鄧 超，李玉梅，劉滿紅，林 薇，蘇 南

（水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，江蘇 南京 210012）

FDR 對(duì)不同類型土壤檢測(cè)方法的研究

鄧 超，李玉梅，劉滿紅，林 薇，蘇 南

（水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，江蘇 南京 210012）

使用同種 FDR 對(duì) 3種不同性質(zhì)土壤的率定和檢測(cè)，考察現(xiàn)有的率定及檢測(cè)方法的適用性。結(jié)果表明：不同類型土壤標(biāo)準(zhǔn)土樣制備及儀器檢測(cè)方法研究中所提出的率定及檢測(cè)方法切實(shí)可行，3種土壤中所得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)與烘干數(shù)據(jù)對(duì)比絕對(duì)誤差均小于 2%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定要求，潮土在FDR 上所得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)要好于紅土和黑土，綜合以上結(jié)果，建議使用亳州潮土作為標(biāo)準(zhǔn)土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

FDR；土壤水分傳感器；土壤；烘干法； 絕對(duì)誤差

水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分，影響土壤的物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng)，是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要的因素；是作物賴以生存的必要條件[1]。土壤水分含量的測(cè)定方法很多，如鋁盒烘干法、電阻法、電容法、中子法，以及新近發(fā)展起來的時(shí)域反射儀法（TDR）和頻域反射儀法（FDR）[2]。TDR 和 FDR不但技術(shù)先進(jìn)，而且可以連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤水分[3]。其中 TDR 儀器由于高昂的價(jià)格使得它只能裝備于我國(guó)少數(shù)科研機(jī)構(gòu)和高等院校，無法大量運(yùn)用于農(nóng)田土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中；而 FDR 憑借相對(duì)低廉的價(jià)格及較多的市場(chǎng)來源，成為實(shí)現(xiàn)土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方法。FDR 在土壤含水量的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景, 是一種值得推薦的土壤水分測(cè)定設(shè)備[4]。

目前水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（以下簡(jiǎn)稱水文儀器質(zhì)檢中心）開展的土壤水分儀器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)工作，均使用安徽亳州潮土作為標(biāo)準(zhǔn)土樣進(jìn)行土壤水分傳感器率定和準(zhǔn)確度檢測(cè)。亳州潮土作為標(biāo)準(zhǔn)土樣具有穩(wěn)定、易用等特點(diǎn)，與現(xiàn)有的檢測(cè)方法（《土壤水分監(jiān)測(cè)儀器通用技術(shù)條件》（試行）[5]）有很好的一致性，但是我國(guó)幅員廣闊，土壤種類眾多，為了驗(yàn)證土壤水分儀器在不同土壤條件下的工作特點(diǎn)和現(xiàn)有檢測(cè)方法是否具有廣泛適應(yīng)性，為此進(jìn)行不同類型土壤標(biāo)準(zhǔn)土樣制備及儀器檢測(cè)方法研究，本研究擬選取全國(guó)有代表性的土壤，新增東北黑土和江西紅土作為研究對(duì)象，使用現(xiàn)行的檢測(cè)方法進(jìn)行土壤水分儀器率定和準(zhǔn)確度檢測(cè)研究。

1 材料與方法

1.1 土樣選取

安徽亳州潮土為砂壤土，土壤粘粒含量為13.25%，結(jié)構(gòu)較為松散、均勻，孔隙度較適中，且理化性狀較為穩(wěn)定，一致性較好，便于實(shí)際檢測(cè)時(shí)保持同一基準(zhǔn)條件。比較適合作為介電法土壤水分傳感器測(cè)量的樣土。

東北黑土為砂質(zhì)粘壤土，土壤粘粒含量為24.50%，在東北有地域分布廣的特點(diǎn)，同時(shí)東北農(nóng)作物種植面積大，有較強(qiáng)的代表性。

江西紅土為砂質(zhì)粘土，土壤粘粒含量為43.00%～52.00%，具有高含水率、低密度，而強(qiáng)度較高、壓縮性較低等特性，分布于長(zhǎng)江以南的廣大丘陵地區(qū)。

