幾種土壤參數測定儀器的實驗室標定

徐倩　劉玉春　潘秋艷　姜紅安　李晶

摘要：對土壤含水率、電導率和pH值等參數的實時、準確測定是實現精準灌溉的前提，對我國目前科研和生產中常用的幾種土壤參數測定儀器進行實驗室標定，分析這些儀器測試結果的可靠性。結果表明TDR和土壤電導率儀測定土壤含水率和電導率的精度較高、操作簡單；土壤酸堿度儀和三合一測定土壤含水率具有較好的精度、且測定快速簡單，穩定性好，在使用時根據土壤特性和作物品種確定適宜的灌水控制值，但三合一不適宜用來測定土壤pH值；四合一測定土壤含水率穩定性差；土壤電導率和含水率之間呈現為負相關關系，隨著含水率的增大，電導率呈現下降的趨勢。研究結果能夠為作物生產中土壤參數測定儀器的選擇提供參考依據。

關鍵詞：土壤；含水率；電導率；pH值；儀器；實驗室標定

中圖分類號：S274 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0192-06

精細灌溉是根據作物和土壤信息適時、適量地進行灌溉，通過對水肥的精細調控確保農產品的產量和品質，是提高灌溉管理水平、實現節水農業的必然趨勢。在作物生長過程中，對土壤含水率、pH值、電導率等土壤參數進行連續、實時、準確地觀測，根據觀測數據來指導田間灌溉，這對精細灌溉的實現和水資源合理利用具有重要意義。在已有研究中，對TDR測量土壤含水率的研究較多，研究表明TDR的測量值與真實值之間有較高的相關性，目前TDR測定土壤含水率的方法已經在作物灌溉制度的制定、農田水分監測中得到了較為廣泛的應用。目前我國市場上出現了多種操作簡便的土壤含水率、電導率、pH值等土壤參數測定儀器，對這些儀器測定結果的標定尚沒有相關研究。對此，本研究對目前科研和生產中常用的5種土壤參數測定儀器，包括TDR進行實驗室儀器標定，對這些儀器測定土壤參數的可靠性進行評定，為作物生長過程中土壤參數測定儀器的選擇提供更多參考。

1試驗材料與方法

1.1試驗土壤和測定儀器

本研究選用兩種土壤進行試驗，一種取自廊坊市永清縣新苑陽光農業園區，一種取自河北農業大學東校區綠化區，取土層次均為0～20 cm土層，表1給出了兩種試驗土壤的物理和水力特性參數。

本研究對目前科研和生產中常用的5種土壤參數測定儀器進行實驗室標定，包括TDR土壤水分測量儀器/TZS型、土壤電導率原位測量儀/Ec110，土壤pH值/濕度測量儀/KS-06、三合一園藝檢測儀/TR01和四合一土壤測試儀/AMT-300，表2給出了以上5種土壤參數測定儀器的名稱、標定項目、標示測量范圍及精度、產地等相關信息，圖1給出了這些儀器的照片。TDR和土壤電導率儀是目前科學研究中應用較廣的測定土壤含水率和電導率的儀器，操作簡便、快速，且測量范圍較大，為科學研究提供了較為精準的土壤含水率和電導率數據；土壤酸堿度儀、三合一和四合一等儀器是我國近幾年出現的土壤含水率、pH值、溫度等土壤環境多參數測定儀器，由于價格低，使用快捷方便，在園藝生產上得到了一定的推廣應用。這些儀器的測定精度直接影響著水肥管理決策方案，因此有必要對這些儀器的測量精準度進行評價，以便為農業生產中土壤參數測定儀器的選擇提供參考依據，本文對這幾種儀器土壤含水率、電導率和pH值等3個與水肥管理決策密切相關的參數進行了實驗室標定。

1.2試驗設計、觀測項目與方法

試驗于2014年7月-8月在河北農業大學農田水利實驗室進行。試驗土壤首先自然風干、過2mm篩待用。試驗時將試驗土壤配制成不同含水率后裝盆，共設計15個土壤含水率梯度，分別為田間持水率的40%～100%（每隔5%一個梯度）、125%和150%，并按照土壤初始容重裝盆。裝盆后試驗土壤靜置24 h，使水分重新分布達到設計土壤含水率。而后用以上5種土壤參數測定儀器依次測定每盆土壤的含水率、pH值和電導率等環境參數值。儀器測試完成后，每盆取土約50 g，一部分土樣用烘干法測定土壤含水率，一部分土樣自然風干、磨碎、過2mm篩后，按土水比1：5配置土壤浸提液，測定土壤浸提液電導率Ec。試驗數據分析利用SPSS17.0進行。

2結果與分析

2.1土壤含水率測定效果分析

烘干法測定土壤含水率是其它土壤含水率測定方法的標定依據，本試驗也用烘干法測得的土壤含水率作為5種土壤參數測定儀器測定土壤含水率的標定依據。圖2給出了烘干法測定的土壤含水率與設計土壤含水率的相互關系，烘干法測得的廊坊土和保定土的土壤含水率與設計含水率之間的相關系數分別達到0.991和0.987，在=0.01水平上達到顯著相關，說明試驗土壤含水率配制達到了設計值且具有較高的精度。圖3給出了TDR測定的土壤含水率與烘干法土壤含水率之間的關系，兩種土壤TDR測得的土壤含水率與烘干法測得的含水率之間的相關系數分別達到0.967和0.949，在=0.01水平上達到顯著相關，說明TDR測定的土壤含水率精度較高。

