傅建文，王 勇，顏 坤

（天津市水文水資源勘測(cè)管理中心，天津 300061）

基于V-TDR工作原理的SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀的實(shí)際應(yīng)用

傅建文，王 勇，顏 坤

（天津市水文水資源勘測(cè)管理中心，天津 300061）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，能否對(duì)土壤水分進(jìn)行有效測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)“精細(xì)農(nóng)業(yè)”與“精細(xì)灌溉”的關(guān)鍵。SOILTOP-200墑情測(cè)定儀采用頻域頻率步進(jìn)式（V-TDR）探測(cè)方案，應(yīng)用連續(xù)波在頻域進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)傅立葉變換轉(zhuǎn)換到時(shí)域，反演得到平行探測(cè)傳輸線周圍的土壤介電常數(shù)，進(jìn)而通過(guò)Topp經(jīng)驗(yàn)公式得到體積含水率。試驗(yàn)表明，SOILTOP-200儀器在未經(jīng)率定的前提下運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

V-TDR；土壤墑情；SOILTOP-200；Topp經(jīng)驗(yàn)公式

1 背景綜述

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，如何提高土壤保墑、散墑等狀況的技術(shù)作業(yè)精度是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物“精耕細(xì)作”的關(guān)鍵。土壤是由固、液、氣三相組成的混合介質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜；其中，空氣介電常數(shù)為1，大多數(shù)土壤顆粒介電常數(shù)在2～4[1]，自由水介電常數(shù)為80.36（20℃）[2-4]；由于自由水的介電常數(shù)明顯高于其它兩項(xiàng)介質(zhì)，因此在非飽和土壤中，土壤含水量是土壤介電常數(shù)的主要影響因子，土壤絕對(duì)介電常數(shù)的變化能很好地反映土壤含水量的變化[5]。土壤絕對(duì)介電常數(shù)Ka和含水量θ實(shí)際定量關(guān)系的確定是發(fā)展基于高頻電磁波理論的土壤含水量測(cè)定技術(shù)的重要基礎(chǔ)，其中最受關(guān)注的是高頻電磁法，由于實(shí)際測(cè)量過(guò)程中不破壞被測(cè)土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而其成為研究連續(xù)原位測(cè)定土壤含水量的常規(guī)儀器方法。

1965年，Looynega提出具有物理基礎(chǔ)的土壤介電常數(shù)混合介質(zhì)模型[6]，首次將土壤介電常數(shù)Ka和含水量θ的實(shí)際關(guān)系進(jìn)行了定位研究，建立了Ka－θ關(guān)系概念模型。隨后，各國(guó)眾多科研學(xué)者對(duì)Ka－θ關(guān)系模型展開(kāi)了大量的研究[7-9]，其中應(yīng)用最廣泛的關(guān)系模型是加拿大科學(xué)家Topp的完全經(jīng)驗(yàn)公式和美國(guó)研究學(xué)者Herkelrath的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。Topp公式是根據(jù)不同區(qū)域不同時(shí)段多種典型土壤的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成的三次多項(xiàng)式方程，即θ=-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka2+4.3×10-6Ka3。由上述方程可知，只需土壤絕對(duì)介電常數(shù)Ka一個(gè)參量就能確定實(shí)際被測(cè)土壤的體積含水率θ，尤其適用于高頻率信號(hào)（1.5 GHz以上）對(duì)土壤實(shí)際含水量的測(cè)量[10]，故被大量學(xué)者研究應(yīng)用。

2 SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀介紹

2.1 TDR技術(shù)理論

TDR技術(shù)被認(rèn)為是一種快速、安全地測(cè)定土壤含水量和電導(dǎo)率的方法。其測(cè)量原理為信號(hào)發(fā)生器所激發(fā)的電脈沖以電磁波的形式沿著傳輸線系統(tǒng)傳播，當(dāng)傳輸線阻抗發(fā)生變化時(shí)就形成反射，反射波形被接收器所記錄。反射波與入射波之間所包含的信息反映了土壤的電介質(zhì)特性。

土壤的絕對(duì)介電常數(shù)Ka=Ka'+jKa″，影響因子較多。Ka'對(duì)應(yīng)電磁波在土壤里的傳導(dǎo)時(shí)間，Ka″對(duì)應(yīng)電磁波在波導(dǎo)中的損耗，主要受土壤類型、質(zhì)地、容重、溫度、含鹽量等因素影響。由于高頻載波技術(shù)存在突破瓶頸，國(guó)內(nèi)外幾乎所有產(chǎn)品無(wú)法將電磁載波信號(hào)進(jìn)行分解，所以在實(shí)際測(cè)量中很難得到絕對(duì)介電常數(shù)值Ka。