1.2 土壤水分監(jiān)測(cè)儀器選取

選取斯蒂文斯土壤水分傳感器（FDR 插針式）作為檢測(cè)儀器產(chǎn)品。該產(chǎn)品 2014年 2 月經(jīng)水文儀器質(zhì)檢中心檢測(cè)合格，已經(jīng)由國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室在第一批土壤水分監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)合格產(chǎn)品目錄中進(jìn)行了公開發(fā)布。

1.3 率定方法

1）實(shí)驗(yàn)室配置 5%，10%，15%，20%，25%，30%，35% 等 7個(gè)點(diǎn)的體積含水量的土樣，使用土壤水分傳感器分別在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定 3種土壤樣品，得出儀器的頻率（或電壓值）。

2）采用烘干法分別測(cè)定 5%，10%，15%，20%，25%，30%，35% 等 7個(gè)點(diǎn)土壤體積含水量。

3）使用 Excel 軟件作出土壤實(shí)測(cè)體積含水量與土壤水分儀器測(cè)出電壓值之間的關(guān)系，得出具體的數(shù)學(xué)公式模型。

1.4 檢測(cè)方法

1） 實(shí)驗(yàn)室配置 5%～10%，15%～20%，25%～30%，35%～40% 等 4個(gè)體積含水量區(qū)間的土樣，使用土壤水分傳感器對(duì)標(biāo)定好的 4種不同含水量試樣進(jìn)行檢測(cè)，每種土樣定點(diǎn)測(cè)量 6 次。記錄測(cè)量值，檢查測(cè)試情況。

2） 采用烘干法分別測(cè)量并計(jì)算 4種配置土樣的土壤體積含水量。

3） 比較土壤水分傳感器所測(cè)定的土壤體積含水量與烘干法測(cè)定的土壤體積含水量之間的差值。

4） 將土壤水分傳感器使用東北黑土、江西紅土所得出的率定公式（曲線）及檢測(cè)數(shù)據(jù)，與使用安徽亳州潮土所得出的率定公式（曲線）及檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析評(píng)價(jià)土壤水分儀器精確度檢測(cè)方法對(duì)多種類型土壤是否具有適應(yīng)性。

2 結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)選取 FDR 的電信號(hào)值參數(shù)對(duì)土壤水分傳感器分別進(jìn)行率定，潮土、紅土和黑土的率定曲線分別如圖1，2，3所示。

2.1 潮土試驗(yàn)

從圖1 可以看出，率定公式的 R2值均為0.998，所以對(duì)潮土樣品使用一元三次公式可以很好地反映電信號(hào)值與體積含水率之間的關(guān)系。

表1 是 FDR 在潮土上使用圖1 中的率定公式在4個(gè)檢測(cè)區(qū)間所得出的體積含水率的數(shù)據(jù)與烘干法所得出數(shù)據(jù)的對(duì)比，從表1 中可以看出本實(shí)驗(yàn)中 FDR所得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)與烘干法相比，絕對(duì)誤差均小于2%，符合檢測(cè)要求[5]。

圖1 FDR 亳州潮土率定曲線

圖2 FDR 江西紅土率定曲線

圖3 FDR 東北黑土率定曲線

表1 FDR 亳州潮土檢測(cè)數(shù)據(jù) %

2.2 紅土試驗(yàn)

從圖2 在紅土上所做的率定情況可以看出，率定公式的 R2值為0.999，與潮土一樣，在紅土上使用一元三次公式也可以很好地反映電信號(hào)值與體積含水率之間的關(guān)系。

表2 是 FDR 在紅土上使用圖2所示率定公式在4個(gè)檢測(cè)區(qū)間所得出的體積含水率的數(shù)據(jù)與烘干法所得出數(shù)據(jù)的對(duì)比，從表2 可以看出本實(shí)驗(yàn)中 FDR所得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)與烘干法相比，絕對(duì)誤差均小于2%，除 37% 的點(diǎn)外，其余各點(diǎn)所檢測(cè)數(shù)據(jù)與烘干數(shù)據(jù)對(duì)比絕對(duì)誤差均大于 1%。

表2 FDR 江西紅土檢測(cè)數(shù)據(jù) %

2.3 黑土試驗(yàn)

