張麒昆 ,閔雷雷** ,王玉才 ,朱一丁 ,賈明磊 ,孫楷雯 ,沈彥俊

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院 蘭州 730070;2. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;3. 河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 石家莊 050024)

土壤水是植物所需水分的重要來源[1]。土壤水分能夠直接影響作物生理活動(dòng),與植物生長關(guān)系密切,是農(nóng)作物和植物生長環(huán)境的核心要素之一[2]。土壤水分過多不僅會(huì)對(duì)作物根系呼吸造成影響,還會(huì)使土壤中的氮、磷等養(yǎng)分隨水分流失造成水體污染;水分過少將導(dǎo)致作物生產(chǎn)受到影響[3]。因此,開展土壤水分測定是農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境和水土保持等研究的基礎(chǔ)[4]。目前國內(nèi)外土壤水分測定方法主要有烘干法[5]、中子儀法[6]、介電法[7](時(shí)域反射法、頻域反射法、電容法)、宇宙射線中子法[8]、地球物理方法[9](探地雷達(dá)、高密度電阻法)、熱脈沖法[10]等。考慮到觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和連續(xù)性、觀測過程的安全性,近年來針對(duì)土壤含水量的直接測量多采用水分傳感器[11]開展原位觀測的方式。土壤水分傳感器采用時(shí)域或頻域原理,通過測量與水分含量有關(guān)的介電常數(shù)或基質(zhì)電位來確定土壤含水量[12]。然而,由于土壤水分傳感器類型眾多,當(dāng)前國際使用較廣的土壤水分傳感器主要由國外的廠商生產(chǎn);各傳感器制造商提供的傳感器測定準(zhǔn)確度和適用條件也存在差異。如何在眾多的傳感器中篩選出區(qū)域適用性好、準(zhǔn)確度高的傳感器尤為重要。

影響傳感器測量準(zhǔn)確度的因素有土壤溫度、土壤容重、含鹽量、有機(jī)質(zhì)含量等[13-16]。目前,國內(nèi)外學(xué)者在土壤質(zhì)地對(duì)傳感器性能表現(xiàn)的影響方面開展了較多的研究,并對(duì)比了不同類型(廠家)的傳感器測量準(zhǔn)確度。Ferrarezi 等[17]對(duì)比了12 種傳感器在美國佛羅里達(dá)州砂質(zhì)土壤含水量測量中的準(zhǔn)確度;Wilson 等[18]利用美國氣候網(wǎng)觀測站評(píng)估了2 種傳感器在不同類型土壤的適用性;賀蕾[19]通過試驗(yàn)對(duì)比研究了土壤溫度、土壤容重和土壤鹽分對(duì)TDR 型傳感器測量值的影響;Feng 等[20]和Singh 等[21]則重點(diǎn)分析了不同類型傳感器在砂土和黏土兩種土壤質(zhì)地條件下的測量準(zhǔn)確度。然而,現(xiàn)有的研究多為基于國外土壤而開展的對(duì)比試驗(yàn);對(duì)于國外廠商制造的傳感器,在國內(nèi)土壤的適應(yīng)性評(píng)價(jià)方面的研究較少;現(xiàn)有研究考慮的質(zhì)地類型較少,缺乏對(duì)更多土壤質(zhì)地類型的研究。因此,為了探究不同類型水分傳感器在河北平原典型農(nóng)田土壤中的性能表現(xiàn),本研究選擇國內(nèi)外通常使用的5 種土壤水分傳感器,分析了土壤質(zhì)地、容重對(duì)其測量準(zhǔn)確度的影響。本研究可為提高區(qū)域土壤含水量測定的準(zhǔn)確性提供科學(xué)指導(dǎo),并可為土壤含水量監(jiān)測中的傳感器選型提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤的選擇及處理

本研究選擇的土壤類型為河北平原廣泛分布的潮褐土和潮土。河北平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期以來為一年兩熟制,當(dāng)前大部分兩熟制區(qū)域的糧食年產(chǎn)量已接近甚至超過15 000 kg·hm-2,是我國重要的糧食高產(chǎn)區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地[22-23]。因此,針對(duì)該區(qū)域土壤開展水分傳感器監(jiān)測的適用性對(duì)比具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。本研究考慮了該區(qū)域4 種典型的土壤質(zhì)地: 砂土、砂壤土、粉壤土、粉黏土,分別開展不同容重下的測量準(zhǔn)確度對(duì)比。粉壤土和砂壤土采集自中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站,砂土采集自河北省新樂市,粉黏土采集自河北省黃驊市。砂土、砂壤土、粉壤土、粉黏土的采樣深度分別為0～20 cm、40～80 cm、160～180 cm 和100～120 cm。供試土壤的主要理化性質(zhì)見表1。將土壤風(fēng)干后過篩(2 mm) 以去除石子、雜草,利用過篩后的土壤進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 對(duì)比的傳感器類型

