環刀稱重法公式率定技術在遼寧土壤墑情監測中的應用

劉陽

（遼寧省朝陽水文局，遼寧朝陽122000）

0 引言

目前，全國各省區建設的自動墑情監測站普遍存在數據精度低，不能滿足旱情分析工作需要的問題。為有效利用自動墑情監測站數據，必須以人工墑情數據對自動墑情數據進行對比分析，研究自動墑情數據與人工墑情數據趨勢，找出數據的系統偏差，并對自動墑情數據進行修正，有效提高自動墑情監測站數據準確度。

遼寧省自動墑情監測站選址少有在大田的，而人工墑情站均在實際耕作的大田取樣，存在遙測站土壤結構與大田不同步變化問題。人工數據與遙測數據經對比分析，有以下特點：

1）在封凍期，土壤中水分結冰，形成濕度很小的固體物質，造成監測儀器數據偏小，不代表土壤真實含水量。因封凍前有降雨降雪，封凍后土壤孔隙中有大量冰晶，造成人工數據偏大，因此，在解凍前，人工和遙測數據沒有可比性。

2）土壤解凍后，5 月中旬至 9 月底，人工數據與遙測數據大趨勢一致，但受人工取樣與遙測站位置不同、大田除草施肥等耕作造成表層土壤結構改變等影響，多數站點的人工數據和遙測數據過程線有交叉現象，沒有系統規律，即便過程線不交叉，也不存在穩定的差值[3]。

3）部分遙測站因雨量場改造等原因進行了遷移，影響監測數據的連續性和穩定性[4]。為提高土壤墑情自動監測的精度，近些年來，國內已取得一定研究成果，但針對環刀法進行傳感器公式率定的技術研究還較少，為此下文通過建立各次土壤含水量與傳感器輸出電壓的對應關系，采用環刀法進行傳感器公式率定，并通過野外試驗方式對土壤墑情自動監測精度進行分析，研究成果對土壤墑情自動監測精度的提高具有重要的參考價值。

1 實驗方法

利用大環刀在野外采集需率定（儀器）的原狀土壤樣本帶回實驗室，土壤樣本浸泡水中達到飽和狀態后，將傳感器插入土壤樣本中，直至烘干前方可拔出；連續多次測量土壤樣本（含傳感器）重量和傳感器輸出電壓，直至傳感器電壓不再下降時停止實驗；采用烘干稱重法計算各次土壤含水量（由土壤樣本重量轉換而來），創建各次土壤含水量與傳感器輸出電壓對應關系，該對應關系即為該傳感器率定公式。該方法在同一環刀土樣內完成所有實驗過程，方法簡單容易操作，且土壤樣品由于傳感器位置固定，損失量較小，可以得到較高的率定精度。

2 實驗地點及儀器設備

試驗以綏中墑情監測站為試驗地點，該站點位于興城市東辛莊鎮林屯村，是六股河上的重要控制站，隸屬于遼寧省水文局葫蘆島分局。測驗項目主要有水位、流量、泥沙、顆分、冰情、降水、蒸發、墑情、水溫、水質等。主要試驗設備：挖土鍬、削土刀、烘干箱、電子天平、環刀、干燥器等。天平感量為0.01 g，最大量程不小于2 000 g。

3 實驗步驟

1）首先在采土之前將凡士林均勻涂抹在環刀內壁。對采樣剖面使用土鍬進行開挖和刨平處理，采樣剖面面向環刀刀刃，且采集深度與中心位置保持在同一直線，環刀手柄均衡按壓后，對環刀外壁的土壤進行削平處理。環刀周圍區域土壤采用鐵鏟進行挖除，環刀外壁的土壤采用削土刀進行削平。環刀內側鋪上濾紙和孔蓋。各采集深度土壤樣品2 份，進行實驗。

2）在實驗室里打開環刀上部的孔蓋，在平底容器中將環刀孔蓋向下緩緩放入，逐步加水使得水面線在環刀上端的1~2 mm 之間，為保證土壤水分達到飽和需要對其進行24 h 的浸泡。在此過程中需要隨時進行補水，使得容器內水分浸沒環刀。

3）在環刀內的土壤里緩慢垂直插入傳感器，環刀中心位置與傳感器探針位置相一致，在探針完全插入后要求土壤內沒有空隙。傳感器插入環刀土壤樣品后，在整個實驗過程中隨同環刀一起稱重，直至烘干前方可拔出。

