鹽分對(duì)土壤水分傳感器測量精度的影響及適用性評(píng)價(jià)

胡慧玲，王峰，馮泉清，韓其晟，寧慧峰，李小剛，王景雷*

鹽分對(duì)土壤水分傳感器測量精度的影響及適用性評(píng)價(jià)

胡慧玲1,2，王峰1，馮泉清1,2，韓其晟1，寧慧峰1，李小剛3，王景雷1*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師水文水資源管理中心，新疆 阿拉爾 843399）

【目的】探明鹽分和水分對(duì)土壤水分傳感器測量精確度和準(zhǔn)確度的影響，并進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)?！痉椒ā吭谛陆⒗瓲柋鴪F(tuán)第一師灌溉試驗(yàn)站開展室內(nèi)試驗(yàn)，選用FDR、TDR型傳感器，試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)鹽分梯度（分別為2、3、5、7、9 mS/cm），土壤含水率調(diào)至田間持水率之后自然蒸發(fā)，研究鹽分和水分對(duì)土壤水分傳感器測量精確度和準(zhǔn)確度的影響?！窘Y(jié)果】傳感器的精確度和準(zhǔn)確度受土壤鹽分和水分的影響。標(biāo)定前，CSF11、ML2x傳感器的準(zhǔn)確度較高且精確度表現(xiàn)穩(wěn)定，EC-5、TDR305H傳感器由于受土壤鹽分和水分的雙重影響，準(zhǔn)確度和精確度較低。校準(zhǔn)后，4種傳感器的準(zhǔn)確度和精確度明顯改善。【結(jié)論】綜合準(zhǔn)確度、精確度和價(jià)格因素，資金充裕且含鹽量不超過9 mS/cm時(shí)，可選用ML2x傳感器；資金緊張時(shí)，低鹽條件下選用CSF11傳感器，中高鹽條件下選用EC-5傳感器；當(dāng)土壤含水率不超過20%時(shí)可選用TDR305H傳感器。

土壤水分；FDR；TDR；土壤含鹽量；精確度；準(zhǔn)確度；校準(zhǔn)

