基于土壤多參數監測系統的田間持水量試驗研究*

陳蒙蒙，蘭玉彬，王國賓，王杰，王寶聚，魯文霞

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255000； 2. 國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心山東理工大學分中心，山東淄博，255000； 3. 山東理工大學交通與車輛工程學院，山東淄博，255000)

0 引言

土壤水是水文循環以及生態系統的重要組成資源[1]。土壤水分克服重力阻力，經過一段時間能維持較穩定的含水量，土壤此時處于田間持水量[2]。田間持水量是植物吸收和利用水分的重要土壤水力性質[3-4]。田間持水量測量方法有環刀法、張力計法等方法[5-7]。王高英[8]分別使用環刀法和儀器法進行田間持水量和土壤含水量的測定試驗，研究發現減少測量偏差需使用高精度的墑情測定儀。辛玉琛[9]使用自動墑情站和圍框淹灌法分別測量了田間持水量，結果發現采用自動墑情站測定田間持水量的方法可應用于實際工作。

近年來，智能環境監測設備在精準農業生產和管理中的應用越來越廣泛[10-11]。北京農業智能裝備技術研究中心研發的氣象墑情采集系統，能夠遠程監測氣象信息和墑情信息；MP300土壤多參數監測系統可同時采集三種土壤參數；SMM土壤水分測定儀能夠同時測量土壤含水量和土壤水勢；智墑一體化土壤水分監測儀可連續監測不同深度的土壤水分、溫度。這些案例表明，使用高精度監測設備或移動監測器對土壤環境進行監測，已經成為農田信息遠程管理的科學手段[12]。自動墑情站作為無人農場田間管理的“耳目”，能夠遠程實時監測和存儲農田土壤水分數據，為自動節水灌溉決策系統提供模型輸入參數[13-14]。因此本文提出一種基于土壤多參數監測系統測定田間持水量的方法，分析不同深度的土壤體積含水量變化過程，探究土壤表層相對溫度差對土壤水分日丟失量的影響，為智能監測設備在無人農場中的應用提供參考具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，試驗設備選擇美國自動墑情站MP300土壤多參數監測系統。將土壤樣品放進長、寬、高均為300 mm的正方形有機玻璃土箱，土箱側面使用木板固定。有機玻璃土箱位于高240 mm的長方體底座上，土箱底部設計為直徑75 mm的圓排水孔，排水孔厚度為6 mm，排水孔的上底部和下底部裝有網孔直徑分別為2 mm和1 mm的隔離片，以防止土壤微粒漏出，同時不影響水分下滲。由于傳感器需水平放置，故分別在土層剖面10 cm、20 cm深處插入一根傳感器，以監測不同深度的土壤含水量變化情況。傳感器通過信號線與MP300土壤多參數監測系統機箱內的CR1000X數據采集器相連，實現土壤含水量的實時采集和存儲。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 土壤多參數監測系統

圖2是土壤多參數監測系統的結構圖，MP300土壤多參數監測系統由太陽能板、蓄電池、充放電控制器、CR1000X數據采集器、CS655土壤水分傳感器、通訊模塊、增益天線、上位機服務器、上位機軟件組成。太陽能電池板為蓄電池充電，同時PWM太陽能充放電控制器保護蓄電池因過量充電或放電發生損壞，保證數據采集器以及通訊模塊、傳感器等模塊正常工作。使用MD-649無線通訊模塊遠程連接上位機LoggerNet軟件接收數據，設備工作的響應時間是3 ms。CS655土壤水分傳感器采用時域反射法的測量原理，可采集的土壤參數包括體積含水量、土壤溫度、電導率。

圖2 土壤多參數系統結構圖

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤多參數系統測定田間持水量

試驗方法參考《土壤墑情監測規范(SL364—2015)》[15]進行。在試驗田中選取土塊樣品，土塊盡量保持原狀并裝入有機玻璃土箱。原狀土塊經水浸泡后，土壤水分持續增加，并在重力作用下自由下滲。當土壤孔隙充滿懸著水和重力水時，土壤達到飽和狀態[16]。原狀土塊容納的水分含量繼續增加，超過土壤飽和狀態后，土壤重力水通過裝置底部的圓排水孔滲出。當水分滲出量大于400 mL時，不再對原狀土塊進行水量補充，使土壤含水量自然蒸發減少。MP300土壤多參數監測系統每半小時采集1次土壤參數，共采集2 889組數據。取每日所測的平均值作為真值，共處理得62組數據，根據上邊界與下邊界土壤含水量丟失速率的不同，將觀測周期分為3個階段進行函數回歸擬合，結合環刀法的測量值分析田間持水量與土壤水分曲線的關系。

