FDR 與烘干法測定土壤水分對比分析

徐學義，崔兆韻，黃 華，王洪明，侯育杰，王玉榮，尹紅梅

(泰安市氣象局，山東 泰安 271000)

1 頻域反射法測定土壤水分的原理［2］

Trop 等人提出土壤含水率與土壤介電常數之間存在著確定性的單值多項式關系，為土壤水分的測量開辟了一個新的研究方向，即通過測量土壤的介電常數來計算土壤含水率。FDR(frequency domain reflectometry，頻域反射儀)型土壤水分監測儀利用LC 電路的振蕩，根據電磁波在不同介質中振蕩頻率的變化來測定介質的介電常數，進而通過一定的對應關系反演出土壤水分狀況。LC 振蕩電路的頻率表示為:

(1)式中L為電感，C為電容。LC 振蕩電路頻率F 要受到電感與電容變化的影響，由于土壤水分監測儀器電感值是固定的，因此，其振蕩頻率的變化只取決于電容的變化，而電容的改變要受到土壤的影響，從電磁角度看，土壤由4 種介電物質組成:空氣、土壤固體物質、束縛水和自由水。由前人研究可知土壤的介電特性是以下幾個因子的函數:電磁頻率、溫度、鹽度、土壤容積含水量、束縛水與土壤總容積含水量之比、土壤容重、土壤顆粒形狀及其所包含的水的形態。由于水的介電常數遠遠大于土壤基質中其它材料的介電常數和空氣的介電常數，因此土壤的介電常數的大小主要依賴土壤含水量的多少。當土壤介電特性發生改變LC 振蕩電路中電容就發生變化，由公式(1)可知，電容變化LC 振蕩電路的頻率也相應改變，因而振蕩頻率和管套外部土壤含水量之間就建立了一定的聯系，通過分析LC 振蕩電路的頻率就可反演出土壤水分情況。這也是能夠用FDR 法測量土壤含水率的基本原理。

2 觀測儀器和方法

FDR 土壤水分自動監測儀安裝在泰安大氣觀測場內，選取2005年9月8日到2006年8月30日共40次觀測數據與烘干稱重法進行對比分析，測定深度共六個層次:10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、100 cm。烘干稱重法按照中國氣象局《農業氣象觀測規范》中的有關規定執行，各層次取4個重復，4個重復均勻分布在自動土壤水分測量儀器的四周，半徑在2～10 m 范圍內。每旬逢8 觀測，遇有降水大于10mm以上的情況，降水過程結束后加測1 次。一般認為，烘干稱重法測定的土壤水分值是可信的，能夠作為其他各種土壤水分測量方法的參照標準，但由于其受取樣地點、人工操作等諸多因素的影響，烘干稱重法測定土壤水分存在一定的誤差［3］。

3 結果與分析

3.1 FDR 監測結果與烘干稱重法結果對比分析

圖1－6 分別是6個層次FDR 以及烘干法測定結果變化曲線。可以看出以下幾個特點。

第一:各層次FDR和烘干法測定土壤相對濕度的數值隨時間增減趨勢基本一致，烘干法觀測的數據波動比FDR 數據要劇烈，FDR 觀測數據變化相對平穩，尤其在深層次表現明顯，90～100 cm 土層自動觀測數據幾乎呈直線變化。但在表層1～10 cm，兩者的變化都較為劇烈，說明兩種觀測對水分的敏感程度相當。

第二:烘干法數據比FDR 觀測數據偏大還是偏小沒有明顯的表現，只是在深層90～100 土層，FDR 觀測數據明顯比烘干法數據觀測偏小。

第三:有些烘干法和FDR 觀測數據存在較明顯的差異，不僅表現在數據差距大，而且在增減趨勢上也存在差異，比如4月4日、8月4日0～10 cm 土層、5月5日、6月26日20～30 cm 土層、5月5日30～40 cm 土層、差異較大的日期均為降水過程結束后的加測日期，這說明在水分較大時，兩種觀測差別很大，造成的原因可能是FDR 觀測對水分的敏感程度比烘干法觀測略差。

3.2 兩組數據評估

計算烘干法和FDR 自動觀測差值，相關系數并統計不同差值段的概率，見表1和表2。從計算結果看，極端最大差值出現在30～40 cm 土層，烘干法比FDR 觀測值偏高44.2(表1)。

從表2 看，0～10 cm、20～30 cm、烘干法與FDR 自動差值小于10 的概率達到了62.5%和72.5%，兩種觀測之間的誤差相對其他層次而言偏小，90～100 cm 兩者差值52.5%的大于20，兩者之間的誤差最大。計算不同層次烘干法與FDR 觀測數據的相關系數(表3)，0～10 cm 相關系數最大為0.8129，最小出現在90～100 cm，這也從不同的角度說明烘干法與FDR 自動觀測一致性最好的在表層0～10 cm，最差的在深層90～100 cm。

表1 烘干法和FDR 觀測數據絕對誤差及相關系數Table 1 The data of absolute errorand relative coefficient from FDR and drying method

表2 烘干法和FDR 觀測數據不同誤差范圍內出現的概率Table 2 The probability of data from FDR and drying method in doffevent errors

圖1 烘干法和FDR 測定10～60cm 土層結果的比較曲線Fig.1 The comparative curves of drying method and FDR determination between 10～60 cm soil layers

4 小結

第一:對于不同的層次，0～10 cm 的誤差最小，90～100 cm 的誤差最大。觀測場地90～100 cm 層次為砂性土，其保水能力差，這也是該層次觀測數據相對較小的原因。該層次FDR 自動觀測數值比烘干法數值明顯偏小，說明當自動站電極之間土壤水分較少時，其頻域反射(FDR)測量的感應較差。

第二:FDR 自動觀測比烘干法觀測結果更為穩定些，而且從數據的時間連續性比較，前者比后者較為穩定。由于每次取土都與上次取土位置相區別，這就造成了人工觀測數據的不穩定，雖然每層次取四個重復，這樣會減少單一取樣的不均勻性，但從數據的連續性來講，卻無疑會增加數據的不穩定性。

第三:由于自動觀測范圍固定有限，使得對于說明某一區域的平均狀態，烘干法比FDR 自動觀測更具有靈活性。

第五:氣象部門的干旱監測業務多年來一直使用土鉆烘干的人工測量方法進行觀測，觀測頻率為3次/月，觀測頻率低，觀測一次所需時間長，工作量大，不能滿足決策部門和公眾對干旱監測的需求。FDR穩定、靈敏、準確和實時監測的特點，明顯優于烘干法，能夠滿足抗旱服務需求，有大力推廣價值。

［1］胡 順，田長彥，周宏飛.中子儀土壤墑情監測方法［J］.干旱地區農業研究，2000，18(2):70－75

［2］陳海波，冶林茂，李樹巖，等.FDR 土壤水分自動監測儀的標定與檢驗［J］.微計算機信息，2009，25(11－1):104－106

［3］馬東豪，邵明安.含碎石土壤的含水量測定誤差分析［J］.土壤學報，2008，45 (2):201－206