土壤酸堿度儀和三合一測得的土壤含水率值越小說明土壤越干燥，圖4和圖5分別給出了土壤酸堿度儀和三合一測得的廊坊土、保定土兩種土壤的含水率與烘干法和TDR法測得的土壤含水率之間關系。土壤酸堿度儀測得的廊坊土、保定土的含水率與烘干法的相關系數分別達到0.976和0.944，與TDR測得土壤含水率之間的相關系數分別為0.943和0.885；三合一測得的兩種土壤含水率與烘干法測得的土壤含水率之間相關系數分別達到0.957和0.897，與TDR測得土壤含水率之間的相關系數分別達到0.944和0.821；均在=0.01水平上均達到顯著相關，說明土壤酸度儀和三合一測得的土壤含水率值與真實土壤水分狀況間具有較好的對應關系，能夠反映土壤水分含量的大小。

表3給出了土壤酸度儀和三合一土壤含水率測定值與烘干法土壤含水率的對應關系，土壤酸堿度儀的含水率測量值為0～8，三合一的測量值為0～10，相同土壤含水率兩種土壤的測量值不同，說明土壤酸度儀和三合一測定的土壤含水率值因土壤的不同而不同，需要在使用時根據土壤特性和作物品種確定適宜的灌水控制值；土壤酸度儀測量時廊坊土含水率超過0.28 cm³/cm³、保定土超過0.26cm³/cm³時超量程三合一測量時廊坊土含水率超過0.25cm³/cm³、保定土超過0.26 cm³/cm³時超量程，即土壤含水率較高達到或超過土壤的田間持水率時這兩種儀器均出現了超量程問題，說明不適合在含水率較大隋況下使用；表3中同時給出了四合一測得的土壤含水率與烘干法測定結果的比較，四合一測定土壤含水率值根據土壤水分含量的大小測定結果顯示為DRY+、DRY、WET和WET+，從表3分析可見，四合一測定值對應的土壤水分范圍較大，說明測量精度較低，且在試驗過程中發現此儀器在應用中測定值的穩定性差。

2.2土壤電導率定效果分析

圖6比餃了電導率儀和浸提法測得的土壤電導率，圖7給出了廊坊土和保定土2種土壤的電導率（浸提法）和含水率（烘干法）的相關關系。分析可見廊坊土和保定土2種土壤電導率儀測得的土壤電導率與浸提法測定結果之間的相關系數分別為0.977和0.974，在=0.01水平上顯著相關，說明電導率儀測得的土壤電導率精度較高、能夠陜速測定并提供較為精準的土壤電導率狀況。隨著土壤含水率的噌大，土壤電導率呈現下降的趨勢，土壤電導率和含水率之間呈現為負相關，廊坊土含水率與電導率之間的相關系數為0.510，有達到顯著相關，保定土含水率與電導率相關系數為-0.719，在=0.01水平上顯著負相關。廊坊土電導率為4130-5130μs/cm，保定土為150-330 μs/cm，當土壤含水率接近田間持水率時，廊坊土電導率則下降至300μs/cm以下，保定土下降至200 μs/cm以下，說明鹽堿土條件下通過土壤水分的調控能夠控制土壤電導率，以保證作物的正常生長對土壤水分和鹽分含量的需求。

2.3土壤pH值測定效果分析

表4給出土壤酸堿度儀、三合一和四合一3種儀器測定的土壤pH值的統計分析結果，3種儀器測試的土壤pH值變異系數均小于0.1，為弱變異性，說明3種儀器測試的土壤pH值差異不大結果一致。土壤酸堿度儀和四合一測量值的偏度系數、測試的土壤pH值變異系數均小于0.1，為弱變異性，說明3種儀器測試的土壤pH值差異不大結果一致。土壤酸堿度儀和四合一測量值的偏度系數、峰度系數均接近0，說明二種儀器的測試結果十分接近、準確可靠。三合一測定結果的方差較大，偏度系數、峰度系數較高，說明測定值的波動較大。試驗測量過程中土壤酸度儀和四合一的穩定性好，三合一的測定值波動性大，穩定性較差。

3結語

對土壤含水率、pH值、電導率等環境參數的實時、準確掌握是實現精準灌溉的前提，對土壤參數測定儀器的可靠性的準確評定，能夠為作物生長過程中土壤參數測定儀器的選擇、精準灌溉決策提供參考依據。

本文對我國目前科研和生產中5種土壤參數測定儀器的實驗室標定結果表明，這5種儀器對土壤含水率、電導率和pH值的測試都具有操作簡便、快速簡單的特點。就土壤含水率的測試而言，TDR的測量精度較高，能夠定量測定土壤含水率，適宜在科研和農業生產中選用；土壤酸堿度儀和三合一測定土壤含水率穩定性較好，測定值與烘干法和TDR測定的土壤含水率之間具有較高的相關性，測量結果具有較高的精度，能夠定性的反映土壤含水率的高低，但不能定量的確定土壤含水率的大小，在使用時需根據土壤特性和作物品種確定適宜的灌水控制限值，適宜在農業生產中選用；四合一測定土壤含水率精度低、穩定性差，不適宜在作物種植過程中選用。就土壤pH值的測試而言，三合一測定pH值的穩定性差，四合一測定pH值穩定性較好。Ec110土壤電導率原位測量儀測定土壤電導率精度較高。

本文僅對這幾種儀器土壤含水率、電導率和pH值等3個與水肥管理決策密切相關的參數進行了實驗室標定，沒有對光照和溫度等其他參數進行標定，尚需在后續研究中加以考慮。農業生產中亟需價格合理、操作簡便、能夠準確定量測定土壤參數的儀器，以便為農業生產的水肥管理管理提供定量的決策支撐；我國目前科研中這些儀器大多依賴進口，真正應用于農業生產、操作簡便、精度較高的相關儀器尚處于空白，亟需展開相關的研發。