1.3.2 環刀法測定田間持水量

在試驗田選取原狀土塊的同一土壤剖面，使用環刀在10 cm、20 cm深處采集土壤樣品，經水浸泡飽和后，靜置8～12 h，使其重力水完全排出。此時土壤達到吸持水分的最大能力，使用烘干箱進行烘干，并測量前后重量，試驗重復3次計算平均值，從而測得田間持水量。

1.4 數據處理

1.4.1 土壤水分日丟失量

將每日的土壤體積含水量與前天的土壤體積含水量相減，得到土壤水分日丟失量，用來評估土壤上邊界蒸發和下邊界入滲的水分丟失能力。

V=Vi-Vi+1

(1)

式中：ΔV——土壤水分日丟失量，%；

Vi——前天的土壤體積含水量，%；

Vi+1——當日的土壤體積含水量，%。

1.4.2 土壤表層相對溫度差

將每日的溫度均值與前天的溫度均值相減，得到土壤溫度差，再除以當天的溫度均值，得土壤表層相對溫度差，用來評估土壤上邊界蒸發能力。

(2)

式中：RT——土壤表層相對溫度差；

Ti——前天的土壤表層日平均溫度，℃；

Ti+1——當日的土壤表層日平均溫度，℃。

1.4.3 統計檢驗指標

使用三個統計檢驗指標評估擬合結果，Sig.表示P值顯著性，決定系數R2接近1時回歸模型的擬合效果最好。均方根誤差RMSE衡量擬合值與真值的偏差。

(3)

(4)

式中：yi——第i個實際觀測值；

n——實測值個數。

2 結果與分析

2.1 不同觀測階段的土壤體積含水量變化過程

不同觀測階段的土壤水分擬合曲線如圖3所示。Y1、Y2分別表示深度10 cm和20 cm處土壤含水量擬合的土壤水分曲線，將試驗天數分為三組觀測區間[1，13]、[14，20]、[21，62]，環刀法計算土壤樣品10 cm和20 cm深的田間持水量分別為30.2%和30.6%。由于土壤含水量各階段的變化程度不同，土壤水分曲線的斜率必將發生變化。由圖3(a)可知，土壤水分曲線Y1在該區間單調遞減，隨時間增加，曲線斜率變大。土壤水分曲線Y2在該區間也遞減，第12天達到田間持水量后，曲線斜率增大的趨勢變緩。這主要是因為觀測前期10 cm深的土壤含水量除動態的吸收、下滲速率不同外，隨觀測天數后移，蒸發作用產生，土壤含水量減少較快。而20 cm深的土壤含水量以下滲為主，因土壤吸持水分的能力有限，土壤含水量在達到田間持水量前以更快的速率下滲，故兩條土壤水分曲線斜率出現不同程度地變大。由圖3(b)可知，土壤水分曲線Y1在田間持水量出現前斜率較緩，第15天達到田間持水量后曲線斜率開始緩慢增大，而土壤水分曲線Y2保持遞減趨勢。這是因為，土壤排出孔隙里的重力水，達到吸持毛管懸著水的最大能力時出現田間持水量。土壤最大吸持力維持一些時間后，水分克服土壤毛細力和基質力的吸持作用，經蒸發作用土壤含水量減少，故土壤水分曲線斜率較緩。由圖3(c)可知，兩條曲線以不穩定的斜率遞減，土壤水分曲線Y1斜率變化較大，土壤體積含水量減少至6%左右，曲線Y2斜率變化較小，土壤含水量降至12%。這是因為在觀測后期，由于沒有重新向裝置內補充水量，上層10 cm深的土壤含水量受蒸發作用明顯，下層土壤含水量受影響較小。土壤水分曲線Y1、Y2均在不同觀測階段遞減，分別在前15天和前12天土壤含水量大于田間持水量，且在田間持水量出現前后斜率變小的趨勢明顯。因此，田間持水量是完成重力排水后的土壤含水量，建立兩者的相關模型還需研究兩邊界條件對土壤含水量的影響。