0 引言

【研究意義】土壤水分是營養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)傳送的載體，是植物正常生長的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測量土壤水分是灌溉決策與作物生長調(diào)控的前提。目前，對(duì)土壤含水率的測量有多種方法，從最傳統(tǒng)的烘干法到先進(jìn)的傳感器測量均有廣泛應(yīng)用。介電常數(shù)是表征介質(zhì)中電場強(qiáng)弱的物理量，由于水的介電常數(shù)比干土大得多，所以當(dāng)土壤含水率增加時(shí)，其介電常數(shù)也相應(yīng)增大，利用土壤介電常數(shù)與土壤含水率之間的關(guān)系進(jìn)行土壤水分測量是一種常見的方法，其中以時(shí)域反射法（TDR）和頻域反射法（FDR）原理的傳感器最為常見。TDR傳感器是根據(jù)高頻電磁脈沖在土壤中傳播的速度依賴于土壤介電常數(shù)，通過測量電磁波的傳播時(shí)間計(jì)算介電常數(shù)，再換算為土壤含水率。FDR傳感器是根據(jù)高頻電磁波在土壤中傳播的頻率計(jì)算介電常數(shù)，從而計(jì)算土壤含水率。國內(nèi)外研究人員對(duì)介電法測定土壤含水率已進(jìn)行了大量研究[1-3]，測定精度有很大提高[4-7]。但在鹽堿地上由于電磁波易發(fā)生多次反射和衰減，使得傳感器信號(hào)不清晰，導(dǎo)致測定的含水率數(shù)據(jù)存在很大誤差甚至不合理[8]?！狙芯窟M(jìn)展】土壤介電常數(shù)除受含水率影響較大外，還與土壤中的可溶性鹽量、有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地和溫度有關(guān)，且以土壤鹽分和溫度的影響最為顯著[9]。Kim等[10]研究表明，在土壤較干時(shí)，傳感器水分讀數(shù)與土壤含水率和干體積質(zhì)量線性正相關(guān)，土壤較濕時(shí)與土壤含水率和干體積質(zhì)量非線性正相關(guān)，傳感器水分讀數(shù)與土壤1:5呈顯著線性關(guān)系。Louki等[11]研究表明，傳感器水分讀數(shù)在土壤鹽分和溫度分別為2.5 dS/m與25 ℃時(shí)精度最高，在鹽分和溫度范圍分別為1.9～4.0 dS/m和16～30 ℃時(shí)，必須經(jīng)過校準(zhǔn)方可獲得較高精度，超過此范圍，傳感器則無法準(zhǔn)確工作。Inoue等[12]研究表明，水分傳感器精度受土壤鹽分影響顯著，與其他類型傳感器相比，TDR傳感器精度最高（=0.007 cm3/cm3），校準(zhǔn)方程自變量應(yīng)加入鹽分因子。Spelman等[13]研究認(rèn)為，針對(duì)特定土壤，傳感器水分讀數(shù)往往難以達(dá)到規(guī)格上標(biāo)識(shí)的精度，建立基于特定土壤的校準(zhǔn)方程十分必要。Rosenbaum等[14]研究表明，電磁感應(yīng)式土壤水分傳感器精度受土壤鹽分和溫度影響顯著，出現(xiàn)低溫時(shí)低估和高溫時(shí)高估問題，土壤鹽分導(dǎo)致介電常數(shù)與理論結(jié)果發(fā)生偏離，必須經(jīng)過校準(zhǔn)方可達(dá)到理論模型的預(yù)測值。Cardenas-Lailhacar等[15]研究顯示，在高鹽和高溫條件下，不同品牌傳感器水分讀數(shù)精度和穩(wěn)定性不同，但基本均能達(dá)到旱地灌溉決策的精度要求。雷磊[16]研究表明，土壤介電常數(shù)的實(shí)部受土壤體積含水率影響，而虛部與土壤含水率和含鹽量關(guān)系密切，在含鹽量較大的土壤中必須對(duì)傳感器進(jìn)行特定校準(zhǔn)?！厩腥朦c(diǎn)】我國新疆南疆地區(qū)的土壤鹽漬化嚴(yán)重，耕地的硫酸鹽量普遍在3‰～10‰之間。由于鹽堿的存在，導(dǎo)致該地區(qū)土壤水分傳感器存在測量精度不高、結(jié)果不穩(wěn)定、傳感器腐蝕嚴(yán)重、壽命短等問題，這給水分傳感器在該地區(qū)的應(yīng)用帶來限制，而且目前缺乏在不同鹽分條件下多種類型、多種型號(hào)的土壤水分傳感器性能之間的對(duì)比試驗(yàn)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，隨機(jī)挑選市場上常見的3種FDR和3種TDR傳感器，研究其在南疆不同鹽堿水平下監(jiān)測土壤含水率的表現(xiàn)，闡明鹽分和水分對(duì)測量精確度和準(zhǔn)確度的影響，并進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)，為其科學(xué)使用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在新疆阿拉爾第一師水利局灌溉試驗(yàn)站（40°6 ′N，81°2 ′E）進(jìn)行。試驗(yàn)選用FDR和TDR傳感器的型號(hào)及詳細(xì)參數(shù)見表1。試驗(yàn)設(shè)計(jì)5個(gè)鹽分梯度，控制土水質(zhì)量比為1∶5的土壤溶液電導(dǎo)率1:5分別為2、3、5、7、9 mS/cm，其中2～3 mS/cm為低鹽處理，5～9 mS/cm為中高鹽處理。1:5與干土鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的換算關(guān)系=3.04-0.74，對(duì)應(yīng)的土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.3‰、8.4‰、14.5‰、20.5‰和26.6‰。試驗(yàn)基底土壤取自灌溉試驗(yàn)站周邊的膜下滴灌棉田，采集根據(jù)0～30 cm土層土壤，土壤基礎(chǔ)鹽分1:5為1.8 mS/cm（鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.73‰），土壤質(zhì)地和原狀土物理參數(shù)見表2。將取得的土樣曬干粉碎后過2 mm篩，根據(jù)土壤基礎(chǔ)含鹽量和目標(biāo)設(shè)計(jì)含鹽量，計(jì)算并加入所需的鹽皮量（鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為802‰，目標(biāo)土樣質(zhì)量8 kg），混合后充分?jǐn)嚢?，使土鹽混合均勻。之后將混合后的鹽土以一定體積質(zhì)量（1.59 g/cm3）按5層分刻度裝到塑料桶中，桶直徑11 cm，高17 cm，裝土深度15 cm，每個(gè)鹽分梯度重復(fù)3次（每個(gè)桶為1次重復(fù)）。按照桶內(nèi)土壤實(shí)際體積及田間持水率，計(jì)算并加入適量的蒸餾水，將土壤含水率全部調(diào)配至田間持水率，之后自然蒸發(fā)，為保證試驗(yàn)結(jié)果不受溫度影響，實(shí)驗(yàn)室將溫度控制在25 ℃左右。各傳感器在土樣裝填好后再插入，將傳感器探針全部插入土樣中。在蒸發(fā)過程中，分5次監(jiān)測傳感器所測量的土壤含水率，每次監(jiān)測的同時(shí)稱質(zhì)量，利用稱質(zhì)量法計(jì)算實(shí)際質(zhì)量含水率，再乘以干體積質(zhì)量，計(jì)算得到實(shí)際體積含水率。配置鹽土和田間持水率過程中的計(jì)算參數(shù)見表3。

