TDR土壤水分在線監測儀器在南京地區應用研究

曹子聰 徐海峰

(水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012)

南京位于長江下游中部地區，江蘇省西南部，是國家區域中心城市，屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，年降水1200mm，四季分明，年平均溫度15.4℃，年極端氣溫最高43℃，最低-14℃，年平均降水量1106mm。春季風和日麗；梅雨時節，又陰雨綿綿；夏季炎熱，秋天干燥涼爽；冬季寒冷、干燥。南京位于我國東部季風區，地處長江流域下游，人口眾多，經濟發達，城市化水平高，素有“火爐”之稱[1]，因此易發干旱。由于人工取土監測方法費時費力，在人員不足以及相對偏遠的地區無法做到及時高效地獲得土壤含水量數據，因此土壤水分自動監測就十分必要。

現有的土壤墑情自動監測站所使用的絕大部分為頻域反射法(FDR)儀器[2,3]，在數年的監測中發現，其監測數據不準確，與人工取土烘干法相比較存在數據誤差較大的問題[4]，所以為滿足土壤水分自動化監測的需要，引入準確度更高的時域反射法(TDR)儀器就顯得尤為重要，且近年來國產TDR技術日趨成熟和穩定[5]，并在全國部分地區也進行了小范圍的應用。為了驗證TDR在線土壤水分監測儀器在南京地區的適用情況，也為了進一步研究提供數據基礎，本課題在江蘇省南京市安裝國產自研TDR土壤水分在線監測儀器與進口FDR土壤水分在線監測儀器各1套，2021年7月15日—9月15日進行了2種儀器之間的數據準確度對比研究。

1 材料與方法

南京實驗站位于江蘇省南京市(E118°22′，N31°14′)，屬亞熱帶季風氣候，站內土壤pH值6.8，黏粒含量(土粒直徑<0.002mm)25.1%，容重1.38±0.03g·cm-3，屬于粉砂壤土，在建站以前種植林木。TDR土壤水分在線監測儀器于2021年5月安裝于江蘇省南京市水利部南京水利水文自動化研究所院內，同時在站內安裝FDR土壤水分傳感器(FDR)作為對比，并于當年6月1日同時開始上報數據，并于2021年7月15日—9月15日對NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)與HYRAPROBE型插針式土壤水分傳感器(FDR)進行了人工數據對比試驗。

1.1 儀器選用

本項目選取水利部南京水利水文自動化研究所自主研發生產的NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)1套。該產品為在線式時域反射法(TDR)土壤水分自動監測系統，具有精度高、抗干擾因素小的特點，在體積含水率低于60%，容重在0.9～1.6g·cm-3的土壤,可以不經過調試直接安裝使用。另外選取美國某公司生產的HYRAPROBE型插針式土壤水分傳感器(FDR)在位于NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)1m的位置安裝。傳感器安裝深度為10cm和20cm。2個傳感器均可自動上報監測數據，上報頻率均為1h。

1.2 比測試驗

2021年7月15日—9月15日，在每周四10∶00整讀取FDR和TDR上報的土壤含水量數據并記錄。同時在實驗站內傳感器周邊使用環刀法(環刀體積100cm3)人工取土，并將取得的土壤樣品烘干測量土壤體積含水量，取土深度為10cm和20cm，3個重復，取平均值作為此深度的體積含水量。

