新型FDR系統(tǒng)的校正及在土壤水分監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李 立，張澤中，王盈盈

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450000)

1 概 述

水是干旱區(qū)生產(chǎn)和發(fā)展的最重要限制因素，也是植物生存的主要限制因子[1-2]。化學(xué)肥料的溶解、土壤中有機(jī)養(yǎng)分的分解、養(yǎng)分離子的遷移，以及作物植物對(duì)養(yǎng)分的吸收都必須通過(guò)水分介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。土壤水分是土壤的重要物理參數(shù)，對(duì)土壤水分及其變化的監(jiān)測(cè)是農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境、水文和水土保持等研究工作中的一個(gè)基礎(chǔ)工作[3]。土壤水分含量也是農(nóng)業(yè)灌溉決策、管理中的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉中的作用是相當(dāng)明顯的。因此，準(zhǔn)確獲得可靠的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中極為重要。

土壤水分含量可以通過(guò)測(cè)量土壤的質(zhì)量含水量和體積含水率或者通過(guò)測(cè)量土壤的基質(zhì)勢(shì)來(lái)確定，這兩種方法通過(guò)與土壤相接觸直接獲得土壤水分含量。近年來(lái)，通過(guò)采用非接觸式的測(cè)量方法也發(fā)展迅速。在測(cè)量土壤的質(zhì)量和體積含水量時(shí)，烘干法[4]、中子儀法[5]、TDR、FDR方法應(yīng)用廣泛；張力計(jì)法、電阻塊法、干濕計(jì)法是測(cè)量土壤的基質(zhì)勢(shì)主要方法。光學(xué)測(cè)量法不用接觸土壤，在部分土壤含水量的測(cè)定中擁有優(yōu)勢(shì)。土壤含水量測(cè)定方法都有各自的特色及優(yōu)缺點(diǎn)。FDR(Frequency Domain Reflectometry)頻域反射儀具有方便、快速、準(zhǔn)確、不擾動(dòng)土壤，工作頻率范圍廣、水分測(cè)量范圍寬，而且不受滯后作用影響，可在同一地點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分及其動(dòng)態(tài)變化的優(yōu)點(diǎn)[6]，它可與時(shí)域反射儀TDR及中子水分儀相媲美[7-9]，但價(jià)格相對(duì)便宜且無(wú)放射性污染源，近年在國(guó)內(nèi)的許多區(qū)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種新型管式一體化FDR系統(tǒng)的測(cè)量原理、安裝方法與數(shù)據(jù)讀取、校正結(jié)果及其在土壤水分連續(xù)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，從操作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)揭示FDR在土壤水分監(jiān)測(cè)中的便利性和準(zhǔn)確性，以期到達(dá)FDR系統(tǒng)的推廣價(jià)值。本文采用的是新型FDR系統(tǒng)，能夠適應(yīng)沙質(zhì)土壤水分監(jiān)測(cè)。本次選取的內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤的特殊性，通過(guò)校正FDR系統(tǒng)監(jiān)測(cè)土壤水分為FDR系統(tǒng)在沙質(zhì)土壤中的應(yīng)用提供依據(jù)。

2 FDR系統(tǒng)的測(cè)量原理

由于土壤體積含水量和土壤的表觀介電常數(shù)存在特定關(guān)系，F(xiàn)DR利用電磁脈沖原理，測(cè)量出電磁波在土壤中的傳播頻率得到土壤的介電常數(shù)，從而得到土壤的含水量。土壤的介電特性是以下幾個(gè)因子的函數(shù)：電磁頻率、溫度和鹽度，土壤容積含水量、束縛水與土壤總?cè)莘e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(tài)[10]。在無(wú)線電頻率標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)(20℃，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，純水的介電常數(shù)為80.4，空氣的介電常數(shù)為1，土壤顆粒的介電常數(shù)為3～7，可以看出土壤的介電常數(shù)的大小與土壤水分的高低有直接關(guān)系。郭衛(wèi)華等將FDR系統(tǒng)測(cè)量做了較為詳細(xì)的論述[11]。FDR的探頭稱為介電傳感器，主要由一對(duì)電極(平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán))構(gòu)成，這兩個(gè)電極相當(dāng)于振蕩電路中的正負(fù)兩個(gè)極板，整體結(jié)構(gòu)作為一個(gè)電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，振蕩器工作頻率隨土壤電容的增加而降低，通過(guò)頻率值可以實(shí)時(shí)計(jì)算土壤含水量。Topp、Whalley等[12-13]多年的研究結(jié)果表明，在多種土壤中介電常數(shù)的平方根與土壤體積含水率之間存在線性關(guān)系；土壤的介電常數(shù)主要取決于土壤體積含水率，而與土壤的質(zhì)地、類型、溫度(>0℃)和土壤可溶性鹽分含量的關(guān)聯(lián)度較低。這些研究成果為FDR水分測(cè)試儀提高測(cè)量精度提供了一定參考依據(jù)，為之后FDR大面積推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 管式智能一體化FDR的安裝與數(shù)據(jù)讀取