表2 土壤物理參數(shù)

表3 土樣配置參數(shù)

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

土壤水分傳感器的精確度用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差度量，測量準(zhǔn)確度用絕對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差表示。值和值越低，說明傳感器越精確，反之精度則差。值越小，說明測量值越集中，精確度高，反之則精確度低。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分傳感器的有效測量范圍

根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)鹽分條件，不同傳感器具有有效讀數(shù)的含水率測量范圍見表4。EC-5、CSF11、ML2x、TDR305H傳感器在土壤1:5值為2～9 mS/cm下均能正常讀數(shù)，CSF15傳感器在1:5值為2～3 mS/cm時(shí)僅能讀出含水率約為5%的結(jié)果，其余鹽分梯度下，均不能正常讀數(shù)。CS655傳感器在1:5值為2 mS/cm時(shí)可以正常測量，在1:5值≥3 mS/cm時(shí)無法獲取數(shù)值。當(dāng)土壤電導(dǎo)率一定時(shí)，增加土壤含水率將增加鹽分的溶解，導(dǎo)致傳感器脈沖信號(hào)不穩(wěn)定，使測量結(jié)果偏離，同理，當(dāng)土壤含水率一定時(shí)，增加土壤電導(dǎo)率同樣影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性[17]。這可能是CSF15、CS655傳感器無法讀出所有土壤含水率及土壤電導(dǎo)率水平下測量數(shù)據(jù)的原因。鑒于此，本文后續(xù)只對(duì)EC-5、CSF11、ML2x、TDR305H傳感器進(jìn)行精確度和準(zhǔn)確度的分析。