本文選擇國內(nèi)外常用的5 種傳感器(可同時(shí)測量含水量和電導(dǎo)率的傳感器)為研究對(duì)象,分別為TDR315H (Acclima Inc.)、CS655 (Campbell Scientific Inc.)、5TE (Decagon Devices)、Teros12 (Meter Group)和Hydra Probe Ⅱ (Stevens Water Monitoring Systems Inc.)。為敘述方便,上述5 種類型傳感器在下文中分別記作T315、CS655、5TE、T12、HP2。數(shù)據(jù)收集使用CR1000X 型數(shù)據(jù)采集器。傳感器相關(guān)的主要參數(shù)見表2。需要指出的是,盡管5TE 傳感器已經(jīng)停產(chǎn),并且已經(jīng)由T12 取代,但市面上仍有大量的5TE在繼續(xù)使用,因此本研究依然針對(duì)5TE 的測試準(zhǔn)確度進(jìn)行了測試,并將其與另外4 種傳感器的測試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

表2 試驗(yàn)測試的5 種類型傳感器的探針數(shù)、探針長度、分辨率和測量范圍Table 2 Probes number,probe length,resolution and measurement range of the 5 types of sensors in the experiment

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,主要試驗(yàn)步驟如下:

1)考慮到不同傳感器的探針長度和影響半徑特性(表2),制作了3 個(gè)高25 cm、直徑35 cm 的有機(jī)玻璃土柱。

2)根據(jù)華北平原潮土根系層(0～2 m)的土壤容重變化范圍[25],設(shè)定5 組土壤容重,分別為1.40 g·cm-3、1.45 g·cm-3、1.50 g·cm-3、1.55 g·cm-3、1.60 g·cm-3。

3)根據(jù)風(fēng)干土含水量和目標(biāo)容重,計(jì)算不同容重試驗(yàn)下需要填充的土壤質(zhì)量。

4)設(shè)定好目標(biāo)體積含水量,稱取需要的土壤樣品,用噴霧器進(jìn)行灑水,邊灑水邊攪拌,同時(shí)用天平記錄所添加水的質(zhì)量,攪拌均勻后,將全部土壤填入有機(jī)玻璃土柱,每填入5 cm 深用同樣半徑的鋼板進(jìn)行按壓,直至將目標(biāo)質(zhì)量的土壤全部填充完成。

5)將5 種土壤水分傳感器小心地垂直插入土樣中,考慮到官方手冊(cè)中的傳感器測量半徑,為了保持每個(gè)傳感器之間不發(fā)生互相影響及邊壁效應(yīng)造成試驗(yàn)誤差,每個(gè)傳感器距邊壁7 cm,傳感器之間間隔至少為6 cm。每次測量約20 min,并對(duì)穩(wěn)定后的測定值計(jì)算平均值,作為傳感器測量值。本研究重點(diǎn)關(guān)注傳感器采用默認(rèn)參數(shù)或方程情形下的測量準(zhǔn)確度,因此未對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定或修正。所有傳感器均連接至CR1000X 數(shù)據(jù)采集器,利用LoggerNet 4.7 軟件采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)記錄間隔為10 s。

6)測定結(jié)束后,從土柱里隨機(jī)選擇3 處挖取土樣,利用烘干法,測定土壤質(zhì)量含水量,結(jié)合容重確定土壤的真實(shí)體積含水量。

7)重復(fù)步驟3)～6),從低含水量段開始試驗(yàn),直至土壤接近飽和。

由上述試驗(yàn)步驟不難看出,土柱內(nèi)土壤含水量的空間均勻性是影響試驗(yàn)效果的關(guān)鍵因素。本研究針對(duì)土柱填充方法進(jìn)行了土壤含水量均勻性的檢驗(yàn):在土柱填充完成后,利用T315 傳感器在土柱上隨機(jī)選取5 個(gè)位置(間隔至少6 cm,保證每一次測量不受上一次測量形成的插孔的影響)進(jìn)行均勻性測量,發(fā)現(xiàn)土柱內(nèi)不同區(qū)域和位置的土壤含水量變化均不超過1%。為了進(jìn)一步減少試驗(yàn)誤差,本研究在每個(gè)容重和含水量水平下都設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。因此,通過上述步驟可在最大程度上消除土壤水分空間非均勻性對(duì)研究結(jié)果的干擾。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤質(zhì)量含水量的真實(shí)值以烘干法得出的值為準(zhǔn),見公式(1);土壤體積含水量的真實(shí)值由式(2)計(jì)算得到:

