水分傳感器埋設深度及個數對墑情精度的影響

李泳霖，王仰仁，武朝寶，劉宏武，孟 翀

(1.天津農學院水利工程學院，天津 300384；2.天津市節水灌溉技術與裝備校企協同創新實驗室，天津 300384；3.山西省中心灌溉試驗站，山西 文水 030012)

0 引 言

在現代農業生產中，準確測定大田土壤含水率，是土壤墑情預測及作物適時適量灌溉的基礎，是實現精準灌溉及灌溉自動化的依據。土壤水分測定的方法較多，各種方法優缺點不同[1,2]。土壤水分傳感器的制造技術日益成熟，具有高精度、準確、快速、可連續一點監測等優點[3,4]。土鉆取土烘干法的準確度最高，是評價其他測試方法的標準，但測定過程較為繁雜，若需要長期測定多個位置的土壤水分，則需要耗費較大的人力財力，且在取土的過程中會造成土壤的擾動，很難實現定點長期檢測。因此土壤水分傳感器在精準灌溉中被廣泛應用，對于節水增產具有重要的意義[5]。

使用土壤水分傳感器定點監測土壤水分時，傳感器埋入地下的深度和個數對土壤剖面水分的測試準確度有直接的影響。土壤水分傳感器造價較高，若在同一土壤剖面不同深度埋設多個傳感器成本太高，會影響土壤監測系統的推廣和應用[6]。相關研究表明，通過對一個監測點進行長期監測，發現同一土壤剖面內相鄰土層之間的含水率具有較好的相關性[7]，因此，用數量較少的土層含水率可以描述整個剖面土壤含水量的信息，以便于減少土壤水分傳感器的埋設數量，從而在保證監測準確的情況下降低系統的成本[8-10]。本文分析了4個試驗區0～100和0～60 cm土壤剖面含水率與不同土層深度、不同土層間隔、不同監測點數的含水率的關系，找到了一種較為可靠的傳感器埋設方案，可為不同根系層深度的作物提供土壤水分傳感器埋設深度和個數的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究選取了2017年6月-2017年9月山西省3個灌溉試驗站(文峪河、霍泉、利民)及天津市武清試驗區共計4個試驗區的土壤含水率資料，這些含水率資料均采用取土烘干法測得，測試深度為100 cm，每20 cm一層，共5層，在作物生育期內每10 d左右測試一次，灌水前后加測。各試驗區種植作物為夏玉米，土壤剖面均質分布，不存在明顯的分層，土壤性質(0～100 cm的平均值)見表1。

表1 各試驗區土壤性質Tab.1 Soil properties in each test area

1.2 數據處理方法

本文共選用4個試驗區共208組土壤剖面含水率數據，每組數據包括0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 共5層土壤含水率。數據分析均采用Excel軟件，分別計算不同深度(60、100 cm)的土壤剖面平均含水率，選取不同的土層深度、不同的監測點數(表2)，由此分析土壤剖面平均含水率與各監測點含水率的關系，一個監測點時用式(1)計算土壤含水率的平均值，兩個監測點時用式(2)計算，計算各情況下土壤剖面平均含水率與y的相對誤差[式(3)]、均方根誤差[式(4)]。

y=ax+b

(1)

y=ax1+bx2-2+c

(2)

(3)

(4)

式中：y為剖面土壤含水率平均值的模擬值；x為監測點含水率的實測值；a、b、c為擬合的參數；δR為相對誤差；RMSE為均方根誤差；n為樣本個數；Mi和Si分別為第i個土壤含水率的測量值和計算值。