表4 不同傳感器具有有效讀數(shù)的土壤含水率范圍

注 √表示在5%～30%土壤含水率范圍內(nèi)均可以正常出數(shù)。

2.2 低鹽條件下（EC1:5=2～3 mS/cm）水分傳感器的準(zhǔn)確性與精確性

在低鹽（1:5=2～3 mS/cm）條件下各傳感器的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差分別見圖1和圖2。由圖1和圖2可知，土壤1:5值相同時(shí)，EC-5、TDR305H傳感器的值隨土壤水分的升高逐漸增大，為1.32%～30.39%，CSF11、ML2x傳感器的值變化幅度較小，值為7.35%～17.21%。土壤1:5值為3 mS/cm時(shí)，每個(gè)傳感器在不同土壤含水率下的值均大于2 mS/cm時(shí)的值。當(dāng)土壤1:5值為3 mS/cm時(shí)，4種傳感器在全水分范圍內(nèi)的平均值分別為20.47%、14.76%、11.68%、13.25%，土壤1:5值為2 mS/cm時(shí)，平均值分別為14.25%、12.19%、8.66%、4.96%。當(dāng)土壤1:5值相同時(shí)，EC-5、TDR305H傳感器的值隨土壤含水率的變化較平緩，CSF11、ML2x傳感器的值逐漸降低。土壤1:5值為3 mS/cm時(shí)，4種傳感器的平均值分別為109.82%、98.83%、84.11%、52.64%，土壤1:5值為2 mS/cm時(shí)，平均值分別為70.93%、73.34%、57.71%、21.51%。這說明傳感器的測量準(zhǔn)確性受傳感器品牌、土壤電導(dǎo)率和土壤含水率的影響，與其他2種傳感器相比，CSF11、ML2x傳感器的準(zhǔn)確度較高，增加土壤電導(dǎo)率會(huì)降低準(zhǔn)確度，但當(dāng)土壤1:5值一定時(shí)，傳感器的準(zhǔn)確度隨土壤含水率的變化較小。EC-5、TDR305H傳感器準(zhǔn)確度由于受土壤電導(dǎo)率和土壤含水率的雙重影響，其準(zhǔn)確度較低。這可能與傳感器探針的物理設(shè)計(jì)有關(guān)，與二針傳感器相比，三針傳感器能形成更清晰的反射，在土壤電導(dǎo)率較高時(shí)精度更高[18]。TDR305H傳感器雖有3個(gè)探針，但其探針間距較寬，這會(huì)增加電磁波的傳送時(shí)間，增大介電常數(shù)，導(dǎo)致測量結(jié)果變大，準(zhǔn)確度降低。

圖1 低鹽條件下（EC1:5=2～3 mS/cm）各傳感器的AE值隨土壤含水率的變化

圖2 低鹽條件下（EC1:5=2～3 mS/cm）各傳感器的RE值隨土壤含水率的變化

圖3是不同傳感器在低鹽條件（1:5=2～3 mS/cm）下土壤含水率的值。由圖3可知，土壤1:5值為2 mS/cm時(shí)，4種傳感器的值均較低，為0.27%～2.30%。當(dāng)土壤1:5值增加至3 mS/cm時(shí)，EC-5、TDR305H傳感器的值隨土壤含水率的升高逐漸增大，且其值均大于土壤電導(dǎo)率為2 mS/cm時(shí)的值。隨著土壤1:5值的增加，CSF11、ML2x傳感器的值增加，但隨土壤含水率的變化不明顯。這說明傳感器的精確性受土壤電導(dǎo)率和土壤含水率影響，土壤電導(dǎo)率增加導(dǎo)致傳感器的精度降低，不同型號(hào)傳感器的精度隨土壤含水率的變化規(guī)律不同。整體看，CSF11、ML2x傳感器的精度在低鹽條件下（1:5=2～3 mS/cm）表現(xiàn)更穩(wěn)定。

