高鹽土壤環(huán)境對土壤水分傳感器的影響及校正研究

劉 鵬，姜月華，楊 海，賈正陽，牛曉楠，楊 輝，呂勁松

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016；2.自然資源部流域生態(tài)地質(zhì)過程重點實驗室，南京 210016)

準確獲取土壤水分變化過程歷來都是一項重要的課題[1-2]，實時、精確的土壤水分數(shù)據(jù)是研究水資源、作物管理、災害分析等的重要基礎(chǔ)性資料[3-5]。近年來，基于時域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)等原理的土壤水分傳感器發(fā)展迅速[6]，這類傳感器將原始測量值(介電常數(shù)、電壓等)轉(zhuǎn)換為土壤水分數(shù)值[7-8]，使實時、準確測量土壤含水量變得更加便捷[9-10]。

然而，原位埋入式土壤水分傳感器在高鹽分土壤中往往出現(xiàn)含水量測量值偏高甚至嚴重失真的現(xiàn)象，這是由于這些傳感器在高鹽環(huán)境下電磁波的傳輸會受到較大影響，從而嚴重影響含水量測量值的準確性[11-12]。譚秀翠等[13]利用5種TDR儀器測試不同鹽分土體的含水量時發(fā)現(xiàn)，隨鹽分的增加，傳感器測得的含水量增大甚至無法得出合理值。崔靜等[14]進一步指出，當土壤電導率大于2.56dS·m-1時，TDR測定的數(shù)值已無法準確反映土壤水分含量的變化。Kim等[15]設置土壤鹽分梯度試驗，發(fā)現(xiàn)5TE傳感器含水量測量值偏高量與土壤含鹽量呈正相關(guān)關(guān)系。雖然以往研究中已測試部分傳感器在高鹽環(huán)境中的性能，但涉及的傳感器類型較少，缺少相同環(huán)境下傳感器性能的對比試驗，因此仍有必要開展多類不同原理土壤水分傳感器的性能對比工作。

已有研究指出，內(nèi)部轉(zhuǎn)換公式是影響含水量測量精度的最重要因素[2,16-17]。在高鹽、高含水量土壤環(huán)境下，傳感器中最經(jīng)典的內(nèi)部轉(zhuǎn)換公式(如Topp經(jīng)驗關(guān)系式[18])可能已不適用[19-20]。含水量校準的方法主要分成兩類，即直接校正和間接校正，直接校正利用原始采集數(shù)值與真實含水量間建立相關(guān)關(guān)系，例如Ferrarezi等[21]在佛羅里達野外沙壤土地區(qū)對CS655、TDR315L等12種主流傳感器進行內(nèi)部轉(zhuǎn)換公式的校正。Son等[22]對Teros12、5TE傳感器進行校正。間接校正則建立傳感器測量含水量與烘干法實測含水量間的相關(guān)關(guān)系進行校正[14,23]。雖然間接測量相對較為簡單，但是在復雜的高鹽環(huán)境下，測量值可能偏差太大，很難找到明確的相關(guān)關(guān)系。因此，仍有必要對高鹽環(huán)境下各類主流土壤水分傳感器的內(nèi)部轉(zhuǎn)換公式進行科學校正。

鑒此，本文對比分析8種主流土壤水分傳感器在高鹽土壤條件下的含水量測量值的可靠性，并在土壤含水量有效測量區(qū)間，建立烘干法標定值與傳感器原始輸出值間的校正公式。從而指導高鹽環(huán)境下土壤水分的準確、連續(xù)測量，為鹽堿地水鹽運移過程機理的精細化研究提供重要的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 傳感器介紹

參考國內(nèi)外土壤水分傳感器性能對比文獻[13-15,21-22]，室內(nèi)土柱試驗中選定耐鹽性能較好的8種主流土壤水分傳感器用于比較分析，包括TDR315L、TDR315H、TDR305H、Teros12、5TE、EC-5、Hydra-probe Ⅱ和CS655。試驗中所用的8種傳感器均在結(jié)構(gòu)均質(zhì)的普通土壤中完成了一致性、穩(wěn)定性檢測。