式中: θm為土壤質(zhì)量含水量(g·g-1),M為濕土質(zhì)量(g),M1為干土質(zhì)量(g),θv為土壤體含水量(cm3·cm-3),BD 為土壤容重(g·cm-3)。

將傳感器測定的土壤體積含水量測量值與土壤體積含水量真實(shí)值(θv)進(jìn)行對(duì)比,選用均方根誤差(RMSE)和平均絕對(duì)誤差(MAE)評(píng)價(jià)土壤含水量的測量準(zhǔn)確度[26-27]。

均方根誤差(RMSE,cm3·cm-3)是測量值(yi)與真實(shí)值(y)偏差的平方和與測量次數(shù)(m)比值的平方根,用來衡量測量值同真實(shí)值之間的偏差,見公式(3):

平均絕對(duì)誤差(MAE,cm3·cm-3)是測量值(yi)與真實(shí)值(y)的絕對(duì)偏差的平均值,見公式(4):

除上述兩個(gè)指標(biāo)外,本研究還利用單因素方差分析來探討土壤質(zhì)地和容重對(duì)傳感器測量準(zhǔn)確性的影響。單因素方差分析在SPSS 21.0 軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地對(duì)測量結(jié)果的影響

圖1 為5 種類型傳感器在不同土壤質(zhì)地條件下土壤含水量的測量值與真實(shí)值比較的散點(diǎn)圖。從圖1中可以看出,5 種土壤水分傳感器對(duì)質(zhì)地變化的響應(yīng)呈現(xiàn)出顯著的差異性。土壤質(zhì)地對(duì)T315 測量值影響最小,絕大部分測量值均勻地分布在1∶1 線上;土壤質(zhì)地對(duì)測量值的影響僅體現(xiàn)在高含水量段(＞0.3 cm3·cm-3),其中砂土中的測定值偏高(最大誤差為0.056 cm3·cm-3),而粉黏土中的測量值偏低(0.044 cm3·cm-3),但在這兩種土壤質(zhì)地中偏離的幅度大致相當(dāng)。T12 的測量值對(duì)土壤質(zhì)地變化的響應(yīng)與T315 顯著不同(圖1): 土壤質(zhì)地對(duì)T12 測量值的影響整體上大于T315;在粉黏土和砂壤土中的測量值偏高,而在砂土和粉壤土中測量值則與真實(shí)值吻合得較好;此外,T12 在較低含水量段(低于0.3 cm3·cm-3)受質(zhì)地的影響明顯大于高含水量段。

圖1 土壤質(zhì)地對(duì)5 種類型傳感器含水量測量值的影響Fig.1 Influence of soil texture on water content measured by five types of sensors

當(dāng)含水量低于0.3 cm3·cm-3時(shí),CS655 在4 種土壤質(zhì)地下的測量值均低于真實(shí)值,且在砂土中的偏差最大;當(dāng)含水量高于0.3 cm3·cm-3時(shí),測量值則高于真實(shí)值,但偏離程度小于低含水量段。與T12 和CS655 類似,HP2 在低含水量段的測量值受土壤質(zhì)地的影響更明顯。不同的是,HP2 的測量值在粉壤土和砂壤土中明顯高于真實(shí)值,而在砂土和粉黏土中明顯低于真實(shí)值。5TE 在4 種土壤質(zhì)地條件下的測量值與真實(shí)值均存在較大的誤差,其中砂土的測量值誤差最大,可達(dá)0.215 cm3·cm-3。

表3 統(tǒng)計(jì)了不同土壤質(zhì)地、從干燥至飽和情況下各傳感器測量值與真實(shí)值的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差。可以看出T315 在4 種土壤質(zhì)地條件下均保持了較高準(zhǔn)確度,測量誤差均不超過0.017 cm3·cm-3;T12 在砂壤土的測量誤差較大(0.041 cm3·cm-3),在其他3 種土壤質(zhì)地下的誤差均不超過0.021 cm3·cm-3。CS655 在砂土的測量準(zhǔn)確度最差,測量誤差為0.054 cm3·cm-3,在其他3 種質(zhì)地類型下的測量誤差均不超過0.024 cm3·cm-3。HP2 在4 種土壤質(zhì)地類型下的測量準(zhǔn)確度相當(dāng),測量誤差均介于0.02～0.032 cm3·cm-3;5TE 的測量誤差則基本超出0.05 cm3·cm-3,這表明在未經(jīng)標(biāo)定的情況下,該傳感器的測定結(jié)果幾乎無法反映真實(shí)情況?？傮w而言,在4 種土壤質(zhì)地條件下,T315 的測量誤差均最小,且誤差變幅最小,表明T315 的測量結(jié)果最為可靠(圖2)。

