TRIME—T3管式TDR在測量土壤水分時的誤差及校正

摘要：TRIME-T3管式TDR （Time domain reflectometry）系統線路簡單、能耗小、價格便宜、可實現非擾動定位瞬時剖面觀測，廣泛用于測量土壤水分。但是，在安裝和使用過程中，受土壤空隙、溫度、類型、電導率、含水量等因素的影響，測定土壤水分會產生誤差。為提高土壤水分數據的準確性，系統總結國內外研究成果和筆者實際操作經驗，提出了經驗公式、室內校正、野外校正和其他校正等方法。

關鍵詞：TRIME-T3管式TDR；土壤水分；誤差；校正

中圖分類號：S152.7 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）13-3015-03

土壤水分是土壤的一個重要物理參數，測定土壤水分的方法很多，傳統的測定土壤水分的方法如烘箱法、石膏電阻塊法、張力計法和中子儀法[1]等具有過程繁冗、受環境影響大、不能連續監測、表層含水量不易測定且具有輻射性等不足[2，3]。TDR（Time domain reflectometry）因其快速、準確、便攜、易操作、能自動監測土壤水分及其變化等優點越來越多地被用于土壤水分的測量工作中[4，5]。作為TDR 家族中的新秀，TRIME-T3管式TDR又以其能耗小、線路簡單、價格便宜、可實現非擾動定位瞬時剖面水分監測[6]等優點在國內外得到越來越多地應用。然而，在使用TRIME-T3管式TDR測定土壤水分的過程中尚有不少容易產生誤差的環節，必須充分了解所有誤差的來源并對其進行校正，才能盡量減少誤差，提高土壤水分數據測量的準確性，進而保證農業、水文、環境和水土保持等研究工作的準確度和可靠性。

1 TRIME-T3管式TDR的基本結構和測量原理

德國IMKO公司的專利產品TRIME-T3管式TDR系統包括FM3讀數表、T3探頭和探管等配置，表層含水量可選配P3系列表層探頭配合使用。TRIME-T3管式TDR的安裝使用方法與中子儀相近，所不同的是可實現非擾動定位瞬時觀測，TRIME-T3管式TDR采用TECANAT制成的透明塑料管代替中子儀的鋁管，只需移動圓柱式探頭（外包PVC外殼，4個反向彈性鋁條為TDR波導體）在塑料管中的位置，就可以從FM水分表離線式讀出探頭水分測量值，即不同深度土壤的體積含水率，測量深度可達3 m。

該儀器的測量原理為：TDR發射頻率為1 MHz～1 GHz的電磁脈沖，經過同軸電纜進入波導探針進行傳播，遇到障礙物后產生反射并返回到儀器，通過測量電磁脈沖沿波導探針在土壤介質中傳播并在其末端反射所需時間就可以計算出被測物質含水量的大小[7]。

2 TRIME-T3管式TDR的誤差來源

1980年Topp等[8]對各類不同粒級土壤的研究表明，土壤的介電常數強烈地依賴土壤中液態水含量，而對土壤類型、密度和溫度（>0 ℃）的依賴性很小。但后來的研究表明，在測量精度要求較高時這一結論是不正確的[9-11]。TRIME-T3管式TDR系統作為TDR的一種，在安裝和使用過程中受多種因素影響，且各因素間可能相互作用。下面就各個因素分別進行論述。

2.1 土壤空隙產生的誤差

TRIME-T3管式TDR的探管和土壤之間不能存在空隙，因為空氣具有最低的介電常數。如果存在空隙，TDR測出的水分含量就比實際的土壤水分含量要低得多，且土壤含水量越高時空隙造成的誤差越大。1 mm的空隙，在土壤體積含水量為15%時，誤差±（1%～2%）；土壤體積含水量為25%時，誤差 ±5%；在更高體積含水量下，誤差可高達±10%[12]。另外，空隙對于具有膨脹和收縮性質的土壤產生的誤差更大[6]。

2.2 土壤溫度產生的誤差

應用TDR野外測定土壤水分時會受土壤溫度的影響，并且土壤各層次的影響程度和大小各不相同。姜小三等[13]研究表明，在溫度23～31 ℃下，對黃土高原土壤用TDR所測土壤含水量比土鉆法所測值偏高；溫度低于23 ℃或高于31 ℃時，TDR所測土壤含水量比土鉆法所測值偏低；而在23 ℃和31 ℃附近時，這兩種方法測得的土壤含水量的差異不顯著。