這些傳感器的測量方法共分3類，即時域反射法(TDR)、頻率發(fā)射法(FDR)、傳輸線震蕩法(TLO)。TDR的測量原理是確定高頻電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，因土壤中水的存在而降低了電磁波傳播速度，這使得含水量測量成為可能； FDR是根據(jù)高頻電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中傳播頻率不同，通過測量高頻電磁波頻率進而測量土壤含水量；TLO是根據(jù)振蕩器激發(fā)的電磁波在不同含水量土壤中雙向傳播時間的不同，從而將其轉(zhuǎn)化為介電常數(shù)。除EC-5獲取電壓值推求土壤含水量外，其余傳感器則均利用介電常數(shù)推求土壤含水量。TDR系列、CS655、5TE均采用經(jīng)典的Topp經(jīng)驗關(guān)系式計算，詳情如表1所示。由傳感器電導率測量范圍可知，5TE、Teros12和TDR305H傳感器耐鹽性能最好，最大電導率測量值均達到20 dS·m-1，其次為Hydra-probe Ⅱ、TDR315L、TDR315H傳感器，CS655傳感器電導率量程最小，僅為8 dS·m-1。

1.2 試驗方法

試驗土樣采取于江蘇省南通市如東縣東凌圍墾區(qū)鹽堿地，該地區(qū)降水充沛，年均雨量1 042 mm，汛期(6-9月)雨量相對集中，約占年降雨量的55%～80%。年平均氣溫15.1 ℃，全年無霜期225 d，年平均日照2 136 h[24-25]。采樣區(qū)周邊生長少量雜草、野生田菁、蘆葦、堿蓬等耐鹽植物。采集該地區(qū)0～10 cm表層土壤作為供試土壤，土壤烘干后過2 mm篩，備用，試驗土壤質(zhì)地是粉質(zhì)壤土，其中砂粒、粉粒和粘粒體積分數(shù)分別為 38.59%、55.38%和5.84%，干體積質(zhì)量為1.25 g·cm-3，飽和含水量為0.46 cm3·cm-3，含鹽量為6.8 g·kg-1，屬于重鹽土。

亞克力土柱為內(nèi)徑12 cm，內(nèi)高20 cm的無蓋圓柱體，在土柱中配置不同含水量土壤(θv= 0.20 cm3·cm-3、0.25 cm3·cm-3、0.30 cm3·cm-3、0.35 cm3·cm-3、0.40 cm3·cm-3、0.45 cm3·cm-3)進行測量記錄，共設置3個平行樣，為了保證試驗結(jié)果不受溫度影響，實驗室內(nèi)控制常溫條件，溫度保持在25 ℃左右。為使所有傳感器探針能完全插入土體中，將試驗土體高度定為14.1 cm，對應土體體積為1.6 L。根據(jù)野外實測干體積質(zhì)量數(shù)值，計算出所需土樣質(zhì)量為 2.0 kg。利用體積含水量的計算公式可求出各體積含水量所對應水的體積。為使土體水分分布均勻，先在塑料盆中由干到濕逐步配制各含水量級土樣，將所需去離子水加入土壤后攪拌均勻，回填至亞克力土柱中壓實至1.6 L處，封口避光靜置6 h。然后用Spectrum CTS 50C土壤電導率筆等深度(10 cm)依次均勻插入土壤中，共計測量9次，電導率差值均不超過0.2 dS·m-1，表明水分、鹽分分布較為均勻。隨后，將8種傳感器依次單獨插入土壤中，利用CR300數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集。

1.3 評價指標

選取平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)評價土壤含水量的測量精度，選取決定系數(shù)(R2)評價校正公式的擬合度，具體計算方法如下所示：