4）將傳感器和RTU 相連接，對其輸出電壓進行連續多次測定，當傳感器電壓穩定不變時，土壤水處于飽和狀態，對其輸出V0進行記錄。

5）將環刀包括孔蓋、濾紙、土樣和傳感器從水中整體取出，保持土樣、環刀及傳感器處于實驗原始位置，在支架上進行懸空放置，自然下滲土壤中的重力水。當環刀內土壤底部不再滲水后，即傳感器電壓穩定輸出時，則可以認定此時土壤水分處于田間持水量，立即將RTU 和傳感器斷開連接，將傳感器、環刀、濕土和濾紙整體放入帶編號的托盤內用電子天平整體稱重，記錄此時傳感器電壓V1及整體重量G1。

6）將傳感器連接RTU，每隔一定時間監測傳感器電壓下降情況，依據電壓下降幅度確定測量時間，記錄傳感器、濕土、環刀、濾紙、托盤的重量Gi，以及對應時間的傳感器輸出電壓Vi。

7）在實驗測定中需要對土壤樣品進行天然狀態下的晾干，不能進行加熱烘烤處理。測定的實驗數組一般不能低于20 組，并需要覆蓋整個水量的變化過程。當傳感器進行多次測定后，電壓不再降低，土壤水分接近干燥條件，實驗停止進行。

8）將附著在傳感器探針上的土壤清理后重新安置到環刀的內部，采用標準烘干方式對環刀及土樣進行不低于24 h 的烘干處理，使環刀內土樣徹底烘干。烘干結束自然冷卻后，稱量環刀和干土重量、傳感器重量、托盤重量、濾紙重量，再移除土壤，擦凈環刀稱量。

4 率定公式擬合方法

1）將相關數據錄入Excel 電子表格，計算各測次土壤重量含水量，選中重量含水量ωi和對應的傳感器電壓Vi兩列數據，插入XY散點圖。其中ωi計算公式：

式中：Gi為第i次監測，環刀、濕土重量、傳感器重量、托盤、濾紙的合計重量，g；G0為烘干后，環刀、干土重量、傳感器重量、托盤、濾紙的合計重量，g；wg為原狀土干土重，g；wg=環刀＋干土重量－環刀重量。

2）得到土壤含水率與傳感器輸出電壓的散點分布圖后，對散點數據進行趨勢擬合，得到擬合3階回歸方程，并對回歸方程的擬合系數R2進行確定，得到率定方程，當R2≤0.95 時，一般認定擬合精度較低，需要重新進行實驗率定。

3）將土壤飽和電壓V0代入率定公式，可得出該土壤的飽和含水量。將土壤處于田間持水量時的電壓V1代入率定公式，可得出該土壤的田間持水量。

4）當監測儀器已有率定公式時，可將實驗計算出的各測次實際重量含水量與實驗過程中利用原率定公式計算的土壤含水量進行比較分析，對原率定公式進行校準。

5 率定成果

5.1 關系線擬合

率定試驗歷時20 d，共采集實驗數據23 組。其中，傳感器輸出電壓為0.34～1.80 V，土壤重量含水量為2.9%～35.2%。實驗數據見表1，輸出電壓與土壤重量含水量對應關系曲線見圖1。

圖1 輸出電壓與土壤含水量關系線擬合圖

表1 土壤墑情率定記錄表

5.2 率定檢驗

將公式y=0.0086x3+0.036x2+0.1127x-0.0227置入綏中固定墑情自動監測站RTU 中，進行土壤含水量對比監測實驗。采集墑情自動監測站土壤含水量記錄數據，同步進行人工烘干稱重法監測，同步對比觀測數據不少于6 組。不同監測深度人工與自動土壤含水量對比結果如圖2 所示。

圖2 不同墩型消能率隨泄流量變化曲線

圖2 不同監測深度人工與自動土壤含水量對比

由監測結果可以看出：采集的23 組數據中，有9 組數據差值絕對值大于4%，合格率達73%。

6 結語

針對土壤墑情監測儀器率定方法復雜、標定技術要求高等特點，提出了采用環刀法進行傳感器公式率定的技術，并成功地應用到了監測儀器率定實踐中。它是利用土壤樣本在水分自然衰減過程中其自身重量、介電常數均會發生變化的特性，通過野外采集的多組原狀土樣本，在實驗室浸泡水中至飽和狀態，連續多次測量土壤樣本重量和其傳感器輸出信號，并采用烘干稱重法測得各次土壤含水量，建立各次土壤含水量與傳感器輸出電壓的對應關系，即率定公式。通過對綏中墑情監測站的監測試驗，得出監測儀器數據與人工數據變化趨勢基本一致，數據偏差較小，合格率較高，說明環刀稱重法率定土壤水分計算公式準確可靠，墑情監測站數據基本能夠反映當地的土壤墑情變化規律，能夠滿足生產工作需要。