便携式土壤水分自动采集仪的参数率定及对比实验

李智峰

（辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳111000）

1 概述

每年4～5月进入辽宁省的春播期，这个阶段连续干旱将导致土地大面积缺墒，直接影响春季播种。平均气温、冬季降雪、土壤底墒、土壤表墒、风力等多种因素影响土壤墒情指标，土壤墒情又是反映旱情最直接的重要指标。目前采用的土壤墒情监测方式主要有人工监测、移动监测及自动监测3种。人工监测方式采用的是烘干法，土壤水分自动采集方式采用的是介电法。该方法主要包括时域反射法（TDR）和频域法（FDM）。其中频域法（FDM）中的频域反射法（FDR）最为普遍，本次试验中使用到的便携式土壤水分自动采集仪就属该方法。

频域反射法（FDR）是通过被测介质中介电常数随土壤含水量变化而变化原理来测定土壤含水量的，主要根据土壤水分传感器发出的电磁波在不同介电常数物质中反馈电磁波的不同，计算出被测土壤的含水量［1］。相比较人工烘干法，采用这种方法不仅减轻了劳动强度，而且提高了土壤墒情监测的机动性和实效性，也大幅提高了监测的频次。

国内土壤墒情自动监测技术起步较晚但发展速度非常快，目前很多厂商研发了多款基于频域反射法（FDR）的土壤水分自动采集仪。在土壤墒情自动监测方面，2007年辽宁省在西部易旱地区建设了多个土壤墒情自动测报站。在此基础上又配置了便携式土壤水分自动采集仪。为了提高监测数据的准确性，更好地发挥土壤水分自动采集仪的作用，选择辽宁省中部平原地区灯塔市五星镇黄腊坨村（E122°57′N41°29′）及东部山丘地区辽阳县河栏镇二道河子村（E123° 24′E41°0′）两处土壤墒情监测实验点，开展了土壤水分自动采集仪的参数率定及对比实验。

2 参数率定

2.1 率定原理

土壤水分自动采集仪所采用的SMS01型土壤水分传感器属于频域法仪器，工作频率范围在20～150M，由电路可将介电常数的变化转换为直流电压，该电压值在广泛的工作范围内与土壤含水量直接相关。理论上该类型的土壤水分传感器数学模型是一个三次多项式。在对传感器率定时，将传感器在土壤含水量系列中进行测试，同步测量其输出电压，最终得到一组含水量，电压数据，再通过回归分析拟合成一元三次多项式，确定回归系数，即可得到传感器的特性方程［2］。

2.2 土壤取样

两处实验点选择在农作物种植区内，选取能代表当地土壤类型的天然土层取土样，取样深20cm，土样总量不低于3kg，装入塑料袋并用记号笔在取样袋上标记土样相关信息。

2.3 参数设定

参照《便携式土壤水分自动采集仪操作手册》［3］，率定实验前将便携式土壤水分自动采集仪初始公式设置为：

+000.0000+000.0000+000.0100+000.0000

即将公式三次方系数、二次方系数、常数项设为零。这时测量土壤含水率，仪器设备读数即为传感器电压。

2.4 率定方法

2.4.1 土样处理

土样的处理参照SL364—2006《土壤墒情监测规范》［4］，取实验站点作物种植区原状态土壤去除石子，植物根茎等杂质，装入环刀并网盖和滤纸，底部用吸水石板，防止土壤丢失，在水中浸泡2d，剩余土样备用。

2.4.2 测量饱和含水量

取出浸泡好的土样，称重并记录。将自动采集仪传感器垂直缓慢地插入环刀内，保证传感器探针时没有接触到环刀内壁，保证探针不暴露在空气中，并与土壤紧密接触。直到传感器探针完全没入土中，测量并记录传感器电压。

2.4.3 测量田间持水量

饱和含水率测量完毕，将环刀取出用薄膜包裹，悬置自然排水2d后，称重并记录。再次插入传感器，测量传感器电压。

2.4.4 测量土样不同含水量

田间持水率测量完毕，将环刀悬置一定时间，将环刀内土样取出，放入不锈钢托盘摊开晾晒2h后，装回环刀，称重并记录后测量电压。传感器测得土样电压低于0.5V时，可停止率定。保证取得数据不少于12组，率定结束后对土样进行烘干称重。

2.5 参数率定结果

以土壤水分传感器测量电压V的平均值为自变量，以对应土壤重量含水量ω为因变量，采用最小二乘法拟合成三次多项式ω=aV3+bV2+cV+d，该多项式即为对应站点土壤参数公式。二道河子实验站点土壤重量含水量与传感器测量电压关系率定结果如图1。