圖3 低鹽條件下（EC1:5=2～3 mS/cm）各傳感器的SD值隨土壤含水率變化

2.3 中高鹽條件下（EC1:5=5～9 mS/cm）傳感器測量的準(zhǔn)確性與精確性

圖4和圖5為不同傳感器在中高鹽（1:5=5～9 mS/cm）條件下的值和值。由圖4和圖5可知，土壤電導(dǎo)率不同時(shí)，3種FDR傳感器的值隨土壤含水率的增大呈先升后降趨勢，TDR傳感器的值隨土壤含水率升高呈上升趨勢。土壤含水率相同時(shí)，土壤1:5值增加，同一傳感器的值增加，說明土壤電導(dǎo)率增加導(dǎo)致準(zhǔn)確度降低；土壤電導(dǎo)率相同時(shí)，土壤含水率對(duì)不同傳感器的值影響不同。在中高鹽（1:5=5～9 mS/cm）水平下，ML2x傳感器在5、7、9 mS/cm下土壤含水率全量程范圍內(nèi)的平均值分別為16.02%、17.64%、18.09%，精度最高，且值隨土壤含水率的變化不顯著。TDR305H傳感器的值最大，在土壤1:5值為5、7、9 mS/cm時(shí)，值分別為31.87%、54.79%、53.27%，精度最低，值隨土壤含水率的增加呈指數(shù)增加，甚至出現(xiàn)土壤含水率大于100%的不合理數(shù)據(jù)。EC-5傳感器在土壤含水率低于12.89%時(shí)，值有一段遞增過程，隨后與CSF11、ML2x傳感器類似，值隨土壤含水率的增加而降低，F(xiàn)DR傳感器在土壤含水率大于12.89%時(shí)均表現(xiàn)為土壤含水率越高反而值越??；TDR傳感器在土壤含水率較低（≤6.23%）時(shí)值和值最小，準(zhǔn)確性最高，之后均劇烈增加，測量結(jié)果極不合理。

圖4 中高鹽條件下（EC1:5=5～9 mS/cm）各傳感器的AE值隨土壤含水率的變化

圖6為不同傳感器在中高鹽（1:5=5～9 mS/cm）條件下值。由圖6可知，中高鹽（1:5=5～9 mS/cm）條件下，4種傳感器的值趨勢線幾乎重合，說明此時(shí)傳感器的精確度趨于穩(wěn)定。從整體來看，CSF11、ML2x傳感器在中高鹽條件下的值最小，分別為1.12%～8.82%和3.42%～8.46%，值隨土壤含水率增加變化不大。EC-5傳感器的值隨土壤含水率的增加呈先增加后降低趨勢，TDR305H傳感器的值隨土壤含水率的增加呈顯著上升趨勢，土壤含水率為24.75%時(shí)達(dá)到最大值，3個(gè)土壤電導(dǎo)率水平下的均值達(dá)到了51.71%。

