利用TDR對(duì)自動(dòng)墑情站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校正

　　摘要：針對(duì)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站上報(bào)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，在安徽省滁州市城西徑流實(shí)驗(yàn)站，對(duì)比12個(gè)月人工烘干數(shù)據(jù)與機(jī)測(cè)數(shù)據(jù)，并使用國(guó)產(chǎn)時(shí)域反射(TDR)設(shè)備對(duì)不同時(shí)期土壤介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，使用土壤介電常數(shù)的平方根與機(jī)測(cè)體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得出校正公式，并帶入機(jī)測(cè)數(shù)據(jù)使用Topp公式進(jìn)行校正計(jì)算。結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)TDR儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量土壤介電常數(shù)，使用土壤介電常數(shù)對(duì)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)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(cè);TDR;土壤介電常數(shù)絕對(duì)誤差;校正;土壤體積含水量

　　作者：鄧 超

　　近幾年，我國(guó)水文部門(mén)承擔(dān)了越來(lái)越多的土壤墑情監(jiān)測(cè)任務(wù)，也引進(jìn)了一些先進(jìn)的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，但是在使用過(guò)程中很多自動(dòng)監(jiān)測(cè)的土壤墑情數(shù)據(jù)的精度難以得到保證[1]。針對(duì)墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)中精度不準(zhǔn)確的問(wèn)題，我國(guó)的一些專(zhuān)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(cè)數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)對(duì)比分析的方法擬合出新的函數(shù)公式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正[2];王光生等對(duì)儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的公式進(jìn)行重新率定[1];辛玉琛等通過(guò)調(diào)整管式墑情傳感器公式中的截距來(lái)校正機(jī)測(cè)數(shù)據(jù)[3]。以上幾種方法均是通過(guò)原有的儀器使用人工烘干的方法作為真值對(duì)機(jī)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

　　當(dāng)前，我國(guó)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(lái)國(guó)產(chǎn)TDR技術(shù)日趨成熟和穩(wěn)定[6]，因此，本研究使用國(guó)產(chǎn)TDR儀對(duì)自動(dòng)墑情站監(jiān)測(cè)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(cè)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(kāi)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)，儀器上報(bào)的體積含水量數(shù)據(jù)(機(jī)測(cè)數(shù)據(jù))與人工取土烘干法相比，絕對(duì)誤差在4%以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)較少，完全不符合土壤墑情監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)比試驗(yàn)。

　　1.1 TDR儀器選用

　　試驗(yàn)所使用儀器為國(guó)內(nèi)某公司自行研發(fā)生產(chǎn)的SOILTOP-200型土壤水分測(cè)定儀(便攜式)，此儀器為T(mén)DR土壤水分測(cè)定儀，能精確測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(kāi)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(cè)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(duì)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(cè)體積含水量數(shù)據(jù)。分層(10、20、40 cm)對(duì)比2017年4月1日至2017年9月30日的人工取土烘干測(cè)得的土壤體積含水量與TDR測(cè)得的土壤介電常數(shù)經(jīng)過(guò)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(xiàn)性關(guān)系[9]，而城西徑流實(shí)驗(yàn)站內(nèi)土壤容重相對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)與同期TDR測(cè)得的土壤介電常數(shù)平方根的線(xiàn)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(cè)土壤體積含水量。

　　分層(10、20、40 cm)對(duì)比2017年10月1日至2018年3月31日的人工取土烘干測(cè)得的土壤體積含水量與校正后的自動(dòng)墑情站機(jī)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)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?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)有4組，合格數(shù)據(jù)(絕對(duì)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?xún)?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?xún)?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(cè)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(cè)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(kāi)裂產(chǎn)生裂隙，從而使傳感器無(wú)法緊密結(jié)合土壤，導(dǎo)致儀器所測(cè)得的頻率偏大，土壤體積含水量偏小。

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