2.3 土壤類型產生的誤差

土壤類型對測值影響不大，通常情況下，如若對精度要求不高，可直接使用其出廠標定。但對于一些特殊的土壤，測值就不夠準確[5，14]，如黏土（土壤體積含水量>40%，尤其是膨脹性黏土）和有機質含量較高的土壤（黑泥土、腐殖質、無土栽培基質等），當含水量較高時，由于輸入電磁波的能量耗散較大，導致反射訊息模糊，容易造成失準。周凌云等[7]利用Steven TDR在室內分別測定了沙土、壤土、粉沙土和黏土4種土壤類型的土壤含水量，結果表明沙土和黏土的TDR測量值與烘箱法測量值之間的偏差較大，壤土和粉沙土的測量偏差相對較小。李道西等[15]的研究表明，在黏壤質土中，TDR法的土壤含水量測值較烘箱法顯著偏小，絕對偏差范圍在0.02～0.09 cm3/cm3，相對偏差范圍4.1%～44.0%。

2.4 土壤電導率產生的誤差

土壤電導率作為土壤鹽分的一個指標反映了土壤中離子的含量。最初的一些研究認為土壤電導率不對TDR測定結果產生影響[8]，但后來的一些研究者對此持不同意見。Dalton等[16]認為，當土壤孔隙水溶液電導率接近或大于8 dS/m時會使土壤含水率的測量值偏高。曹玉鵬等[17]研究了電導率為20～66 dS/m的海相淤泥，結果表明Topp等[8]建立的土體介電常數與體積含水率的經驗關系式不適用于含鹽量為1.5%～4.5%、質量含水率為120%～320%的海相淤泥。譚秀翠等[18]的研究也表明，在同一含水率條件下，TDR測量得到的含水率與烘箱法得到的含水率之間的差值隨土體中鹽分質量濃度的增加而增加。當鹽分含量過高時還會導致儀器測量結果異常，出現負值或是無法讀取數據。

2.5 土壤密度產生的誤差

TRIME-T3管式TDR在出廠前已通過密度為1.4 g/cm3的石英砂進行了標定，一般情況下，當土壤密度在1.1～1.7 g/cm3范圍內時，土壤密度對TRIME水分測量的影響可以不予考慮，無需再次標定[3]。但是如果土壤密度過大（>1.7 g/cm3），測量的結果就會偏高；密度過小（<1.1 g/cm3），則結果偏低[6]。這是因為土體密度很大時，就意味著土體基質增加，土體空氣減少，而土體基質的介電常數大于空氣的介電常數就導致測出的水分含量高出了實際的水分含量[19]。

2.6 土壤含水量產生的誤差

當土壤含水量較低時TDR測得的值偏小，含水量較高時測得的值偏大，這種偏差可能是由于自由水和結合水的介電特性差異導致的。含水量較低時結合水占主導地位，其介電常數低于自由水介電常數，所以測得的值偏低。含水量較高時測定的值偏高的原因可能是因為土壤水分空間變異的影響。周凌云等[7]的研究表明，在土壤含水量較低的情況下，TDR的相對偏差比較大。當含水量極低的情況下，TDR的誤差可以達到54.4%，甚至100.0%。

2.7 其他原因產生的誤差

1）TRIME-T3管式TDR不能很好地反映固態水含量，因而測量凍土所得到的值實際上并不是真正的含水量，而僅僅是土壤孔隙中貯存的液態水含量。

2）由于TDR是在出廠時連同電纜、探針等裝置在內進行了嚴格標定的，標定后的參數被專門的軟件寫在探針連接器里面，所以用戶對其延長電纜、更換探針等會導致儀器產生誤差。

3）實際應用過程中，不同層次土壤密度不同，管壁與周圍土壤之間的空隙大小也不同，都會產生測量誤差。

4）在實際應用過程中，經常發現測管內壁有小水珠，可能會影響測量結果。

3 TRIME-T3管式TDR的校正方法

首先，采用正確的安裝方法可以盡可能地減少誤差。安裝時要使用TRIME配套的專用工具精細操作，TRIME-T3管式TDR中的探管埋入土壤中并不能馬上使用，需在管壁與土壤空隙處做灌漿處理，約4周后方能正常使用[12]。

其次，在使用前進行必要的標定。雖然TRIME-T3管式TDR在出廠前連同電纜、探針、探頭等裝置已進行了標定[3]，但是當要求誤差更小時，仍需預先標定，標定方法有[7，14]：

1）經驗公式。校正水分=實測水分+（12.12×密度-17.05）。

2）室內校正方法。①取土。從試驗區采回表層土，將取來的土樣充分風干、粉碎，過篩（篩孔2 mm），并將土樣充分混勻2～3次，使含水量均勻一致。②回填。在標定土桶（直徑60 cm，高100 cm）的中部放好TDR探管后逐層回填土，每加一定量的土樣，人工壓實至接近田間容重值（1.35 g/cm3）。每層保持相同的裝土厚度和壓實重量，使測管周圍的容重與其他地方保持一致。當土樣達到一定高度時，將表面夯實、刮平。③測定。分別在10、15、20、30、40、50、60 cm土壤深處進行TDR讀數，然后在讀數深度處用環刀取土樣4～6個，為避免因蒸發引起的土壤含水量減少，及時將土樣帶回實驗室進行稱重、烘干，并計算體積含水量。④加水。為了得到6組從干土到濕土的數據，試驗過程中共需加5次水，直至土壤體積含水量接近最大值（約40%）。為了使各層的土壤含水量均勻一致，每次加水時，都需要從桶內倒出標定土壤并攤開，每攤開一層，一邊用噴水壺灑水，一邊攪拌。⑤每次加水后重復步驟②、③，這樣便得到一組相應的體積含水量與TDR讀數記錄，進而作出回歸曲線。

