環(huán)刀稱重法公式率定技術(shù)在遼寧土壤墑情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉陽(yáng)

（遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧朝陽(yáng)122000）

0 引言

目前，全國(guó)各省區(qū)建設(shè)的自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站普遍存在數(shù)據(jù)精度低，不能滿足旱情分析工作需要的問(wèn)題。為有效利用自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)，必須以人工墑情數(shù)據(jù)對(duì)自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)趨勢(shì)，找出數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差，并對(duì)自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，有效提高自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

遼寧省自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站選址少有在大田的，而人工墑情站均在實(shí)際耕作的大田取樣，存在遙測(cè)站土壤結(jié)構(gòu)與大田不同步變化問(wèn)題。人工數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)對(duì)比分析，有以下特點(diǎn)：

1）在封凍期，土壤中水分結(jié)冰，形成濕度很小的固體物質(zhì)，造成監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)偏小，不代表土壤真實(shí)含水量。因封凍前有降雨降雪，封凍后土壤孔隙中有大量冰晶，造成人工數(shù)據(jù)偏大，因此，在解凍前，人工和遙測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有可比性。

2）土壤解凍后，5 月中旬至 9 月底，人工數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)大趨勢(shì)一致，但受人工取樣與遙測(cè)站位置不同、大田除草施肥等耕作造成表層土壤結(jié)構(gòu)改變等影響，多數(shù)站點(diǎn)的人工數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程線有交叉現(xiàn)象，沒(méi)有系統(tǒng)規(guī)律，即便過(guò)程線不交叉，也不存在穩(wěn)定的差值[3]。

3）部分遙測(cè)站因雨量場(chǎng)改造等原因進(jìn)行了遷移，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性[4]。為提高土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的精度，近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)已取得一定研究成果，但針對(duì)環(huán)刀法進(jìn)行傳感器公式率定的技術(shù)研究還較少，為此下文通過(guò)建立各次土壤含水量與傳感器輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用環(huán)刀法進(jìn)行傳感器公式率定，并通過(guò)野外試驗(yàn)方式對(duì)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行分析，研究成果對(duì)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)精度的提高具有重要的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)方法

利用大環(huán)刀在野外采集需率定（儀器）的原狀土壤樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，土壤樣本浸泡水中達(dá)到飽和狀態(tài)后，將傳感器插入土壤樣本中，直至烘干前方可拔出；連續(xù)多次測(cè)量土壤樣本（含傳感器）重量和傳感器輸出電壓，直至傳感器電壓不再下降時(shí)停止實(shí)驗(yàn)；采用烘干稱重法計(jì)算各次土壤含水量（由土壤樣本重量轉(zhuǎn)換而來(lái)），創(chuàng)建各次土壤含水量與傳感器輸出電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系，該對(duì)應(yīng)關(guān)系即為該傳感器率定公式。該方法在同一環(huán)刀土樣內(nèi)完成所有實(shí)驗(yàn)過(guò)程，方法簡(jiǎn)單容易操作，且土壤樣品由于傳感器位置固定，損失量較小，可以得到較高的率定精度。