圖2 5 種類型傳感器在4 種土壤質(zhì)地下含水量的測量誤差箱式圖Fig.2 Boxcharts of water content measurement errors by 5 types of sensors under 4 soil textures

表3 5 種類型傳感器在不同質(zhì)地類型土壤中的含水量測量準(zhǔn)確性[平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)]Table 3 Mean absolute error (MAE) and root-mean-square error (RMSE) between water contents measured by 5 types of sensors and true values of different types of soil cm3·cm-3

方差分析結(jié)果表明,除T315 外,土壤質(zhì)地對(duì)其余4 種傳感器測量結(jié)果的影響均為極顯著(P＜0.01)。

2.2 容重對(duì)測量結(jié)果的影響

圖3、圖4 分別給出了粉黏土和砂土中不同容重對(duì)含水量測量值的影響。從圖中可以看出,對(duì)不同類型的土壤水分傳感器而言,容重對(duì)土壤含水量測量值的影響微弱,僅對(duì)T12 傳感器測量結(jié)果有一定的影響。當(dāng)容重為1.4 g·cm-3時(shí),T12 在粉黏土中的測量值低于真實(shí)值;當(dāng)容重大于1.4 g·cm-3時(shí),其測量值則高于真實(shí)值。實(shí)際上,針對(duì)其他兩種質(zhì)地類型(粉壤土和砂壤土),容重對(duì)測量結(jié)果的影響也比較微弱。方差分析結(jié)果顯示: 在4 種質(zhì)地類型土壤中,容重變化對(duì)5 種傳感器的測量準(zhǔn)確度無顯著影響。

圖3 容重(BD)對(duì)5 種類型傳感器測定粉黏土含水量的影響Fig.3 Effects of bulk density (BD) on water content of silty clay soil measured by 5 types of sensors

圖4 容重(BD)對(duì)5 種類型傳感器測定砂土含水量的影響Fig.4 Effects of bulk density (BD) on water content of sand measured by 5 types of sensors

2.3 含水量對(duì)測量結(jié)果的影響

在前文中已經(jīng)提到,土壤水分傳感器在低含水量段和高含水量段的性能表現(xiàn)存在差異。圖5 反映了各傳感器測量絕對(duì)誤差隨真實(shí)含水量的變化趨勢。如圖5 所示,在粉黏土中,隨著真實(shí)含水量的增加,T12 的測量誤差逐漸降低,從最大為0.044 cm3·cm-3幾乎下降至零,而T315、CS655 和5TE 呈現(xiàn)增大的趨勢,而HP2 呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,但大部分情況下,誤差最大值不超過0.03 cm3·cm-3。在粉壤土中,除5TE 外,在不同的含水量下,僅有個(gè)別傳感器的絕對(duì)誤差偶爾超過0.05 cm3·cm-3,且T315、CS655、HP2 及T12 的絕對(duì)誤差隨含水量的增大沒有明顯的變化趨勢。在砂壤土中,在低含水量段T12 的測量誤差明顯大于0.03 cm3·cm-3,但其隨含水量的增加誤差呈顯著下降趨勢;在個(gè)別含水量條件下,CS655 的測量誤差也超過了0.03 cm3·cm-3。除CS655 外,其余4 種傳感器在砂土中的測量誤差均隨含水量增加而呈增加的趨勢。由此可見,在不同的土壤質(zhì)地條件下,土壤含水量也極有可能影響傳感器的測量誤差;不論何種質(zhì)地的土壤,影響傳感器測量誤差的含水量閾值為0.03 cm3·cm-3。

圖5 不同土壤類型含水量對(duì)5 種類型傳感器測定含水量誤差的影響Fig.5 Influence of water content of different soil types on soil water measurement errors by 5 types of sensors