圖5 中高鹽條件下（EC1:5=5～9 mS/cm）各傳感器的RE值隨土壤含水率的變化

2.4 校準(zhǔn)方程對(duì)傳感器測量準(zhǔn)確度和精確度的改善

基于各土壤水分傳感器說明書中廠家所給的原始校準(zhǔn)方程，本文嘗試在不同電導(dǎo)率條件下建立實(shí)際含水率與傳感器測量的土壤含水率之間新的對(duì)應(yīng)關(guān)系。CSF11傳感器基于原始校準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)；EC-5、Ml2x傳感器在低鹽條件下基于原始校準(zhǔn)方程進(jìn)行改進(jìn)，中高鹽條件下則選擇了擬合度更好的多項(xiàng)式函數(shù)；TDR305H傳感器在低、中高鹽分條件下均采用擬合度更好的冪函數(shù)。通過分析傳感器測量的土壤含水率與實(shí)際土壤含水率的關(guān)系，獲得了在低鹽和中高鹽條件下各傳感器校準(zhǔn)前后的土壤含水率、校準(zhǔn)方程及值、值、值的改善結(jié)果，結(jié)果見表5。由表5可知，不同鹽分條件下，通過線性或非線性擬合，均可得到較好的校準(zhǔn)方程，低鹽條件下，利用各校準(zhǔn)方程計(jì)算得到的土壤含水率的2在0.901～0.943之間；中高鹽條件下，2在0.834～0.947之間。低鹽條件下，EC-5、CSF11、ML2x、TDR305H傳感器經(jīng)過校準(zhǔn)后的值較校準(zhǔn)前分別降低了86.515%、85.098%、82.840%、70.415%，值分別降低了84.713%、85.033%、82.927%、57.198%。中高鹽條件下，EC-5、CSF11、ML2x傳感器校準(zhǔn)后的值分別降低了94.105%、87.246%、91.524%，分別降低了94.340%、90.714%、93.099%。校準(zhǔn)不僅提高了測量的精確性，還提高了測量的準(zhǔn)確性。與校準(zhǔn)前相比，低鹽條件下，EC-5、CSF11、ML2x傳感器的值分別降低了72.200%、4.094%、15.790%，達(dá)到0.768%、1.331%、1.041%。中高鹽條件下，EC-5、CSF11、ML2x傳感器的值分別降低了93.071%、71.597%、84.942%，達(dá)到0.821%、1.293%、0.814%。TDR305H傳感器的表現(xiàn)類似，低鹽條件下，傳感器的值降低了72.888%；高鹽條件下，傳感器的值降低了98.336%。總體而言，校準(zhǔn)對(duì)傳感器準(zhǔn)確度和精確度的改善較明顯，校準(zhǔn)后，、、值最低分別可以達(dá)到1.462%、8.537%、0.50%。與原始校準(zhǔn)方程相比，新的校準(zhǔn)方程極大地提高了各傳感器在不同鹽分條件下的土壤含水率測量精確度與準(zhǔn)確度，其中以EC-5傳感器改善效果最為明顯。

表5 不同土壤鹽分條件下各傳感器土壤含水率校準(zhǔn)結(jié)果

2.5 不同傳感器在鹽堿地上測定土壤水分的評(píng)價(jià)

線性或非線性校準(zhǔn)方程很好地?cái)M合了實(shí)際土壤含水率和傳感器測量土壤含水率值。由圖7可知，低鹽條件下，EC-5、CSF11、ML2x傳感器校準(zhǔn)后土壤含水率與實(shí)際土壤含水率的絕對(duì)誤差最大均不超過5%，TDR305H傳感器校準(zhǔn)后土壤含水率整體上較EC-5、CSF11、ML2x傳感器更接近實(shí)際土壤含水率，只是在土壤含水率較高時(shí)（≥26.804%）仍會(huì)偏離1∶1線。從圖8可以看出，中高鹽分條件下，ML2x傳感器校準(zhǔn)后土壤含水率與實(shí)際土壤含水率擬合最好，整體上絕對(duì)誤差最大不超過4.40%，TDR305H傳感器經(jīng)過校準(zhǔn)后的土壤含水率在土壤含水率較低時(shí)（≤15.708%）與1∶1線非常吻合，CSF11傳感器在4種傳感器中擬合效果最差，在土壤含水率為30%時(shí)絕對(duì)誤差最大達(dá)到9.082%，EC-5傳感器與CSF11、TDR305H傳感器相比擬合較好，絕對(duì)誤差基本上不超過5%。綜合考慮，在低鹽條件下各傳感器的精確度和準(zhǔn)確度表現(xiàn)為ML2x傳感器＞TDR305H傳感器＞CSF11傳感器＞EC-5傳感器，中高鹽條件下精確度和準(zhǔn)確度表現(xiàn)為ML2x傳感器＞EC-5傳感器＞TDR305H傳感器＞CSF11傳感器。通常傳感器的選擇不僅要考慮精確度、準(zhǔn)確度和適用范圍，還需要考慮價(jià)格因素，4種傳感器的價(jià)格分為高、中、低3檔；低檔傳感器價(jià)格在1 000元以內(nèi)，為EC-5、CSF11傳感器；中檔傳感器價(jià)格不超過3 000元，為TDR305H傳感器；高檔傳感器價(jià)格不超過5 000元，為ML2x傳感器。因此，資金充裕且含鹽量不超過9 mS/cm時(shí)，可選用ML2x傳感器；資金緊張時(shí)，低鹽條件下選用CSF11傳感器，中高鹽條件下選用EC-5傳感器；土壤含水率不超過20%時(shí)，TDR305H傳感器測量土壤含水率的精確度和準(zhǔn)確度較高。

