水分傳感器埋設(shè)深度及個(gè)數(shù)對(duì)墑情精度的影響

李泳霖，王仰仁，武朝寶，劉宏武，孟 翀

(1.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備校企協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.山西省中心灌溉試驗(yàn)站，山西 文水 030012)

0 引 言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，準(zhǔn)確測(cè)定大田土壤含水率，是土壤墑情預(yù)測(cè)及作物適時(shí)適量灌溉的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉及灌溉自動(dòng)化的依據(jù)。土壤水分測(cè)定的方法較多，各種方法優(yōu)缺點(diǎn)不同[1,2]。土壤水分傳感器的制造技術(shù)日益成熟，具有高精度、準(zhǔn)確、快速、可連續(xù)一點(diǎn)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[3,4]。土鉆取土烘干法的準(zhǔn)確度最高，是評(píng)價(jià)其他測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)，但測(cè)定過(guò)程較為繁雜，若需要長(zhǎng)期測(cè)定多個(gè)位置的土壤水分，則需要耗費(fèi)較大的人力財(cái)力，且在取土的過(guò)程中會(huì)造成土壤的擾動(dòng)，很難實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)長(zhǎng)期檢測(cè)。因此土壤水分傳感器在精準(zhǔn)灌溉中被廣泛應(yīng)用，對(duì)于節(jié)水增產(chǎn)具有重要的意義[5]。

使用土壤水分傳感器定點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤水分時(shí)，傳感器埋入地下的深度和個(gè)數(shù)對(duì)土壤剖面水分的測(cè)試準(zhǔn)確度有直接的影響。土壤水分傳感器造價(jià)較高，若在同一土壤剖面不同深度埋設(shè)多個(gè)傳感器成本太高，會(huì)影響土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用[6]。相關(guān)研究表明，通過(guò)對(duì)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)同一土壤剖面內(nèi)相鄰?fù)翆又g的含水率具有較好的相關(guān)性[7]，因此，用數(shù)量較少的土層含水率可以描述整個(gè)剖面土壤含水量的信息，以便于減少土壤水分傳感器的埋設(shè)數(shù)量，從而在保證監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確的情況下降低系統(tǒng)的成本[8-10]。本文分析了4個(gè)試驗(yàn)區(qū)0～100和0～60 cm土壤剖面含水率與不同土層深度、不同土層間隔、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)的含水率的關(guān)系，找到了一種較為可靠的傳感器埋設(shè)方案，可為不同根系層深度的作物提供土壤水分傳感器埋設(shè)深度和個(gè)數(shù)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究選取了2017年6月-2017年9月山西省3個(gè)灌溉試驗(yàn)站(文峪河、霍泉、利民)及天津市武清試驗(yàn)區(qū)共計(jì)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤含水率資料，這些含水率資料均采用取土烘干法測(cè)得，測(cè)試深度為100 cm，每20 cm一層，共5層，在作物生育期內(nèi)每10 d左右測(cè)試一次，灌水前后加測(cè)。各試驗(yàn)區(qū)種植作物為夏玉米，土壤剖面均質(zhì)分布，不存在明顯的分層，土壤性質(zhì)(0～100 cm的平均值)見(jiàn)表1。

表1 各試驗(yàn)區(qū)土壤性質(zhì)Tab.1 Soil properties in each test area

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本文共選用4個(gè)試驗(yàn)區(qū)共208組土壤剖面含水率數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 共5層土壤含水率。數(shù)據(jù)分析均采用Excel軟件，分別計(jì)算不同深度(60、100 cm)的土壤剖面平均含水率，選取不同的土層深度、不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)(表2)，由此分析土壤剖面平均含水率與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系，一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)用式(1)計(jì)算土壤含水率的平均值，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)用式(2)計(jì)算，計(jì)算各情況下土壤剖面平均含水率與y的相對(duì)誤差[式(3)]、均方根誤差[式(4)]。

y=ax+b

(1)

y=ax1+bx2-2+c

(2)

(3)

(4)

式中：y為剖面土壤含水率平均值的模擬值；x為監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的實(shí)測(cè)值；a、b、c為擬合的參數(shù)；δR為相對(duì)誤差；RMSE為均方根誤差；n為樣本個(gè)數(shù)；Mi和Si分別為第i個(gè)土壤含水率的測(cè)量值和計(jì)算值。

表2 不同計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Tab.2 Different plan wetlands monitoring point locations

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面含水率與一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系