图1 二道河子土壤重量含水量与传感器测量电压关系

3 对比实验

3.1 地点和时间

在前期参数率定的基础上，开展土壤水分自动采集仪与人工采集的对比实验。选择黄腊坨村和二道河子村两处实验地点是考虑到两地不同的土壤类别、作物种植结构和区域气候条件。两站点分别代表平原区和山丘区，平原区属辽河下游平原，耕地为淤土、黄土，以种植水稻为主，山丘区属棕色森林土地带，这一地带耕地多为山地砂石土与淤土，以种植水果、玉米、谷子等为主。对比实验期为2013年5～10月，基本涵盖了农作物的整个生长周期。

3.2 实施方案

实验期内土壤水分自动采集仪数据与人工烘干法墒情数据采集同步进行。每月每站点对比实验不少于3次，每次对比实验时间间隔不少于5d。每站点对比实验总次数应不少于15次，采集不同含水量时的实验数据。实验选取平整且不易积水的作物种植地块，采用垂向三点法布设，垂向测点深度分别为10，20，40cm。开挖50cm×50cm垂直剖面测量沟槽，土壤水分自动采集仪传感器垂直于土层剖面、平行于地面插入。传感器中心针正对测点深度位置。传感器的探针部分完全插入土壤中并压实，测量点应尽量避开孔穴、石子、根茎较多的地方，对比实验野外测量取样现场如图2。

图2 对比实验野外测量取样现场

每插入土层一次取出后应清理干净传感器探针附带的土壤。每次使用土壤水分自动采集仪采集数据前及采集后，使用对应参数公式进行传感器校验，实验结束后按原状土进行回填，每次实验采样点间距不小于1m。

3.3 数据记录

为分析土壤水分自动采集仪在同一地点同一含水率的土层中的测量误差，每站点每次采集仪与人工分别测量采样9次，即在3个土层中各采集3组数据取用平均值，相关数据记入《墒情对比实验记录表》。

3.4 数据处理

采用人工烘干法数据结果检测土壤水分自动采集仪数据的准确性。烘干法直接测量土壤重量含水量，采集足够多的土壤样本，这种方法也是目前认为最为精确的土壤墒情测量方法。使用人工烘干法标定土壤水分自动采集仪。数据编入《墒情数据对比分析表》，并计算土壤水分自动采集仪数据相对人工烘干法数据误差，黄腊坨实验站点墒情数据对比分析如表1。

表1 黄腊坨实验站点10cm墒情数据对比分析

绘制每站点分层土壤水分自动采集仪数据和人工数据过程线图，黄腊坨站点10cm墒情数据过程线如图3。

图3 黄腊坨站点10cm墒情数据过程线

4 综合分析

通过黄腊坨和二道河子实验站点3个土层实验数据分析结果来看，土壤水分自动采集仪数据的总体变化趋势与人工数据相同，准确性指标总体偏低［5］。在黄腊坨实验站点自动采集仪数据较人工数据总体偏大，在二道河子实验站点自动采集仪数据较人工数据总体偏小。以SL364—2006《土壤墒情监测规范》要求土壤含水量的量测误差|δ|≤2.5%作为准确性控制指标进行分析，对比实验中黄腊坨实验站点土壤水分自动采集仪的准确性指标为23%，二道河子实验站点土壤水分自动采集仪的准确性指标为34%。对比实验中黄腊坨实验站点最大相对误差23.5%，二道河子实验站点最大相对误差－20.11%。均超出SL364—2006《土壤墒情监测规范》要求的土壤含水量量测误差要求范围。分析土壤水分自动采集仪误差大的主要原因是使用采集仪监测土壤含水量需通过土壤含水量转化为传感器电压，再由传感器电压通过率定公式转换为土壤重量含水率，在这两个转换过程都存在不同程度的误差［5］。累积误差导致自动采集仪数据准确性指标总体偏低。

5 结语

此次参照SL364—2006 《土壤墒情监测规范》制定实验规程，并通过便携式土壤水分自动采集仪的整体对比实验，在整个实验过程中，每次均在实验前、后对传感器进行校正，设备在采集过程中未出现故障，测量过程中也无数据跳变，说明其产品的稳定性是有保障的。最后从对比实验综合分析结果来看，便携式土壤水分自动采集仪在对要求精度不高的干旱应急监测中方面有测报一体的速度优势。

［1］张宪，姜晶，王劲松.基于FDR技术的土壤水分传感器设计［J］.自动化技术与应用，2011，30（11）：61-65.

［2］邓英春，付奔，马绍雄，等.关于介电法土壤水分传感器参数率定问题的商榷［J］.江淮水利科技，2007（1）.

［3］北京慧图信息科技有限公司，HT/QR 09-01A HT-SMAAV型便携式土壤水分自动采集仪操作手册［R］.2009.

［4］SL364—2006，土壤墒情监测规范［S］.

［5］杨建青，王吉星，章树安，等.土壤水分监测仪器野外对比测试分析研究［J］.水文，2012，32（5）.