表2 不同計劃濕潤層土壤含水率監測點位置Tab.2 Different plan wetlands monitoring point locations

2 結果與分析

2.1 土壤剖面含水率與一個監測點含水率的關系

2.1.1 0～60 cm土壤剖面含水率與監測點含水率的關系

0～60 cm土壤剖面平均含水率的模擬值采用式(1)計算，0～20、20～40、40～60 cm的3個實測含水率的平均值作為0～60 cm土壤剖面平均含水率的監測值。計算過程中，20 cm深度處的含水率用0～20和20～40 cm兩個土層含水率的平均值表示；30 cm深度處的含水率用20～40 cm土層的含水率表示；40 cm深度處的含水率用20～40和40～60 cm兩個土層含水率的平均值表示；50 cm深度處的含水率用40～60 cm土層的含水率表示。并計算各土層深度含水率與土壤剖面平均含水率的相關系數、相對誤差和RMSE。選擇計算結果較好的2個深度的監測點(30、40 cm)，作為示例(表3)。

表3 0～60 cm土壤剖面含水率與1個監測點含水率的關系Tab.3 Relationship between soil moisture rate at one monitoring point and moisture content in 0～60 cm soil profile

表3結果表明，0～60 cm土壤剖面含水率與40 cm監測點含水率的相關性好于30 cm監測點。其中40 cm對應的R2最大0.986，最小0.910，平均值為0.956；30 cm對應的R2最大0.982，最小0.846，平均值為0.933。相對誤差和均方根誤差(RMSE)也表現出相同的規律，40 cm時的相對誤差和RMSE小于30 cm時的相對誤差和RMSE。故若埋設一個監測點時，埋設深度應選擇40 cm，能最好的反映0～60 cm土壤剖面含水率。

比較a，b可發現，40 cm時，參數a的平均值大于30 cm所對應的值。40 cm對應參數a的平均值為0.977，最大值、最小值分別為1.008、0.935；30 cm對應參數a的平均值為0.919，最大值、最小值分別為0.977、0.853。40 cm對應參數b的平均值小于30 cm所對應的值。40 cm時的平均值、最大值、最小值分別為0.236、0.567、-0.219；30 cm時的平均值、最大值、最小值分別為1.268、2.300、0.552。

2.1.2 0～100 cm土壤剖面平均含水率與監測點含水率的相關性

分析各試驗區0～100 cm土壤剖面平均含水率與不同監測點含水率關系時，同樣采用式(1)計算，各檢測點含水率用上述方法表示，選取計算結果較好的30、40、50 、60 cm深度監測點作為示例，見表4。

結果表明(表4)各試驗區0～100 cm土壤剖面含水率與60 cm監測點土壤含水率的相關系數(R2)最大(0.935)，40 cm次之(0.933)，60 cm的最大值為0.986，最小的為0.856；40 cm的最大值為0.975，最小值為0.871。平均的相關系數以60 cm深度最小、40 cm深度次之；平均相對誤差和平均絕對誤差也以60 cm深度最小，次之為50 cm；故宜選擇60 cm深度作為傳感器埋設深度。同樣地，不同監測點(不同深度)參數a和b的值也有較大差異，其值的率定須分區進行。

表4 0～100 cm土壤剖面含水率與1個監測點含水率的關系Tab.4 Relationship between soil moisture rate at one monitoring point and moisture content in 0～100 cm soil profile

2.2 土壤剖面含水率與兩個監測點含水率的關系

2.2.1 0～60 cm土壤剖面含水率與兩個監測點含水率關系

用式(2)分析土壤剖面平均含水率與兩個監測點含水率的關系，其中參數a、b、c用回歸分析的方法計算，x1、x2分別表示兩個監測點的含水率，分別計算了不同組合(表2)監測點位置的含水率與土壤剖面平均含水率的R2、相對誤差和RMSE。其值以20/40和20/50 cm兩種組合的計算結果較好，見表5。

由表5可看出，就相關系數而言，兩個深度組合均達到0.99以上，表明其相關性是非常好的，且以20/50 cm深度組合較好，相對誤差和均方根誤差也均表現出一致的結果， 故宜選擇20/50 cm深度組合埋設傳感器，其監測點的含水率能更好地反映0～60 cm土壤剖面平均含水率。