3 討論

土壤質(zhì)地是影響傳感器測量結(jié)果的因素之一,大量研究表明土壤質(zhì)地對(duì)傳感器的測量結(jié)果有顯著的影響。本研究主要對(duì)比了常見的5 種傳感器(T315、T12、CS655、HP2 和5TE)在不同質(zhì)地條件下的性能表現(xiàn)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在5 種傳感器中,T315 的綜合表現(xiàn)更好、準(zhǔn)確度更高。Ferrarezi 等[17]和Wilson等[18]的研究結(jié)果也表明: TDR315L (本研究中T315傳感器的同族產(chǎn)品)比Hydra Probe (本研究中HP2傳感器的上一代產(chǎn)品)的測量準(zhǔn)確度更高。但與本研究結(jié)果不同的是,Ferrarezi 等[17]發(fā)現(xiàn)5TE 的測量精度也優(yōu)于Hydra Probe。Feng 等[20]發(fā)現(xiàn)TDR315、CS655 在砂壤土中的測量值比黏土中的測量值更接近土壤含水量,但測量結(jié)果都普遍偏大;Singh 等[21]也發(fā)現(xiàn)TDR315 和CS655 在砂土中測量的結(jié)果更接近真實(shí)值,而在黏土中TDR 測量值偏低、CS655 測量值則偏高。然而,本研究結(jié)果則發(fā)現(xiàn)CS655 在砂土中的測量準(zhǔn)確度差于黏土,這可能與試驗(yàn)條件的不同有關(guān)。本研究的試驗(yàn)條件為室內(nèi)控制,檢查了土壤含水量的均勻性,并且設(shè)置了重復(fù),可以保障研究結(jié)果更具有代表性。此外,針對(duì)高鹽度的土壤,劉鵬等[28]則發(fā)現(xiàn)5TE、Teros12、Hydra Probe Ⅱ、TDR315H、CS655 的測量值均呈現(xiàn)不同程度的偏高,與本研究結(jié)果明顯不同,可能與本研究所采取的供試土壤含鹽量遠(yuǎn)低于劉鵬等[28]研究采用的土壤有關(guān)。

本研究所對(duì)比的容重(1.40 g·cm-3、1.45 g·cm-3、1.50 g·cm-3、1.55 g·cm-3、1.60 g·cm-3)均在1.40 g·cm-3以上,并發(fā)現(xiàn)容重對(duì)土壤水分傳感器測量結(jié)果的影響不顯著。楊海等[29]研究發(fā)現(xiàn)在埋深為60 cm 以后土壤容重對(duì)測量值影響較小;唐玉邦等[30]也研究發(fā)現(xiàn)在同一土壤水分含量下,土壤容重達(dá)1.40 g·cm-3后測量值趨于平穩(wěn)[30]。由此可見,當(dāng)土壤容重低于1.40 g·cm-3時(shí),容重對(duì)不同類型傳感器測量準(zhǔn)確度的影響尚需要開展深入的研究。

綜上所述,受多種因素的綜合影響,土壤條件不同可能也會(huì)導(dǎo)致同一類型傳感器的測量準(zhǔn)確度存在較大的差異,這也更加凸顯了在不同類型土壤地區(qū)開展傳感器適用性評(píng)價(jià)的重要性。

4 結(jié)論

本文分析了國內(nèi)外常用的5 種土壤水分傳感器在河北平原典型農(nóng)田土壤中的適用性,考慮了土壤質(zhì)地和容重兩個(gè)因素對(duì)傳感器測量準(zhǔn)確性的影響,得到結(jié)論如下:

1)在使用未標(biāo)定的土壤水分傳感器的前提下,5TE 的測量準(zhǔn)確度較差,T12 和CS655 分別在砂壤土和砂土中的表現(xiàn)不夠理想;但總體來看,T315、HP2、CS655 和T12 傳感器的綜合測量誤差基本不大于0.03 cm3·cm-3。

2)土壤質(zhì)地對(duì)傳感器測量準(zhǔn)確度的影響遠(yuǎn)大于容重,未來研究需要充分重視土壤質(zhì)地的影響,當(dāng)土壤容重大于1.4 g·cm-3時(shí),可忽略對(duì)容重影響的研究。

3)土壤含水量對(duì)傳感器的測定值也會(huì)產(chǎn)生顯著影響,當(dāng)含水量在0.3 cm3·cm-3左右,傳感器測量精度發(fā)生明顯變化,但不同傳感器的測量精度在閾值上下的變化態(tài)勢并不一致。

需要說明的是,本研究僅考慮了容重和質(zhì)地兩種因素對(duì)傳感器測量準(zhǔn)確度的影響,而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、含鹽量等因素未加考慮;也未對(duì)造成上述結(jié)果的原因進(jìn)行深入探討。因此,多重因素的綜合作用下的傳感器測試性能對(duì)比和機(jī)理研究需進(jìn)一步加強(qiáng)。