本文所采用的FDR系統(tǒng)是由北京東方潤(rùn)澤生態(tài)科技股份有限公司生產(chǎn)的“智墑TM”牌管式智能一體化高度集成的土壤墑情監(jiān)測(cè)儀。該FDR系統(tǒng)主要由以下4部分組成：充電及快速啟動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊、土壤水分、溫度和鹽分監(jiān)測(cè)模塊、內(nèi)置充電電池模塊。整機(jī)防護(hù)等級(jí)為IP68防水防塵。該FDR系統(tǒng)地下埋設(shè)部分直徑為63 mm，監(jiān)測(cè)深度為1 m，每10 cm為一層，每層的中心位置都布設(shè)有一對(duì)圓形金屬環(huán)探頭，監(jiān)測(cè)地表以下多個(gè)深度10、20、30、40、50、60、70、80、90和100 cm的土壤體積含水量(每層100 mm厚土層的體積含水量的平均值)、土壤溫度和總的鹽分含量。用與該FDR土壤水分監(jiān)測(cè)儀配套的取土鉆在2株玉米根系附近土壤中鉆取直徑為65 mm、適當(dāng)深度、表面光潔的垂直孔洞，將取出的部分土壤摻水拌和成芝麻糊狀的泥漿灌入孔洞，快速插入儀器以避免產(chǎn)生土壤孔隙。土壤空隙對(duì)介電常數(shù)的影響較大，在土壤密實(shí)度不好、產(chǎn)生土壤空隙的情況下，儀器測(cè)量的是空氣而非土壤水分的介電常數(shù)，而且土壤孔隙會(huì)阻礙電磁場(chǎng)穿透周圍的土壤，因此用FDR系統(tǒng)測(cè)量土壤含水量時(shí)一定不能產(chǎn)生土壤空隙。

該FDR系統(tǒng)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)同一位置多個(gè)土層深度的土壤水分、溫度，并將監(jiān)測(cè)的本地?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云端，用戶通過(guò)登錄Web瀏覽器或使用微信公眾號(hào)讀取或處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送可以設(shè)置成實(shí)時(shí)或定時(shí)發(fā)送模式，本實(shí)驗(yàn)所用FDR系統(tǒng)為定時(shí)發(fā)送模式，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1 h。

4 FDR系統(tǒng)的校正及在土壤水分連續(xù)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

4.1 FDR觀測(cè)值的校正

本實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)巴彥淖爾市水利科學(xué)研究所曙光水利科研試驗(yàn)站進(jìn)行，2017年4～5月份在試驗(yàn)場(chǎng)玉米田測(cè)量了不同位置的土壤含水量。該實(shí)驗(yàn)地土壤0～40 cm為壤土層，土壤干容重1.50～1.75；40 cm以下為沙土，土壤干容重在1.56～1.65 g/cm，地下水位埋深較淺，距地表約1.2 m。由于該地土壤的獨(dú)特性，在其土壤水分的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中需要進(jìn)行校正。傳統(tǒng)烘干法測(cè)量的土壤水分是最準(zhǔn)確的，通常作為其它含水量測(cè)量方法的校正標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文校正中使用200cc環(huán)刀取同位置的土壤樣本，用烘干法測(cè)得該位置的土壤質(zhì)量含水量和土壤干容重，將FDR測(cè)定的體積含水量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量含水量與烘干法標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，在不同時(shí)間段對(duì)該FDR監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)不同深度土壤分別同步測(cè)定了120對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)。測(cè)定結(jié)果表明,在0～40 cm壤土層烘干法測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)水分值與FDR測(cè)量值的質(zhì)量含水率絕對(duì)誤差在正負(fù)4%以內(nèi)，符合國(guó)家水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范監(jiān)測(cè)精度要求。其計(jì)算公式如下：

(1)

在40 cm以下沙土層土壤含水量數(shù)據(jù)誤差較大，F(xiàn)DR系統(tǒng)質(zhì)量含水量明顯比烘干法偏高，需要重新進(jìn)行率定。對(duì)沙土層80對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)回歸分析，烘干法標(biāo)準(zhǔn)值與FDR測(cè)定值之間的相關(guān)系數(shù)R2=0.76，自由度為79，經(jīng)檢驗(yàn)α<0.001，達(dá)到極顯著相關(guān)水平。回歸分析結(jié)果見(jiàn)圖1。校正方程為：

y=1.0567x+8.3889R2=0.76

(2)

式中：x為烘干法測(cè)得的土壤質(zhì)量含水量標(biāo)準(zhǔn)值；y為FDR系統(tǒng)的質(zhì)量含水量值；R2為模型擬合優(yōu)度。