2.2.2 0～100 cm土壤剖面含水率與2個監測點含水率的關系

同樣采用式(2)用回歸分析的方法分析0～100 cm土壤剖面含水率與兩個監測點含水率的關系，計算參數a、b、c的值，相關關系R2、相對誤差RMSE，計算結果顯示， 0～100 cm土壤剖面平均含水率與30/60 cm、40/70 cm兩種監測點位置的含水率的相關性較好，因此也只給出兩種監測點設置的計算結果，見表6。

表5 0～60 cm土壤剖面含水率與2個監測點土壤含水率的關系Tab.5 Soil moisture rate at two monitoring points and water cut in 0～60 cm soil profile

表6 0～100 cm土壤剖面含水率與2個監測點土壤含水率關系Tab.6 Soil moisture rate at two monitoring points and water cut in 0～100 cm soil profile

由表6可看出，4個試驗區的相關系數均較大，均達到了0.92以上，其中最大值達到0.99以上；兩個深度組合的相關系數較為接近，40/70 cm深度組合的相關系數略大于30/60 cm深度組合；相對誤差和均方根誤差也表現出類似結果，故推薦采用40/70 cm深度組合布設傳感器。

同樣地，不同試驗區的參數a、b、c的差異也較大，最大值分別為0.920、1.232、1.611，最小值分別為-0.371、0.125、-0.145。故參數a、b、c的率定宜分區進行。

2.3 綜合分析

從R2、平均相對誤差RMSE綜合來看，一個監測點(一個深度)的含水率可以較好地表示土壤剖面平均含水率，其相關系數可以達到0.93以上；0～60 cm土壤剖面平均含水率宜用40 cm土層的含水率表示，0～100 cm土層剖面平均含水率宜用60 cm土層的含水率表示。

考慮到不同作物不同的生育期根系層深度不同，若土壤水分傳感器埋設深度為40 cm，對于淺根系作物(茄子)整個生育期內根系層不超過60 cm時，土壤水分傳感器就能很好的反映土壤剖面平均含水率。對于深根系作物，同一剖面一個土壤水分傳感器監測的數據就不能準確反映土壤剖面的水分；若土壤水分傳感器的埋設深度為60 cm，考慮到淺層土層含水率變化較大這一特性[7]，一個剖面只埋設一個土壤水分傳感器監測的土壤剖面水分就不夠精確。鑒于此，對于深根系作物，土壤水分傳感器的埋設數量應在1個以上，以確保作物整個生育期內監測的土壤含水率更為準確。

同一點在2個深度埋設土壤水分傳感器，剖面土壤含水率與監測點含水率的相關系數可大大提高。0～60 cm土壤剖面平均含水率可以用20/40 cm深度組合的含水率反映，但考慮深根系作物的根系層深度超過60 cm時，土壤水分傳感器的埋設深度也要適當增大。對于0～100 cm土壤剖面平均含水率，分析結果為40/70 cm深度組合較好。因此選擇40/70 cm深度組合布設土壤水分傳感器更為合適，這樣對于淺根系作物或深根系作物都能在整個生育期內對土壤水分進行較精確的監測。

3 結 語

(1)只布設1個監測點時， 0～60 cm土壤剖面平均含水率與40 cm土層含水率相關性最高(R2=0.956)， 0～100 cm土壤剖面平均含水率與60 cm土層含水率相關性最高(R2=0.935)。

(2)布設2個監測點時，0～60 cm土壤剖面含水率與20/40 cm深度組合的土壤含水率相關性最高(R2=0.994)；0～100 cm土壤剖面平均含水率與40/70 cm深度組合的含水率相關性最高(R2=0.965)。

(3)考慮作物生育期內根系層深度的變化，建議同一點在兩個深度埋設土壤水分傳感器，深度組合為40/70 cm，相關系數可以達到較高值。