2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及儀器設(shè)備

試驗(yàn)以綏中墑情監(jiān)測(cè)站為試驗(yàn)地點(diǎn)，該站點(diǎn)位于興城市東辛莊鎮(zhèn)林屯村，是六股河上的重要控制站，隸屬于遼寧省水文局葫蘆島分局。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目主要有水位、流量、泥沙、顆分、冰情、降水、蒸發(fā)、墑情、水溫、水質(zhì)等。主要試驗(yàn)設(shè)備：挖土鍬、削土刀、烘干箱、電子天平、環(huán)刀、干燥器等。天平感量為0.01 g，最大量程不小于2 000 g。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）首先在采土之前將凡士林均勻涂抹在環(huán)刀內(nèi)壁。對(duì)采樣剖面使用土鍬進(jìn)行開(kāi)挖和刨平處理，采樣剖面面向環(huán)刀刀刃，且采集深度與中心位置保持在同一直線，環(huán)刀手柄均衡按壓后，對(duì)環(huán)刀外壁的土壤進(jìn)行削平處理。環(huán)刀周?chē)鷧^(qū)域土壤采用鐵鏟進(jìn)行挖除，環(huán)刀外壁的土壤采用削土刀進(jìn)行削平。環(huán)刀內(nèi)側(cè)鋪上濾紙和孔蓋。各采集深度土壤樣品2 份，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2）在實(shí)驗(yàn)室里打開(kāi)環(huán)刀上部的孔蓋，在平底容器中將環(huán)刀孔蓋向下緩緩放入，逐步加水使得水面線在環(huán)刀上端的1~2 mm 之間，為保證土壤水分達(dá)到飽和需要對(duì)其進(jìn)行24 h 的浸泡。在此過(guò)程中需要隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水，使得容器內(nèi)水分浸沒(méi)環(huán)刀。

3）在環(huán)刀內(nèi)的土壤里緩慢垂直插入傳感器，環(huán)刀中心位置與傳感器探針位置相一致，在探針完全插入后要求土壤內(nèi)沒(méi)有空隙。傳感器插入環(huán)刀土壤樣品后，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨同環(huán)刀一起稱重，直至烘干前方可拔出。

4）將傳感器和RTU 相連接，對(duì)其輸出電壓進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)定，當(dāng)傳感器電壓穩(wěn)定不變時(shí)，土壤水處于飽和狀態(tài)，對(duì)其輸出V0進(jìn)行記錄。

5）將環(huán)刀包括孔蓋、濾紙、土樣和傳感器從水中整體取出，保持土樣、環(huán)刀及傳感器處于實(shí)驗(yàn)原始位置，在支架上進(jìn)行懸空放置，自然下滲土壤中的重力水。當(dāng)環(huán)刀內(nèi)土壤底部不再滲水后，即傳感器電壓穩(wěn)定輸出時(shí)，則可以認(rèn)定此時(shí)土壤水分處于田間持水量，立即將RTU 和傳感器斷開(kāi)連接，將傳感器、環(huán)刀、濕土和濾紙整體放入帶編號(hào)的托盤(pán)內(nèi)用電子天平整體稱重，記錄此時(shí)傳感器電壓V1及整體重量G1。

6）將傳感器連接RTU，每隔一定時(shí)間監(jiān)測(cè)傳感器電壓下降情況，依據(jù)電壓下降幅度確定測(cè)量時(shí)間，記錄傳感器、濕土、環(huán)刀、濾紙、托盤(pán)的重量Gi，以及對(duì)應(yīng)時(shí)間的傳感器輸出電壓Vi。

7）在實(shí)驗(yàn)測(cè)定中需要對(duì)土壤樣品進(jìn)行天然狀態(tài)下的晾干，不能進(jìn)行加熱烘烤處理。測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)組一般不能低于20 組，并需要覆蓋整個(gè)水量的變化過(guò)程。當(dāng)傳感器進(jìn)行多次測(cè)定后，電壓不再降低，土壤水分接近干燥條件，實(shí)驗(yàn)停止進(jìn)行。

8）將附著在傳感器探針上的土壤清理后重新安置到環(huán)刀的內(nèi)部，采用標(biāo)準(zhǔn)烘干方式對(duì)環(huán)刀及土樣進(jìn)行不低于24 h 的烘干處理，使環(huán)刀內(nèi)土樣徹底烘干。烘干結(jié)束自然冷卻后，稱量環(huán)刀和干土重量、傳感器重量、托盤(pán)重量、濾紙重量，再移除土壤，擦凈環(huán)刀稱量。

