利用TDR對自動(dòng)墑情站監(jiān)測數(shù)據(jù)的校正

鄧超 王偉 曹子聰 林薇 蘇南

摘要：針對自動(dòng)墑情監(jiān)測站上報(bào)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，在安徽省滁州市城西徑流實(shí)驗(yàn)站，對比12個(gè)月人工烘干數(shù)據(jù)與機(jī)測數(shù)據(jù)，并使用國產(chǎn)時(shí)域反射（TDR）設(shè)備對不同時(shí)期土壤介電常數(shù)進(jìn)行測量，使用土壤介電常數(shù)的平方根與機(jī)測體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得出校正公式，并帶入機(jī)測數(shù)據(jù)使用Topp公式進(jìn)行校正計(jì)算。結(jié)果表明，國產(chǎn)TDR儀能夠準(zhǔn)確測量土壤介電常數(shù)，使用土壤介電常數(shù)對自動(dòng)墑情監(jiān)測站上報(bào)的土壤體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的方法符合要求，省時(shí)省力，切實(shí)可行。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)墑情監(jiān)測;TDR;土壤介電常數(shù)絕對誤差;校正;土壤體積含水量

中圖分類號(hào)： S152.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）08-0247-05

收稿日期：2019-03-20

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（編號(hào)：Y917017）。

作者簡介：鄧?超（1983—），男，安徽合肥人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橥寥浪旨巴寥浪譁y定儀器。E-mail：dch_watic@163.com。

近幾年，我國水文部門承擔(dān)了越來越多的土壤墑情監(jiān)測任務(wù)，也引進(jìn)了一些先進(jìn)的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測儀器，但是在使用過程中很多自動(dòng)監(jiān)測的土壤墑情數(shù)據(jù)的精度難以得到保證[1]。針對墑情自動(dòng)監(jiān)測中精度不準(zhǔn)確的問題，我國的一些專家學(xué)者進(jìn)行了多種方法的研究，其中，楊波等使用機(jī)測數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)對比分析的方法擬合出新的函數(shù)公式來進(jìn)行數(shù)據(jù)校正[2];王光生等對儀器生產(chǎn)廠家提供的公式進(jìn)行重新率定[1];辛玉琛等通過調(diào)整管式墑情傳感器公式中的截距來校正機(jī)測數(shù)據(jù)[3]。以上幾種方法均是通過原有的儀器使用人工烘干的方法作為真值對機(jī)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

當(dāng)前，我國的土壤自動(dòng)墑情站所采用的水分傳感器絕大多數(shù)為頻域反射（FDR）法儀器，其精度與適用性均不如時(shí)域反射（TDR）儀[4-5]，且近年來國產(chǎn)TDR技術(shù)日趨成熟和穩(wěn)定[6]，因此，本研究使用國產(chǎn)TDR儀對自動(dòng)墑情站監(jiān)測的土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以期得到一種高效且準(zhǔn)確的自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)野外校正方法。

1?材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為城西徑流實(shí)驗(yàn)站，位于安徽省滁州市花山鄉(xiāng)（地理位置為32°17′N，118°12′E），屬副熱帶溫濕氣候。站內(nèi)土壤pH值為6.7，黏粒含量（土粒直徑<0.002 mm）為27.1%，容重為（1.38±0.03） g/cm3，在建站以前種植水稻。自動(dòng)墑情站于2014年建于城西徑流實(shí)驗(yàn)站內(nèi)，使用加拿大ESI公司生產(chǎn)的ESI型管式墑情傳感器（FDR），并于當(dāng)年6月1日開始上報(bào)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)站工作人員在自動(dòng)墑情站使用過程中發(fā)現(xiàn)，儀器上報(bào)的體積含水量數(shù)據(jù)（機(jī)測數(shù)據(jù)）與人工取土烘干法相比，絕對誤差在4%以內(nèi)的數(shù)據(jù)較少，完全不符合土壤墑情監(jiān)測規(guī)范[7]的要求。因此筆者于2017年4月1日至2018年3月31日對城西徑流實(shí)驗(yàn)站內(nèi)的自動(dòng)墑情站進(jìn)行人工校正對比試驗(yàn)。

1.1?TDR儀器選用

試驗(yàn)所使用儀器為國內(nèi)某公司自行研發(fā)生產(chǎn)的SOILTOP-200型土壤水分測定儀（便攜式），此儀器為TDR土壤水分測定儀，能精確測定多種介質(zhì)的介電常數(shù)，在體積含水量為40%以下的土壤中使用Topp公式[8]計(jì)算土壤體積含水量，公式為