2.1.1 0～60 cm土壤剖面含水率與監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系

0～60 cm土壤剖面平均含水率的模擬值采用式(1)計(jì)算，0～20、20～40、40～60 cm的3個(gè)實(shí)測(cè)含水率的平均值作為0～60 cm土壤剖面平均含水率的監(jiān)測(cè)值。計(jì)算過(guò)程中，20 cm深度處的含水率用0～20和20～40 cm兩個(gè)土層含水率的平均值表示；30 cm深度處的含水率用20～40 cm土層的含水率表示；40 cm深度處的含水率用20～40和40～60 cm兩個(gè)土層含水率的平均值表示；50 cm深度處的含水率用40～60 cm土層的含水率表示。并計(jì)算各土層深度含水率與土壤剖面平均含水率的相關(guān)系數(shù)、相對(duì)誤差和RMSE。選擇計(jì)算結(jié)果較好的2個(gè)深度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(30、40 cm)，作為示例(表3)。

表3 0～60 cm土壤剖面含水率與1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系Tab.3 Relationship between soil moisture rate at one monitoring point and moisture content in 0～60 cm soil profile

表3結(jié)果表明，0～60 cm土壤剖面含水率與40 cm監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的相關(guān)性好于30 cm監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中40 cm對(duì)應(yīng)的R2最大0.986，最小0.910，平均值為0.956；30 cm對(duì)應(yīng)的R2最大0.982，最小0.846，平均值為0.933。相對(duì)誤差和均方根誤差(RMSE)也表現(xiàn)出相同的規(guī)律，40 cm時(shí)的相對(duì)誤差和RMSE小于30 cm時(shí)的相對(duì)誤差和RMSE。故若埋設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，埋設(shè)深度應(yīng)選擇40 cm，能最好的反映0～60 cm土壤剖面含水率。

比較a，b可發(fā)現(xiàn)，40 cm時(shí)，參數(shù)a的平均值大于30 cm所對(duì)應(yīng)的值。40 cm對(duì)應(yīng)參數(shù)a的平均值為0.977，最大值、最小值分別為1.008、0.935；30 cm對(duì)應(yīng)參數(shù)a的平均值為0.919，最大值、最小值分別為0.977、0.853。40 cm對(duì)應(yīng)參數(shù)b的平均值小于30 cm所對(duì)應(yīng)的值。40 cm時(shí)的平均值、最大值、最小值分別為0.236、0.567、-0.219；30 cm時(shí)的平均值、最大值、最小值分別為1.268、2.300、0.552。

2.1.2 0～100 cm土壤剖面平均含水率與監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的相關(guān)性

分析各試驗(yàn)區(qū)0～100 cm土壤剖面平均含水率與不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率關(guān)系時(shí)，同樣采用式(1)計(jì)算，各檢測(cè)點(diǎn)含水率用上述方法表示，選取計(jì)算結(jié)果較好的30、40、50 、60 cm深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為示例，見(jiàn)表4。

結(jié)果表明(表4)各試驗(yàn)區(qū)0～100 cm土壤剖面含水率與60 cm監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水率的相關(guān)系數(shù)(R2)最大(0.935)，40 cm次之(0.933)，60 cm的最大值為0.986，最小的為0.856；40 cm的最大值為0.975，最小值為0.871。平均的相關(guān)系數(shù)以60 cm深度最小、40 cm深度次之；平均相對(duì)誤差和平均絕對(duì)誤差也以60 cm深度最小，次之為50 cm；故宜選擇60 cm深度作為傳感器埋設(shè)深度。同樣地，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)(不同深度)參數(shù)a和b的值也有較大差異，其值的率定須分區(qū)進(jìn)行。

表4 0～100 cm土壤剖面含水率與1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系Tab.4 Relationship between soil moisture rate at one monitoring point and moisture content in 0～100 cm soil profile

2.2 土壤剖面含水率與兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系

2.2.1 0～60 cm土壤剖面含水率與兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率關(guān)系

用式(2)分析土壤剖面平均含水率與兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系，其中參數(shù)a、b、c用回歸分析的方法計(jì)算，x1、x2分別表示兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的含水率，分別計(jì)算了不同組合(表2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的含水率與土壤剖面平均含水率的R2、相對(duì)誤差和RMSE。其值以20/40和20/50 cm兩種組合的計(jì)算結(jié)果較好，見(jiàn)表5。

由表5可看出，就相關(guān)系數(shù)而言，兩個(gè)深度組合均達(dá)到0.99以上，表明其相關(guān)性是非常好的，且以20/50 cm深度組合較好，相對(duì)誤差和均方根誤差也均表現(xiàn)出一致的結(jié)果， 故宜選擇20/50 cm深度組合埋設(shè)傳感器，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的含水率能更好地反映0～60 cm土壤剖面平均含水率。