4 率定公式擬合方法

1）將相關(guān)數(shù)據(jù)錄入Excel 電子表格，計(jì)算各測(cè)次土壤重量含水量，選中重量含水量ωi和對(duì)應(yīng)的傳感器電壓Vi兩列數(shù)據(jù)，插入XY散點(diǎn)圖。其中ωi計(jì)算公式：

式中：Gi為第i次監(jiān)測(cè)，環(huán)刀、濕土重量、傳感器重量、托盤(pán)、濾紙的合計(jì)重量，g；G0為烘干后，環(huán)刀、干土重量、傳感器重量、托盤(pán)、濾紙的合計(jì)重量，g；wg為原狀土干土重，g；wg=環(huán)刀＋干土重量－環(huán)刀重量。

2）得到土壤含水率與傳感器輸出電壓的散點(diǎn)分布圖后，對(duì)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)擬合，得到擬合3階回歸方程，并對(duì)回歸方程的擬合系數(shù)R2進(jìn)行確定，得到率定方程，當(dāng)R2≤0.95 時(shí)，一般認(rèn)定擬合精度較低，需要重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)率定。

3）將土壤飽和電壓V0代入率定公式，可得出該土壤的飽和含水量。將土壤處于田間持水量時(shí)的電壓V1代入率定公式，可得出該土壤的田間持水量。

4）當(dāng)監(jiān)測(cè)儀器已有率定公式時(shí)，可將實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的各測(cè)次實(shí)際重量含水量與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用原率定公式計(jì)算的土壤含水量進(jìn)行比較分析，對(duì)原率定公式進(jìn)行校準(zhǔn)。

5 率定成果

5.1 關(guān)系線擬合

率定試驗(yàn)歷時(shí)20 d，共采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)23 組。其中，傳感器輸出電壓為0.34～1.80 V，土壤重量含水量為2.9%～35.2%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，輸出電壓與土壤重量含水量對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 輸出電壓與土壤含水量關(guān)系線擬合圖

表1 土壤墑情率定記錄表

5.2 率定檢驗(yàn)

將公式y(tǒng)=0.0086x3+0.036x2+0.1127x-0.0227置入綏中固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站RTU 中，進(jìn)行土壤含水量對(duì)比監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。采集墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站土壤含水量記錄數(shù)據(jù)，同步進(jìn)行人工烘干稱重法監(jiān)測(cè)，同步對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)不少于6 組。不同監(jiān)測(cè)深度人工與自動(dòng)土壤含水量對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同墩型消能率隨泄流量變化曲線

圖2 不同監(jiān)測(cè)深度人工與自動(dòng)土壤含水量對(duì)比

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出：采集的23 組數(shù)據(jù)中，有9 組數(shù)據(jù)差值絕對(duì)值大于4%，合格率達(dá)73%。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)土壤墑情監(jiān)測(cè)儀器率定方法復(fù)雜、標(biāo)定技術(shù)要求高等特點(diǎn)，提出了采用環(huán)刀法進(jìn)行傳感器公式率定的技術(shù)，并成功地應(yīng)用到了監(jiān)測(cè)儀器率定實(shí)踐中。它是利用土壤樣本在水分自然衰減過(guò)程中其自身重量、介電常數(shù)均會(huì)發(fā)生變化的特性，通過(guò)野外采集的多組原狀土樣本，在實(shí)驗(yàn)室浸泡水中至飽和狀態(tài)，連續(xù)多次測(cè)量土壤樣本重量和其傳感器輸出信號(hào)，并采用烘干稱重法測(cè)得各次土壤含水量，建立各次土壤含水量與傳感器輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即率定公式。通過(guò)對(duì)綏中墑情監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，得出監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)據(jù)偏差較小，合格率較高，說(shuō)明環(huán)刀稱重法率定土壤水分計(jì)算公式準(zhǔn)確可靠，墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)基本能夠反映當(dāng)?shù)氐耐寥缐勄樽兓?guī)律，能夠滿足生產(chǎn)工作需要。