2 結果與分析

2021年7月15日—9月15日，共取土壤樣品10次，并烘干獲得其體積含水量，通過表1可以看出，從2021年7月15日—9月15日，共獲得10組人工取土烘干法得出的土壤體積含水量數據，其中10cm土層體積含水量在15.55%～26.74%，20cm土層體積含水量在14.23%～25.22%。表1中FDR傳感器上報的10cm土層的機測土壤體積含水量數據有70%小于人工烘干數據，有30%大于人工烘干數據，其兩者差值的絕對值在0.87%～6.52%，其中差值的絕對值在4.00%以內的數據4組，差值的絕對值大于4.00%的數據6組，符合規范要求的數據比例為40%，達不到土壤墑情監測規范[6]要求的準確度誤差在±4%的數據比例占總監測數據80%的要求；20cm土層機測土壤體積含水量數據有80%小于人工烘干數據，有20%大于人工烘干數據，其兩者差值的絕對值在0.87%～6.13%，其中差值的絕對值在4.00%以內的數據3組，差值的絕對值大于4.00%的數據7組，符合規范要求的數據比例為30%，達不到土壤墑情監測規范[6]要求的準確度誤差在±4%的數據比例占總監測數據80%的要求；綜合10cm土層和20cm土層的數據準確度，總體數據合格率為35%，也達不到達不到土壤墑情監測規范[6]要求的準確度誤差在±4%的數據比例占總監測數據80%的要求。其中FDR傳感器測量的數據總體合格率不高的原因是FDR傳感器自身對土壤電導率、土壤含鹽量變化較為敏感，且傳感器周圍土壤在干濕交替的過程中物理和化學性質發生變化，從而使得傳感器與土壤的接觸方式和空間位置發生了一定的改變，導致儀器所測得的頻率發生相應的變化，結果導致測得的土壤體積含水量誤差較大。

表2為NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)上報的10cm和20cm土壤的機測土壤體積含水量數據與人工烘干數據相比，10cm土層兩者差值的絕對值在0.01%～3.62%，其中差值的絕對值在4.00%以內的數據10組，差值的絕對值大于4.00%的數據0組，符合規范要求的數據比例為100%，達到了土壤墑情監測規范[6]要求的準確度誤差在±4%的數據比例占總監測數據80%的要求；20cm土層兩者差值的絕對值在0.01%～5.18%，其中差值的絕對值在4.00%以內的數據9組，差值的絕對值大于4.00%的數據1組，符合規范要求的數據比例為90%，達到了土壤墑情監測規范[6]要求的準確度誤差在±4%的數據比例占總監測數據80%的要求；綜合10cm和20cm的機測數據總體數據合格率為95%，達到了土壤墑情監測規范[6]要求的準確度誤差在±4%的數據比例占總監測數據80%的要求。

表1 烘干法與FDR測試數據

表2 烘干法與TDR測試數據

綜合表1和表2獲得的FDR傳感器和NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)上報數據與人工取土法獲得的墑情數據發現,FDR傳感器上報的10cm土層數據合格率為40%，20cm土層數據合格率為30%，總體合格率僅為35%，不能達到土壤墑情監測規范[7]要求，屬于無法正常使用的數據，無法滿足正常生產的需要；而NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)上報的10cm土層數據合格率為100%，20cm土層數據合格率為90%，總體合格率為95%，滿足土壤墑情監測規范[6]要求，可以滿足日常農業生產以及水文氣象等行業的日常需求，在南京地區有取代FDR傳感器作為自動土壤水分監測的潛力。

3 結語

歷時2個月，通過對南京市水利部南京水利水文自動化研究所院內安裝的FDR傳感器和NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)進行了人工數據對比試驗，結論如下。

FDR傳感器測量的土壤體積含水量與人工取土烘干法數據相比準確度相差較大，且僅35%的數據在±4%的范圍內，達不到土壤墑情監測規范[6]要求的準確度誤差在±4%的數據比例占總監測數據80%的要求。

NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)測量的土壤體積含水量與人工取土烘干法數據相比，95%的數據符合土壤墑情監測規范[6]要求，取得了很好的室外土壤含水量長期監測的效果。

本研究說明NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)，安裝在南京市水利部南京水利水文自動化研究所院內，未經調整，其測量的土壤含水量數據及時準確，其在江蘇南京地區的應用效果要遠超FDR傳感器。

本研究由于時間和經費的限制在南京地區僅安裝了1個站點、2種型號的土壤含水量傳感器，在將來還需要更多地安裝使用NSY-TDR-1型土壤水分在線監測儀器(TDR)，以期獲得更多的實驗數據來驗證TDR土壤水分在線監測儀器在本地區的適應性和實用性。