2 結(jié)果與分析

2.1 各傳感器測量結(jié)果分析

2.1.1 定性分析 本文將試驗階段土壤含水量測量值超過0.70 cm3·cm-3定義為失真。各傳感器在設定的標準土壤含水量條件下的含水量測量值和原始輸出值(介電常數(shù)或電壓)如圖1所示。由圖1-a可知，CS655含水量測量值在所有含水量節(jié)點均呈現(xiàn)失真；當實際含水量不超過 0.30 cm3·cm-3時，TDR315L含水量測量值變化趨勢與標準值相似，其后含水量測量值迅速升高直至失真；Hydra-probe Ⅱ和5TE的含水量測量值在0.35 cm3·cm-3以內(nèi)變化趨勢與標準值相似，其后含水量測量值迅速升高直至失真；在0.40 cm3·cm-3以內(nèi)，TDR315H含水量測量值與標準值相近，而后測量值隨含水量級升高而迅速升高直至失真；TDR305H、Teros12和EC-5的測量值在整個試驗階段均未出現(xiàn)失真。顯然，隨著土壤含水量的升高，多數(shù)傳感器的測量值偏高程度隨之加劇，甚至出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

值得注意的是，Teros12和TDR305H雖然在整個試驗階段含水量測量值均未超過失真閾值(0.70 cm3·cm-3)，但當實際含水量達到0.40 cm3·cm-3后，測量值出現(xiàn)反常的下降趨勢，而EC-5的數(shù)值仍然遞增。由此可知，當實際含水量達到0.40 cm3·cm-3后，Teros12和TDR305H的測量值已不再真實，表明傳感器對含水量的增加不再敏感。為更準確描述各傳感器的失真特征，將TDR315L，Hydra-probe Ⅱ、5TE和TDR315H的失真類型定義為突變型失真，即隨著實際含水量升高，傳感器測量值突然大幅升高且超過0.70 cm3·cm-3，而將Teros12和TDR305H的失真類型定義為不敏感型失真，即隨著實際含水量升高，傳感器測量值呈下降趨勢。因此，Hydra-probe Ⅱ、5TE傳感器的突變失真閾值為0.35 cm3·cm-3；TDR315L、TDR315H的突變失真閾值及TDR305H、Teros12傳感器的不敏感失真閾值均為0.40 cm3·cm-3。

已知各傳感器輸出的含水量測量值是利用原始輸出值經(jīng)公式轉(zhuǎn)換的方法求得。由圖1-b可知，各傳感器原始輸出值的變化趨勢與其含水量測量值變化趨勢一致，這也是傳感器測量值失真的原因。雖然TDR305H和Teros12在整個試驗階段含水量測量值都較為接近，但當實際土壤含水量大于0.30 cm3·cm-3時，Teros12的介電常數(shù)遠大于TDR305H，與5TE、Hydra-probe Ⅱ的值相近。由表1可知，這是因Teros12與TDR305H使用了不同的含水量轉(zhuǎn)換公式。因此，各傳感器內(nèi)置的轉(zhuǎn)換公式對土壤含水量的測量值影響極大。TDR305H的介電常數(shù)較之其他傳感器在0.45 cm3·cm-3含水量條件下最小，該原始采集值可能已針對高鹽環(huán)境進行了修正處理。

a.體積含水量測量值；b.原始輸出值

2.1.2 定量分析 為對比各傳感器失真閾值內(nèi)含水量測量值的整體偏高情況，選取平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)兩項指標進行評價，如表2所示。由表可知，除CS655外，其余傳感器的MAE均在0.024～0.229 cm3·cm-3，RMSE則在0.029～0.232 cm3·cm-3?？傮w而言，各傳感器含水量測量值與標準值偏差程度的差異較大，其中TDR315H、TDR305H兩項指標均小于0.11 cm3·cm-3，測量值整體偏高程度最小，Teros12、TDR315L、5TE和EC-5的整體偏高程度中等，兩指標均小于0.20 cm3·cm-3，Hydra-probe Ⅱ整體偏高程度較大，兩指標均超過0.20 cm3·cm-3。