圖7 低鹽條件下（EC1:5=2～3 mS/cm）各傳感器校準(zhǔn)后土壤含水率與實(shí)際土壤含水率的擬合

圖8 中高鹽條件下（EC1:5=5～9 mS/cm）各傳感器校準(zhǔn)后土壤含水率與實(shí)際土壤含水率的擬合

3 討論

土壤含鹽量對(duì)許多土壤水分傳感器的輸出有強(qiáng)烈的影響[19-20]。本試驗(yàn)使用基于介電原理的FDR和TDR傳感器，前者是根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測試土壤介電常數(shù)，而后者是則是根據(jù)電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中傳播速度的差異求出土壤介電常數(shù)，最終二者都通過土壤介電常數(shù)進(jìn)而求得土壤含水率。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤含鹽量和土壤含水率的增加都會(huì)影響水分傳感器的準(zhǔn)確性，這與劉蓓[21]、Scudiero等[22]的研究結(jié)果一致，這可能是因?yàn)橥寥篮}量影響土壤導(dǎo)電性，即介電常數(shù)的虛部，當(dāng)土壤含水率較小時(shí)，土壤介電常數(shù)虛部與土壤含鹽量的關(guān)系不明顯，而當(dāng)土壤含水率較大時(shí)，介電常數(shù)虛部同時(shí)與土壤含水率、土壤含鹽量具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，土壤溶液中鹽分離子極大的影響了土壤-水-電解液系統(tǒng)的電導(dǎo)率，增加土壤介電常數(shù)虛部中電導(dǎo)率項(xiàng)的作用，從而影響土壤的介電特性[23]。試驗(yàn)所用的傳感器雖然均會(huì)受土壤含鹽量和土壤含水率的影響，但是CSF11、ML2x傳感器在低、中高鹽條件下，其絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差較EC-5、TDR305H傳感器平緩，這可能是因?yàn)閭鞲衅魈结樀奈锢韺傩圆煌?，EC-5傳感器為二探針傳感器，CSF11、ML2x傳感器為三探針傳感器，Zegelin等[18]研究顯示，二針的傳感器會(huì)形成更清晰的反射，更適合土壤鹽分較高的土體，而TDR305H傳感器雖為三探針傳感器，但其三探針之間的間距較CSF11、ML2x傳感器大，也有研究顯示[24]，探針間距較寬，增加傳感器信號(hào)的消耗，使電磁波傳送時(shí)間變長，所測得介電常數(shù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致測量結(jié)果變大。劉鵬等[25]對(duì)市場上主流水分傳感器在高鹽分土壤中（6.8 g/kg）的含水率進(jìn)行定量化對(duì)比及校正，其中選取的EC-5、TDR305H、CS655傳感器與本試驗(yàn)相同，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CS655傳感器在土壤含水率范圍失真，EC-5、TDR305H傳感器在整個(gè)試驗(yàn)階段均未出現(xiàn)失真，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，TDR305H傳感器的和均小于0.11 cm3/cm3，EC-5、TDR305H傳感器的和較高，但均小于0.20 cm3/cm3。崔靜等[26]研究發(fā)現(xiàn)，土壤電導(dǎo)率小于2.56 dS/m時(shí)，TDR傳感器測定電壓與烘干法測得土壤含水率顯著正相關(guān)；土壤電導(dǎo)率大于3.2 dS/m時(shí)，測定數(shù)值不能很好地反映土壤含水率變化。本文所選用的TDR305H傳感器在土壤電導(dǎo)率值為2、3 mS/cm時(shí)也能較好地反映土壤含水率變化，同一鹽分條件下，土壤含水率的增加會(huì)影響TDR傳感器測量的精確度和準(zhǔn)確度。