從圖3 可以看出，率定公式的 R2值為0.992，與潮土和紅土一樣，在黑土上使用一元三次公式也可以很好地反映電信號(hào)值與體積含水率之間的關(guān)系。

表3 是 FDR 在紅土上使用圖3所示率定公式在4個(gè)檢測(cè)區(qū)間所得出的體積含水率的數(shù)據(jù)與烘干法所得出數(shù)據(jù)的對(duì)比，從表3 可以看出本實(shí)驗(yàn)中 FDR所得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)與烘干法相比，絕對(duì)誤差均小于2%，符合檢測(cè)要求。

表3 FDR 東北黑土檢測(cè)數(shù)據(jù) %

為便于綜合對(duì)比，將 3種土壤率定曲線綜合繪制在一張圖上，如圖4所示。從圖4 中 3種率定曲線發(fā)現(xiàn)，在潮土上 4個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)要明顯好于紅土和黑土，而且與其他 2種土壤相比，潮土具有一致性好、易操作的特點(diǎn)，所以認(rèn)為，使用潮土作為土壤水分傳感器檢測(cè)用土壤具有廣泛的適應(yīng)性和代表性。

3 結(jié)語

通過對(duì)性質(zhì)差異較大的潮土、紅土和黑土 3種土壤的率定和檢測(cè)試驗(yàn)的研究得出以下結(jié)論：

圖4 FDR 3種土壤率定公式

1）本研究實(shí)施方案中所提出的率定及檢測(cè)方法切實(shí)可行。

2）使用本研究實(shí)施方案中所提出的率定及檢測(cè)方法所得出的率定公式可以很好地反映介電常數(shù)（電信號(hào)值）與體積含水率之間的關(guān)系。

3）本研究中所使用的檢測(cè)方法，在3種土壤中所得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)與烘干數(shù)據(jù)對(duì)比絕對(duì)誤差均小于2%，達(dá)到規(guī)定要求。

4）與紅土和黑土相比，潮土在FDR 上所得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)要好于紅土和黑土，所以使用亳州潮土作為標(biāo)準(zhǔn)土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)較為適合。

[1] 鄧英春，許永輝. 土壤水分測(cè)量方法研究綜述[J]. 水文，2007，27 (4): 20-24.

[2] 王貴彥，史秀棒，張建恒，等. TDR 法、中子法、重量法測(cè)量土壤含水量的比較研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23 (3): 23-26.

[3] MILLER J D, GASKIN G J, ANDERSON H A. From drought to flood: Cat chment processes revealed using novel soil water probes[J]. Hydrological Processes, 1997 (11) : 533-541.

[4] 龔元石，李子忠，李春友. 利用時(shí)域反射儀測(cè)定的土壤水分估算農(nóng)田蒸散量[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1998，9 (1): 72-78.

[5] 國(guó)家防汛抗旱總指揮辦公室. 關(guān)于印發(fā)土壤水分監(jiān)測(cè)儀器通用技術(shù)條件（試行）的通知（辦旱一[2012]32 號(hào)）[A]. 北京：國(guó)家防汛抗旱總指揮辦公室，2012.

Research on different types of soil moisture using FDR

DENG Chao, LI Yumei, LIU Manhong, LIN Wei, SU Nan
(Hydrological Instruments and Geotechnical Instrumentation for Quality Supervision and Testing Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

The article inspects the applicability of the proposed method for calibration and detection, using of the same FDR for the calibration and detection of three different types of soils. The results show that: Calibration and detection method for different types of standard soil sample preparation and testing methods is feasible; The absolute error of the data obtained from the three soils compared with the drying data is less than 2%, meeting the specified requirements; The test data of Fluvo-aquic soil in the FDR is better than laterite and black soil. The above results show that the use of Bozhou fluvo-aquic soil as the standard soil for laboratory testing is advised.

FDR; soil moisture sensor; soil; drying method; absolute error

S152.7

A

1674-9405(2017)01-0041-03

10.19364/j.1674-9405.2017.01.010

2016-09-29

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)灌區(qū)關(guān)鍵技術(shù)研究”（201301014）

鄧 超（1983-），男，安徽合肥人，工程師，主要研究方向?yàn)橥寥浪旨巴寥浪譁y(cè)定儀器。