表2 原轉(zhuǎn)換公式測量的含水量與烘干法結(jié)果的對比分析Table 2 Comparative analysis of measured values of soil moisture by original formulas and oven-drying method

2.2 校正公式的提出

針對高鹽環(huán)境下土壤水分傳感器含水量測量值普遍偏高甚至失真的現(xiàn)象，基于各土壤水分傳感器原始轉(zhuǎn)換公式，本文嘗試在各傳感器的失真閾值范圍內(nèi)，建立真實含水量與原始輸出值之間新的對應關(guān)系。此次的校正工作剔除了含水量測量值一直處于失真狀態(tài)的CS655。TDR315L、TDR315H、TDR305H、Teros12、EC-5、Hydra-probe Ⅱ都基于原轉(zhuǎn)換公式進行改進，5TE則選擇了擬合度更好的指數(shù)函數(shù)，詳情如圖2所示。

圖2 土壤水分傳感器校正公式Fig.2 Calibration formulas of proposed moisture sensors

為量化各傳感器校正公式的精度，將各傳感器的含水量校正范圍、校正公式、校正后的決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)進行統(tǒng)計，如表3所示。由表3可知，在失真閾值范圍內(nèi)，利用各傳感器校正公式計算得到的土壤含水量值的R2在 0.96～1.00，RMSE在0.001～0.013 cm3·cm-3。新的校正公式與原轉(zhuǎn)換公式相比，在失真閾值范圍內(nèi)極大地提高了各傳感器在重鹽土條件下的含水量測量精度。

表3 校正公式測量的含水量與烘干法結(jié)果的對比分析Table 3 Comparative analysis of measured values of soil moisture by calibration formula and oven-drying method

3 討 論

土壤水分傳感器在高鹽環(huán)境下電磁波的傳輸會受到較大影響，從而嚴重影響含水量測量值的準確性。潘延鑫等[26]利用TRIME-T3傳感器對鹵泊灘鹽堿地改良區(qū)進行含水量測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)測量值較烘干法標定值偏大；Banon等[27]設置 1.6 dS·m-1、5 dS·m-1和10 dS·m-13種鹽度，發(fā)現(xiàn)Teros12的含水量測量值受鹽度的影響大于溫度。而本文采用室內(nèi)定量化土柱試驗，對比EC-5、5TE、Teros12、Hydra-probe Ⅱ、TDR315L、TDR315H、TDR305H、CS655這8種主流傳感器在江蘇如東重鹽度土壤中的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各傳感器均出現(xiàn)不同程度偏高甚至失真的現(xiàn)象。

土壤水分傳感器的測量精度是評估其能否應用于野外監(jiān)測的重要參數(shù)。楊海等[28]利用烘干法對土壤含水量進行標定，從而通過傳感器原轉(zhuǎn)換公式直接減去校正常量，得到新的轉(zhuǎn)換公式。同樣，沈新磊等[29]在傳感器監(jiān)測深度處取樣，用烘干法的平均值對TDR測量值進行標定。而本文是基于各傳感器土壤含水量原轉(zhuǎn)換公式，建立各傳感器原始輸出參數(shù)(介電常數(shù)和電壓)與土柱含水量標定值的校正公式，使得測量精度達到 ±0.02 cm3·cm-3。

本研究只針對高鹽度土壤做了定量化的校正，并不能覆蓋其他地區(qū)。未來應設置多種鹽度梯度的土柱試驗，從而建立應用于不同鹽度土壤的含水量校正體系。

4 結(jié) 論

高鹽土壤環(huán)境對8種主流原位埋入式土壤水分傳感器的測量精度影響顯著。室內(nèi)定量土柱試驗顯示，所有傳感器的含水量測量值存在不同程度的偏高。除EC-5外，其余7種傳感器均出現(xiàn)不同類型的失真。本文在各傳感器失真閾值內(nèi)，建立了有效測量區(qū)間的含水量校正公式，測量精度可達±0.02 cm3·cm-3，為高鹽土壤環(huán)境下的含水量準確測量提供了指導方案。