biāo)定后的TDR測量半分解枯落物、全分解枯落物和土壤含水率的平均絕對誤差MAE明顯大于SWR，其標(biāo)準(zhǔn)差SD則與SWR基本相當(dāng)。因此，本文所研制SWR傳感器在枯落物水分測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面略優(yōu)于TDR。

森林中枯落物層通常比較薄(<10 cm)，本研究采樣林地枯落物的半分解層和全分解層厚度約為5 cm和7 cm。TDR測量含水率時可將整個探針垂直埋入，被測物的最小厚度應(yīng)不小于探針長度(11 cm)；也可將探針?biāo)铰袢?，被測物的最小厚度應(yīng)大于探針的影響半徑(約8 cm)[10]。SWR測量含水率時需將雙環(huán)式探頭全部埋入，被測物的最小厚度只需大于2個探頭的寬度與距離之和(3 cm)。可見，與商品化TDR相比，本文所設(shè)計的SWR傳感器在測量較薄枯落物(<10 cm)含水率方面具有更廣闊的適用范圍。

森林枯落物含水率具有很強的時空變異性[10]，在開展森林水文學(xué)和森林火險等級與林火蔓延研究時，往往需要將大量傳感器安裝于林區(qū)不同的位置。TDR價格昂貴，SWR成本則較低，因此，使用本文所設(shè)計SWR傳感器開展枯落物含水率測量，在保證測量準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上可顯著降低檢測成本。

圖7 TDR輸出值θTDR與樣品體積含水率θV、質(zhì)量含水率θG的關(guān)系Fig.7 Relationships of output of TDR θTDR vs volumetric water content θV and gravimetric water content θG in forest floor and mineral soil

3.3 電導(dǎo)率測量結(jié)果與分析

在對森林枯落物含水率進行長期原位測定時，傳感器需長時間埋在半分解層和全分解層，采用圖6所示的標(biāo)定曲線即可計算枯落物含水率。然而，在長期監(jiān)測過程中，半分解枯落物會逐漸分解，最終變?yōu)槿纸饪萋湮?，需要變換不同的標(biāo)定曲線來計算含水率。因此，實時判斷枯落物的分解程度對于實現(xiàn)枯落物含水率的準(zhǔn)確測定具有重要作用。

本研究通過測定電導(dǎo)率來判斷半分解的枯落物是否隨時間推移而完全分解。SWR傳感器集成基于AD5933阻抗測量模塊，水分測量和阻抗測量分時復(fù)用雙環(huán)式探頭，可同步獲取被測樣品的含水率和阻抗。將阻抗與TDR測得的樣品電導(dǎo)率進行擬合，如圖8所示，兩者呈指數(shù)關(guān)系，因此可通過AD5933測得的阻抗推算出樣品的電導(dǎo)率。由圖9可知，在同一含水率下，半分解和全分解枯落物的電導(dǎo)率不同。在對枯落物含水率進行原位測定時，本研究設(shè)計的傳感器探頭同步輸出枯落物含水率和電導(dǎo)率，在對半分解枯落物含水率進行長期原位測定時，可有效估算枯落物的分解程度以及是否需要改變傳感器的水分標(biāo)定曲線，最大程度降低枯落物因成分改變對傳感器測量精度造成的影響。

圖8 樣品阻抗與電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.8 Relationships between impedance and electrical conductivity in forest floor and mineral soil

圖9 半分解和全分解枯落物電導(dǎo)率與質(zhì)量含水率的關(guān)系Fig.9 Relationships between electrical conductivity and gravimetric water content in partially decomposed and well decomposed forest floor

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種可準(zhǔn)確測量森林半分解枯落物、全分解枯落物和土壤含水率的傳感器，其探頭為復(fù)用雙環(huán)式結(jié)構(gòu)，可分時測量枯落物或土壤的含水率及電導(dǎo)率。采用SWR原理實現(xiàn)含水率測定，傳感器輸出電壓與枯落物和土壤含水率呈良好的線性關(guān)系。實驗結(jié)果表明，傳感器測量全分解枯落物層和與其鄰接的土壤層(0～10 cm)體積含水率時，兩者的標(biāo)定曲線非常接近，且與半分解枯落物層標(biāo)定曲線的差異較大。在測量質(zhì)量含水率時，由于容重不同，半分解、全分解枯落物和土壤的標(biāo)定曲線差異顯著。此外，傳感器集成AD5933芯片測量被測物的阻抗，應(yīng)用實驗數(shù)據(jù)對阻抗和電導(dǎo)率進行回歸分析，則傳感器可測定枯落物和土壤的電導(dǎo)率。

(2)將本文所設(shè)計的基于SWR的水分傳感器與商品化的TDR水分傳感器進行對比，結(jié)果表明，2種傳感器輸出與枯落物和土壤含水率均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且TDR測量3種樣品含水率的平均絕對誤差MAE明顯大于SWR，標(biāo)準(zhǔn)差SD則與SWR基本相當(dāng)。此外，與TDR相比，SWR傳感器在測量較薄的(<10 cm)枯落物含水率以及測量成本方面具有明顯優(yōu)勢。

(3)在對枯落物含水率進行長期原位測定時，考慮到半分解枯落物的分解程度會隨著時間推移逐漸加深，根據(jù)相同含水率下半分解和全分解枯落物的電導(dǎo)率差異，在測量枯落物含水率時同步測定其電導(dǎo)率，可判斷半分解枯落物是否已經(jīng)完全分解以及是否需要變換傳感器的標(biāo)定曲線，為準(zhǔn)確測量林地枯落物的含水率奠定基礎(chǔ)。

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