(a) 前13天內的擬合曲線

不同觀測階段的土壤體積含水量與觀測天數關系擬合結果檢驗指標見表1，深度10 cm處擬合曲線的3組觀測區間使用A1-1、A1-2、A1-3表示，深度20 cm 處擬合曲線的3組觀測區間使用B1-1、B1-2、B1-3表示。顯著性P值小于0.01，表明各階段內觀測天數與土壤體積含水量存在極顯著相關。均方根誤差RMSE小于0.27，表明擬合值與真值的偏差較小。模型決定系數R2均大于0.99，即認為土壤體積含水量與觀測天數存在一元二次函數關系。若Y(x)表示土壤體積含水量，x表示觀測天數，土壤體積含水量和觀測天數的二次曲線方程為Y(x)=ax2+bx+c，土壤體積含水量與觀測天數二次擬合函數系數a、b、c見表2。

表1 不同階段的土壤體積含水量與觀測天數關系擬合檢驗指標

表2 不同階段的土壤體積含水量與觀測天數二次擬合函數系數

2.2 不同階段的土壤水分日丟失量與土壤表層相對溫度差關系研究

建立的土壤水分日丟失量與土壤表層相對溫度差在時間序列上的回歸模型如圖4所示。從圖4(a)、圖4(d)可以看出，當土壤體積含水量高于田間持水量時，深度10 cm的土壤水分日丟失量擬合曲線的斜率逐漸增大，表明該層的土壤含水量下降加快；深度20 cm的土壤水分日丟失量擬合曲線以相對穩定的斜率增加，在第12天達到田間持水量左右土壤水分日丟失量開始增大，該區間變化主要是由下邊界重力排水造成的。從圖4(b)、圖4(e)可以看出，深度10 cm的土壤水分日丟失量擬合曲線以一元三次函數趨勢增加，在第15天達到田間持水量時斜率最小；深度20 cm的土壤含水量低于田間持水量，曲線斜率變緩，土壤水分日丟失量擬合曲線在該區間的決定系數均大于0.97。從圖4(c)、圖4(f)可以看出，深度10 cm的土壤含水量以低于0.9%的丟失率降低，深度20 cm的土壤含水量以低于0.6%的丟失率降低，由于該區間的土壤含水量始終低于田間持水量，不再發生重力排水，土壤水分丟失主要是蒸發作用造成的。不同深度的土壤水分日丟失量擬合曲線在時間序列上表現為一元三次函數關系變化。由于重力排水和蒸發排水的速率不同，不同階段的土壤水分日丟失速率也顯著不同。土壤表層相對溫度差在一定程度影響了土壤水分蒸發[17-18]。結合土壤表層相對溫度差擬合曲線可知，上邊界蒸發速率穩定，表明土壤表層相對溫度差對土壤水分日丟失量的影響不顯著，在時間序列上近似為一個常數。這可能是因為在蒸發能力不變的情況下，土壤顆粒的形狀、大小以及孔隙的不均勻性在排水過程中影響了入滲率。在各向異性的土壤剖面，水流方向的不確定性導致部分水分未能進入傳感器探針的監測范圍。

(a) A1-1

2.3 土壤水分曲線與田間持水量關系探究

在觀測期的前20天內，土壤多參數監測系統測定的土壤體積含水量如表3所示，土層剖面10 cm深處傳感器在該層監測到的土壤含水量為21.8%～39%，其中第15天的測量值是30.3%，與環刀法測量值相差0.1%；土層剖面20 cm深處傳感器在該層監測到的土壤含水量為23.4%～40.4%，其中第12天的測量值是31.3%，與環刀法測量值相差0.7%，表明不同深度的土壤含水量分別在第15天和第12天接近于該層的田間持水量。將x值分別為15和12代入表2對應區間的模型擬合關系式：Y1=-0.235x2+6.485x-14.25，Y2=-0.029x2-0.513x+41.32，得到的誤差范圍是[0.05，0.39]，對比土壤含水量監測值的誤差范圍[0.1，0.7]，表明使用二次回歸模型計算田間持水量的誤差可縮小一半，具有更高精度，可近似認為田間持水量是土壤水分曲線上的點。因此，首次部署墑情設備時，使監測區域達到土壤飽和狀態，在無灌溉或降雨等環境因素的影響下，本試驗得到的土壤水分曲線可為測定田間持水量提供判斷，方便遠程監管土壤數據和校正系統誤差。