θ=4.3×10-6K3a-5.5×10-4K2a+2.92×10-2Ka-5.3×10-2。

式中：θ為土壤的體積含水量;Ka是介電常數(shù)。

1.2?比測試驗(yàn)

2017年4月1日至2018年3月31日，根據(jù)土壤墑情監(jiān)測規(guī)范[7]的要求，每月1日、11日、21日08：00在自動(dòng)墑情站周邊使用100 cm3環(huán)刀人工取土烘干測量土壤體積含水量，取土深度為10、20、40 cm，每層取3份，取平均值作為此深度的體積含水量。

2017年4月1日至2017年9月30日，人工取土的同時(shí)，在取土位置的相同土層（10、20、40 cm）橫向插入TDR傳感器，分別測量此體積含水量下的土壤介電常數(shù)（Ka），插入傳感器的位置應(yīng)盡量避開土壤裂隙。

2017年4月1日至2018年3月31日，收集每月1日、11日、21日08：00自動(dòng)墑情站上報(bào)的10、20、 40 cm 土層體積含水量機(jī)測數(shù)據(jù)和此期間的日降水量數(shù)據(jù)。

1.3?數(shù)據(jù)校正方法

分層（10、20、40 cm）對比2017年4月1日至2018年3月31日的人工取土烘干與機(jī)測體積含水量數(shù)據(jù)。分層（10、20、40 cm）對比2017年4月1日至2017年9月30日的人工取土烘干測得的土壤體積含水量與TDR測得的土壤介電常數(shù)經(jīng)過Topp公式計(jì)算后的體積含水量數(shù)據(jù)。

有研究表明，土壤質(zhì)量含水量與介電常數(shù)的平方根存在很好的線性關(guān)系[9]，而城西徑流實(shí)驗(yàn)站內(nèi)土壤容重相對比較穩(wěn)定，為（1.38±0.03） g/cm3，因此可以分層（10、20、40 cm）建立2017年4月1日至2017年9月30日自動(dòng)墑情站上報(bào)的機(jī)測數(shù)據(jù)與同期TDR測得的土壤介電常數(shù)平方根的線性關(guān)系方程。將此方程作為校正公式，計(jì)算得出2017年10月1日至2018年3月31日的同期土壤介電常數(shù)，將計(jì)算出的土壤介電常數(shù)帶入Topp公式得出校正后的機(jī)測土壤體積含水量。

分層（10、20、40 cm）對比2017年10月1日至2018年3月31日的人工取土烘干測得的土壤體積含水量與校正后的自動(dòng)墑情站機(jī)測土壤體積含水量。

2?結(jié)果與分析

2.1?烘干法數(shù)據(jù)與機(jī)測數(shù)據(jù)對比

由表1可以看出，從2017年4月1日至2018年3月31日這12個(gè)月的時(shí)間共36組人工取土烘干法得出的土壤體積含水量數(shù)據(jù)，10 cm土層土壤體積含水量在15.81%～33.56%之間，20 cm土層土壤體積含水量在17.02%～29.61%之間，40 cm土層土壤體積含水量在17.78%～28.32%之間，結(jié)合圖1可知，3層土壤的體積含水量均較為符合降水規(guī)律。表1中自動(dòng)墑情站上報(bào)的3層土壤的機(jī)測土壤體積含水量數(shù)據(jù)均小于人工烘干數(shù)據(jù)，其中 10 cm 土層二者差值在2.04%～9.80%之間，其中差值在4.00%以內(nèi)的數(shù)據(jù)有4組，合格數(shù)據(jù)（絕對誤差在±4%范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)）占11.11%;20 cm土層二者差值在2.62%～12.42%之間，其中差值在4.00%以內(nèi)的數(shù)據(jù)有2組，合格數(shù)據(jù)占5.56%;40 cm 土層二者差值在 3.51%～1.68%之間，其中差值在4.00%以內(nèi)的數(shù)據(jù)有1組，合格數(shù)據(jù)占2.78%;均遠(yuǎn)不符合土壤墑情監(jiān)測規(guī)范要求的合格數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)80%的要求[7]。其中，機(jī)測數(shù)據(jù)總體偏小的原因可能是建站前多年種植水稻，而水稻土較易開裂產(chǎn)生裂隙，從而使傳感器無法緊密結(jié)合土壤，導(dǎo)致儀器所測得的頻率偏大，土壤體積含水量偏小。