2.2 SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀工作原理

SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀采用步進(jìn)式矢量掃頻（V-TDR）探測(cè)方案，信號(hào)源利用頻率調(diào)制技術(shù)（DDS數(shù)字式頻率合成器）步進(jìn)式矢量信號(hào)發(fā)射，通過(guò)對(duì)信號(hào)相位差的變化，合成新的信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)信號(hào)掃頻；接收機(jī)采用VNA矢量接收技術(shù)（Vector Network Analyzer），應(yīng)用連續(xù)波在頻域內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)數(shù)字運(yùn)算轉(zhuǎn)換到時(shí)間域，經(jīng)數(shù)據(jù)分析、反演得到平行傳輸線（土壤探針）周圍土壤介電常數(shù)及其土壤體積含水率。該產(chǎn)品區(qū)別于國(guó)內(nèi)SWR、FDR等產(chǎn)品，采用步進(jìn)式矢量掃頻信號(hào)，最高頻率可達(dá)4 GHz；由于采用了矢量高頻信號(hào)，它有效地將電磁信號(hào)的實(shí)部虛部進(jìn)行了分解，得到土壤絕對(duì)介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際測(cè)量過(guò)程中基本不受土壤電導(dǎo)率、類型、容重、溫度等多種因素的影響，不需要提前率定，即可準(zhǔn)確測(cè)量土壤體積含水率，是國(guó)內(nèi)首臺(tái)無(wú)需率定的土壤墑情測(cè)定儀。

3 野外數(shù)據(jù)測(cè)量及分析

3.1 試驗(yàn)土壤

天津水文水資源勘測(cè)管理中心自然土壤測(cè)試地點(diǎn)為天津市靜海區(qū)西釣臺(tái)墑情站，對(duì)土壤體積含水率進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。自然條件下的土壤顆粒大小不均，有些土層還含有較大石塊，并且土壤類型復(fù)雜未知。

3.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)靜海區(qū)西釣臺(tái)墑情站的自然土樣進(jìn)行土壤墑情的分層測(cè)量，分別將3根平行探針埋設(shè)于10、20、40 cm的土層內(nèi)，埋設(shè)完畢后回填土樣，保留野外自然條件下土層的容重；回填完畢后，應(yīng)用SOIL?TOP-200土壤墑情測(cè)定儀對(duì)各土層進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，每天測(cè)量自然條件下各土層的土樣6次，各土層體積含水率為其平均值，測(cè)量時(shí)間為2015年11月3—15日。

3.3 測(cè)量比對(duì)

采用人工法進(jìn)行對(duì)比測(cè)定，各土層烘干法數(shù)據(jù)為3次取得的平均值；自然土壤絕對(duì)介電常數(shù)應(yīng)用天津特利普爾科技有限公司的SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而應(yīng)用Topp公式推算得到所測(cè)量自然土樣的實(shí)際體積含水率。

（1）數(shù)據(jù)重復(fù)性。天津市靜海區(qū)西釣臺(tái)墑情站重復(fù)性測(cè)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。從表1可以看出，SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀每天測(cè)量的6組墑情數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有變化，標(biāo)準(zhǔn)偏差幾乎為0，這充分證明了SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀自身的穩(wěn)定性良好。

表1 天津市靜海墑情站各土層體積含水率測(cè)量數(shù)據(jù)

（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。11月3—5日實(shí)測(cè)地點(diǎn)天氣為晴天，前3 d的數(shù)據(jù)整體含水率在28%左右，數(shù)據(jù)整體相對(duì)穩(wěn)定；11月5日后半夜開(kāi)始降小雨，陣性降雨一直持續(xù)到7日下午。SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀測(cè)量數(shù)值與人工重量法測(cè)量數(shù)值的比對(duì)情況，見(jiàn)表2。從表2可以看出，11月6、7日所測(cè)土壤體積含水率在10 cm深度明顯增加，20、40 cm深度含水率增加幅度不大，可見(jiàn)，由于降雨時(shí)間不夠長(zhǎng)，雨水并未完全滲透到20、40 cm的深度；11月8—13日天氣為陰天，從測(cè)量數(shù)據(jù)中可以看出，經(jīng)過(guò)幾天雨水的滲透，雨水已經(jīng)到達(dá)土層的各個(gè)深度，并且所測(cè)自然土樣在各個(gè)深度的含水率差別不大，比較7 d的數(shù)據(jù)，10 cm深度的含水率變化不大，20、40 cm深度的含水率明顯增加；11月14—15日天氣為晴天，各個(gè)深度的土層含水率在逐漸減少，但整體含水率差別不大。

表2 SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀測(cè)量數(shù)值與人工重量法測(cè)量數(shù)值的比對(duì)

經(jīng)過(guò)兩種方法測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)，可以看出SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀測(cè)量數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)的合理性，且與人工重量法所測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在±2.5%以內(nèi)，滿足《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364-2006）中的有關(guān)要求，充分證明了SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀所測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀采用步進(jìn)式矢量掃頻（V-TDR）探測(cè)方案，有效地將土壤絕對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行實(shí)部與虛部的分解，推算得到土壤絕對(duì)介電常數(shù)，進(jìn)而求得土壤真實(shí)含水量。靜海區(qū)西釣臺(tái)墑情站實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的體積含水率與人工重量法相比，測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在±2.5%以內(nèi)；并且儀器測(cè)量的重復(fù)性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差幾乎為0，證明了SOILTOP-200土壤墑情測(cè)定儀良好的測(cè)量精度和很好的測(cè)量穩(wěn)定性。

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S152.7

A

1004-7328（2017）05-0061-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.020

2017—05—02

傅建文（1968—），男，高級(jí)工程師，主要從事水文業(yè)務(wù)管理和水環(huán)境監(jiān)測(cè)管理工作。