2.2.2 0～100 cm土壤剖面含水率與2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系

同樣采用式(2)用回歸分析的方法分析0～100 cm土壤剖面含水率與兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的關(guān)系，計(jì)算參數(shù)a、b、c的值，相關(guān)關(guān)系R2、相對(duì)誤差RMSE，計(jì)算結(jié)果顯示， 0～100 cm土壤剖面平均含水率與30/60 cm、40/70 cm兩種監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的含水率的相關(guān)性較好，因此也只給出兩種監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表6。

表5 0～60 cm土壤剖面含水率與2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水率的關(guān)系Tab.5 Soil moisture rate at two monitoring points and water cut in 0～60 cm soil profile

表6 0～100 cm土壤剖面含水率與2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水率關(guān)系Tab.6 Soil moisture rate at two monitoring points and water cut in 0～100 cm soil profile

由表6可看出，4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的相關(guān)系數(shù)均較大，均達(dá)到了0.92以上，其中最大值達(dá)到0.99以上；兩個(gè)深度組合的相關(guān)系數(shù)較為接近，40/70 cm深度組合的相關(guān)系數(shù)略大于30/60 cm深度組合；相對(duì)誤差和均方根誤差也表現(xiàn)出類似結(jié)果，故推薦采用40/70 cm深度組合布設(shè)傳感器。

同樣地，不同試驗(yàn)區(qū)的參數(shù)a、b、c的差異也較大，最大值分別為0.920、1.232、1.611，最小值分別為-0.371、0.125、-0.145。故參數(shù)a、b、c的率定宜分區(qū)進(jìn)行。

2.3 綜合分析

從R2、平均相對(duì)誤差RMSE綜合來(lái)看，一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(一個(gè)深度)的含水率可以較好地表示土壤剖面平均含水率，其相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.93以上；0～60 cm土壤剖面平均含水率宜用40 cm土層的含水率表示，0～100 cm土層剖面平均含水率宜用60 cm土層的含水率表示。

考慮到不同作物不同的生育期根系層深度不同，若土壤水分傳感器埋設(shè)深度為40 cm，對(duì)于淺根系作物(茄子)整個(gè)生育期內(nèi)根系層不超過(guò)60 cm時(shí)，土壤水分傳感器就能很好的反映土壤剖面平均含水率。對(duì)于深根系作物，同一剖面一個(gè)土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)就不能準(zhǔn)確反映土壤剖面的水分；若土壤水分傳感器的埋設(shè)深度為60 cm，考慮到淺層土層含水率變化較大這一特性[7]，一個(gè)剖面只埋設(shè)一個(gè)土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)的土壤剖面水分就不夠精確。鑒于此，對(duì)于深根系作物，土壤水分傳感器的埋設(shè)數(shù)量應(yīng)在1個(gè)以上，以確保作物整個(gè)生育期內(nèi)監(jiān)測(cè)的土壤含水率更為準(zhǔn)確。

同一點(diǎn)在2個(gè)深度埋設(shè)土壤水分傳感器，剖面土壤含水率與監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率的相關(guān)系數(shù)可大大提高。0～60 cm土壤剖面平均含水率可以用20/40 cm深度組合的含水率反映，但考慮深根系作物的根系層深度超過(guò)60 cm時(shí)，土壤水分傳感器的埋設(shè)深度也要適當(dāng)增大。對(duì)于0～100 cm土壤剖面平均含水率，分析結(jié)果為40/70 cm深度組合較好。因此選擇40/70 cm深度組合布設(shè)土壤水分傳感器更為合適，這樣對(duì)于淺根系作物或深根系作物都能在整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)土壤水分進(jìn)行較精確的監(jiān)測(cè)。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)只布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)， 0～60 cm土壤剖面平均含水率與40 cm土層含水率相關(guān)性最高(R2=0.956)， 0～100 cm土壤剖面平均含水率與60 cm土層含水率相關(guān)性最高(R2=0.935)。

(2)布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，0～60 cm土壤剖面含水率與20/40 cm深度組合的土壤含水率相關(guān)性最高(R2=0.994)；0～100 cm土壤剖面平均含水率與40/70 cm深度組合的含水率相關(guān)性最高(R2=0.965)。

(3)考慮作物生育期內(nèi)根系層深度的變化，建議同一點(diǎn)在兩個(gè)深度埋設(shè)土壤水分傳感器，深度組合為40/70 cm，相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到較高值。