本文只選擇新疆阿拉爾第一師水利局灌溉試驗(yàn)站的砂壤土對(duì)各傳感器進(jìn)行不同土壤鹽分和土壤水分條件下的測試，可能在其他地區(qū)還不適用。未來應(yīng)設(shè)置不種質(zhì)地土壤對(duì)各傳感器精確度和準(zhǔn)確度的影響試驗(yàn)，從而建立應(yīng)用于不同土壤鹽分、土壤水分、土壤質(zhì)地的土壤含水率校準(zhǔn)體系。

4 結(jié)論

1）傳感器的精確度和準(zhǔn)確度受土壤鹽分和土壤水分影響。

2）4種傳感器在低鹽條件下精確度和準(zhǔn)確度表現(xiàn)為ML2x傳感器＞TDR305H傳感器＞CSF11傳感器＞EC-5傳感器；中高鹽條件下表現(xiàn)為ML2x傳感器＞EC-5傳感器＞TDR305H傳感器＞CSF11傳感器。

3）綜合精確度、準(zhǔn)確度及價(jià)格，資金充裕且含鹽量不超過9 mS/cm時(shí)，可選用ML2x傳感器；資金緊張時(shí)，低鹽條件下選用CSF11傳感器，中高鹽條件下選用EC-5傳感器；當(dāng)土壤含水率不超過20%時(shí)可選用TDR305H傳感器。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）

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The Effect of Soil Salinity on Accuracy of Soil Moisture Sensors

HU Huiling1,2, WANG Feng1, FENG Quanqing1,2, HAN Qisheng1,NING Huifeng1, LI Xiaogang3, WANG Jinglei1*

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Water Requirement and Regulation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China;2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3.Xinjiang Production and Construction Corps First Division Hydrology and Water Resources Management Center, Alaer 843399, China)

【Objective】Soil moisture sensors have been increasingly used in different fields to measure soil water content at high temporal resolution, but its reliability depends on many factors. In this paper, we investigate the effect of soil salinity on their accuracy.【Method】The laboratory experiment was conducted at the Irrigation Test Station of the First Division of Xinjiang Alaer Corps. FDR and TDR sensors were used in the experiment. We compared five salinity treatments: 2, 3, 5, 7, 9 mS/cm; the soil moisture was adjusted to the field capacity followed by natural evaporation. The absolute error (), relative error () and standard deviation (SD) were used to evaluate the accuracy and consistency of the sensors.【Result】Soil moisture and salinity both affected accuracy and consistency of the sensors. Without calibration, the accuracy of the CSF11 and ML2x sensors was high and measurements were consistent, while the EC-5 and TDR305H sensors were less accurate and consistent due to the combined influence of soil salinity and moisture. Calibration significantly improved the accuracy and consistence of all four sensors.【Conclusion】Considering accuracy and consistency, the expensive ML2x sensors worked best when salt content does not exceed 9 mS/cm. The less expensive CSF11 sensors also worked well when soil salt is low. The EC-5 sensors can measure soil moisture reasonably well for soil with moderate and high salinity. When the soil moisture is less than 20 cm3/cm3, TDR305H sensors is accurate and reliable.

soil moisture; FDR; TDR; soil salt content; precision; accuracy; calibration

1672 - 3317（2023）09 - 0102 - 08

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023066

胡慧玲, 王峰, 馮泉清, 等. 鹽分對(duì)土壤水分傳感器測量精度的影響及適用性評(píng)價(jià)[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 102-109.

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2023-02-26

2023-05-07

2023-09-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFD1900502）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-15-13）

胡慧玲（1998-），女。碩士研究生，主要從事作物高效用水理論與技術(shù)研究。E-mail: 2803290490@qq.com

王景雷（1972-），男。研究員，主要從事作物高效用水理論與技術(shù)研究。E-mail: firiwjl@126.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：白芳芳