3）野外校正方法。在使用TRIME-T3管式TDR逐層進行測量，測量后原深度旋轉探頭，每層測3次取其平均值；同時，用環刀（體積為100 cm3）在探頭埋設地點周圍相同深度取原狀土樣，每次取3個，將樣品帶回實驗室用烘箱法測定相應的體積含水量，取平均值與TDR測值進行標定。野外校正同樣需要用烘箱法和TDR測定從凋萎濕度到飽和含水量的數據對。

4）結合筆者實際操作經驗，對其他原因造成的誤差進行相應地處理。①在冬季適當增加凍土層土壤含水率的烘箱法測定頻率，以解決TDR不能很好地反映固態水含量的問題。②按照要求使用TDR出廠時的原裝電纜、探針等裝置。③采用依照實際情況分層標定的辦法，把同一測管規律一致的相鄰層次放在一起用同一方程標定。④用細繩拴住裝了干燥變色硅膠的布袋置入TDR測管中以干燥測管，并定期取出變色硅膠烘干再用。

參考文獻：

[1] 李玉琪.負壓計在測定土壤水分中的應用與分析[J].人民黃河，1998，20（12）：30-31.

[2] 張書函，康紹忠，張富倉，等.6050X1型時域反射儀的測定原理與靈敏性[J].西北農業大學學報，1996，24（3）：10-15.

[3] 龔元石，李子忠.應用時域反射儀測定農田土壤水分[J].水科學進展，1997，8（4）：329-334.

[4] HEIMOVAARA T J， BOUTEN W. A computer-controlled 36-channel time domain reflectometry system for monitoring soil water contents[J]. Water Resource Research，1990，26（10）： 2311-2316.

[5] 王紹令，楊梅學.時域反射儀在監測青藏高原活動層水分變化過程中的應用[J].冰川凍土，2000，22（1）：78-84.

[6] 張智慧，康爾泗，金博文，等.TRIME-TDR 技術在黑河流域觀測試驗中的應用[J].冰川凍土，2003，25（5）：574-579.

[7] 周凌云，陳志雄.TDR 法測定土壤含水量的標定研究[J].土壤學報，2003，40（1）：59-64.

[8] TOPP G C， DAVIS J L， ANNAN A P. Electromagnetic determination of soil water content： Measurements in coaxial transmission lines[J]. Water Resour Res，1980，16（3）：574-582.

[9] SKIERUCHA W， WILCZEK A， ALOKHINA O. Calibration of a TDR probe for low soil water content measurements[J]. Sensors and Actuators A： Physical，2008，147（2）：544-552.

[10] TOPP G C， DAVIS J L. Measurement of soil water content using time-domain reflectrometry （TDR）： A field evaluation [J]. Soil Science Society of America Journal，1985，49（1）：19-24.

[11] 楊直毅，樊 軍.TDR和FDR測定黃綿土土壤含水量的標定[J].土壤通報，2009，40（4）：740-742.

[12] 李笑吟，畢華興，刁銳民，等.TRIME-TDR土壤水分測定系統的原理及其在黃土高原土壤水分監測中的應用[J].中國水土保持科學，2005，3（1）：112-115.

[13] 姜小三，倪紹祥，潘劍君，等.溫度條件對TDR測定土壤水分的影響[J].江蘇農業科學，2004（4）：102-104.

[14] 鄭茹梅，李子忠，龔元石，等.基于相位差的時域反射儀測定土壤含水量的標定和田間驗證[J].中國農業大學學報，2011， 16（1）：100-104.

[15] 李道西，彭世彰，丁加麗，等.TDR在測量農田土壤水分中的室內標定[J].干旱地區農業研究，2008，26（1）：249-252.

[16] DALTON F N， HERKELRATH W N， RAWLINS D S， et al. Time-domain reflectometry： Simultaneous measurement of soil water content and electrical conductivity with a single probe[J]. Science，1984，224：989-990.

[17] 曹玉鵬，鄧永鋒，洪振舜.高鹽分環境下TDR測試高含水率方法研究[J].巖土工程學報，2010，32（12）：1916-1921.

[18] 譚秀翠，楊金忠，查元源.土壤含鹽量對TDR含水率測試結果的影響及校正方法[J].灌溉排水學報，2010，29（6）：1-6.

[19] 潘宗俊，謝永利，文明勇，等.基于TDR 技術的水分測量系統量測膨脹土含水量偏差分析[J].公路交通科技，2009，26 （7）：59-63.