R2=0.76說(shuō)明校正以后所得FDR系統(tǒng)測(cè)定得出的土壤含水量與傳統(tǒng)的烘干法測(cè)得的水分值相符，可以很好地反映實(shí)際土壤水分狀況，說(shuō)明該FDR系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)到的水分?jǐn)?shù)據(jù)是可靠的。從校正結(jié)果來(lái)看，F(xiàn)DR的校正較為簡(jiǎn)單，近似線性輸出，相對(duì)于其它測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜繁瑣的校正過(guò)程而言，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖1 FDR測(cè)量值的校正結(jié)果

4.2 FDR在土壤水分連續(xù)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1) 通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤含水量的連續(xù)變化情況，獲得土壤中客觀發(fā)生的水分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)圖2。FDR系統(tǒng)連續(xù)密集采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，可觀察到土壤中水分的連續(xù)動(dòng)態(tài)變化情況，分析可得到以下信息：①4次土壤含水量的迅速升高，說(shuō)明發(fā)生4次降雨或灌溉。②灌溉或降雨結(jié)束后，土壤水分開(kāi)始下滲，含水量迅速下降，入滲結(jié)束后土壤含水量下降曲線呈現(xiàn)出階梯狀的變化規(guī)律。從對(duì)應(yīng)的時(shí)間來(lái)看，白天由于土壤蒸發(fā)、植物(該實(shí)驗(yàn)為玉米)蒸騰耗水，含水量下降速度較夜間快。③可以直接計(jì)算出某天該10 cm土層的含水量減少值。圖2中凌晨土壤含水量為10.93%，到夜間土壤含水量值降到9.82%；一天中10 cm深土層的含水量減少量為1.11%，即地表到地下10 cm，100 mm深土層中包含的水分由10.93 mm下降到9.82 mm，共減少了1.11 mm。

2) 通過(guò)該FDR監(jiān)測(cè)位置的歷史水分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前土壤含水量狀態(tài)、吸水根系深度，實(shí)時(shí)計(jì)算作物根系所在土壤當(dāng)前有效儲(chǔ)水量和蓄水潛力。圖3為根據(jù)FDR監(jiān)測(cè)到的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)分析處理建立的“YH土壤水分模型”。

圖2 10 cm深度土壤含水量連續(xù)變化曲線圖

圖3 FDR系統(tǒng)土壤水分分析“YH土壤水分模型”

該模型具有以下特點(diǎn)：①該水分模型中所有數(shù)據(jù)都是該FDR系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)；②該模型中的歷史最低、歷史最高含水量、作物吸水根系所在位置、當(dāng)前土壤含水量都是隨著FDR系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；③該模型系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)計(jì)算出作物吸水根系所在位置土壤的有效儲(chǔ)水量(可供作物利用的水分總量，與土壤質(zhì)地、農(nóng)作物種類、農(nóng)作物生育期、吸水根系深度等多因素有關(guān))及蓄水潛力(土壤還可以存蓄的水分總量，與灌溉模式、土壤質(zhì)地、土壤中有機(jī)物的含量等多因素有關(guān))。其原理是根據(jù)作物根系區(qū)域所在的各個(gè)土層中，當(dāng)前土壤含水量與該監(jiān)測(cè)位置監(jiān)測(cè)到的歷史最低、最高含水量的差值的絕對(duì)值疊加，即為該作物吸水根系所在位置土壤有效儲(chǔ)水量和蓄水潛力，單位為mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 管式智能一體化FDR土壤水分傳感器水分探測(cè)單元不與土壤直接接觸，水分探頭直接內(nèi)置于耐腐蝕的PVC管殼中，延緩了電子器件和水分探頭的的氧化和腐蝕，增強(qiáng)了FDR系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和獲取結(jié)果的可靠性。采用打孔后原狀土灌漿安裝管式FDR的方法對(duì)土壤擾動(dòng)很小，也確保了FDR系統(tǒng)與土壤的緊密接觸，提高了FDR測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2) 管式智能一體化FDR在出廠時(shí)已進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)校正，但在實(shí)際使用時(shí)仍需根據(jù)實(shí)際情況做進(jìn)一步的校正，其土壤校正過(guò)程較為簡(jiǎn)單，且校正以后的土壤水分值與標(biāo)準(zhǔn)烘干法測(cè)得的值相符，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3) 管式智能一體化FDR系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤含水量的連續(xù)變化情況可獲得土壤中客觀發(fā)生的、反映土壤水分變化規(guī)律的連續(xù)曲線。可以通過(guò)FDR自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)到的土壤含水量數(shù)據(jù)，結(jié)合未來(lái)降雨量、作物耗水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理，做出科學(xué)的灌溉決策，實(shí)現(xiàn)人對(duì)土壤和植物根系水分狀況的深度感知。