表3 土壤體積含水量和田間持水量數據

3 應用實例

MP300土壤多參數監測系統于2019年12月13日安裝在山東省臨淄區生態無人農場試驗田，記錄兩周的土壤體積含水量變化，以監測小麥越冬期土壤環境對其生長影響。傳感器均水平放置在離地面深10 cm、20 cm、30 cm的土坑剖面，環刀法測得每層土壤樣品的田間持水量分別為29.6%、27.3%、27.3%。不同深度的土壤體積含水量實際情況如圖5所示，觀測前期各深度的土壤水分處在動態平衡狀態，土壤體積含水量相近，且低于田間持水量。經12月15日當天的一次規模降雨，10 cm深度的土壤水分曲線以最快的速率達到田間持水量，一段時間后曲線斜率變小，在達到最大值35.2%后土壤水分曲線開始下降，并保持高于田間持水量，下降主要受土壤水下滲作用影響。該層土壤水分曲線斜率不穩定變化的主要原因有兩點：一是無人農場人為澆灌或自然降雨周期不可控，二是離地表最近，導致在不規律降雨的影響下土壤體積含水量增減波動頻繁。20 cm深度的土壤水分曲線斜率逐漸增大，并在19日接近田間持水量，達到該層的田間持水量后在土壤水下滲作用的影響下曲線斜率變緩。該層的土壤體積含水量受外界影響較小，故變化規律與室內試驗結果一致。而30 cm深度的土壤水分曲線始終在低于該層田間持水量的監測值25%附近變化，表明該層的土壤含水量不受降雨影響且相對穩定。從圖5可以看出，農場的土壤環境整體良好，適合小麥幼苗生長。而計算田間持水量是為了更好地估算作物需水模型，在復雜農田環境下，可應用大數據技術進行模型估算，除直接監測農場的土壤水分外，還應考慮土壤溫度、灌溉用量、氣象因素、作物生理學特性等因子。

圖5 不同深度的土壤水分曲線

4 結論

1) 研究基于土壤多參數監測系統監測飽和土壤含水量自然蒸發全過程，記錄土壤體積含水量數據，將不同深度的土壤含水量數據在不同階段上建立回歸模型，分析不同模型的變化規律，計算田間持水量并與環刀法作對比，經田間試驗驗證明確進一步的研究方向。

2) 試驗結果表明：在模擬土壤體積含水量變化過程中，土壤水分丟失主要受到蒸發和下滲因素的影響，不同觀測階段上擬合土壤水分曲線的相關系數R2大于0.99，表明各階段內觀測天數對土壤體積含水量的影響極顯著。而另一影響因子土壤表層相對溫度差在時間序列上近似為一個常數，表明土壤表層相對溫度差對土壤水分日丟失量的影響不顯著。10 cm深度和20 cm深度的田間持水量分別位于各層土壤水分曲線的第15天和第12天，該處的土壤含水量對比環刀法真實值的誤差范圍是[0.1，0.7]，使用二次回歸模型計算的誤差是[0.05，0.39]，表明使用二次回歸模型計算田間持水量的誤差可縮小一半，具有更高精度。

3) 研究提出的基于土壤多參數監測系統測定田間持水量的試驗方法，測定結果滿足田間管理需求，可以作為土壤監測設備新應用的參考。經系統部署驗證，在復雜的農田環境下還應建立更高精度的估算模型，且降雨后淺層的土壤含水量可達到田間持水量，深層的土壤含水量較難達到田間持水量，在作物根系發達且急需水的階段還應進行相應灌溉，為農業節水灌溉提供新的監測手段。