土壤水分傳感器實驗室校準與一致性分析

高爐東　張繼光　王黎明等

摘要 介紹了自動土壤水分傳感器的測量原理和實驗室校準方法，以湖南省氣象部門業務運行的26套DZN3型自動土壤水分站逐層傳感器實驗室校準數據為基礎，分析了自動土壤水分傳感器的一致性。

關鍵詞 FDR；土壤水分；傳感器；一致性

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-366-03

土壤水是植物吸收水分的主要來源（水培植物除外），土壤水分含量的狀態和變化，是植物的生長狀況好壞的主要決定因素，對土壤水分的測定是保障農業生產的重要手段，同時還是科學決策和防范山體滑坡的重要參考依據。土壤水分傳感器主要用來自動測量土壤含水量（需要連接采集器，組成目前主要采用的FDR自動土壤水分觀測儀），因此，為保證其測量數據的準確性，需要定期對傳感器進行校準。

1 測量原理和數據生成

1.1 測量原理

FDR自動土壤水分觀測儀是基于頻域反射法（Frequency Domain Reflectometry）原理而設計，傳感器由一對電極（平行排列的金屬棒或圓形金屬環）組成一個電容，電容與振蕩器組成一個調諧電路，用100 MHz正弦曲線信號掃描土壤，電容量的變化與兩極間被測介質（土壤）的介電常數成正比。因水的介電常數比一般介質的介電常數要大，所以當土壤中的水分增加時，其介電常數相應增大。根據電容量與土壤水分之間的對應關系，即可測出土壤體積含水量。

依據安裝方式的不同，可分為插針式和管式2種（圖1）。

2 實驗室校準方法

2.1 校準標準物制作

將實驗需要的至少100 kg的240目玻璃砂進行晾曬或使用烘箱烘干，保證玻璃砂中基本無水分。烘干后的玻璃砂使用雙層塑料袋密封包裝，制作過程中需使用的容器及工具均應洗滌干凈，烘干后保持干燥[1]。制作前應將要使用的儀器進行校準。根據各校準點、水量計算：設240目玻璃砂容重為1.5 g/cm3，計算所需玻璃砂重量和加水量，各校準點標準物質配比見表1。

校準前將管式傳感器（或針式傳感器）校準容器放置在平坦、牢靠工作臺面上。校準裝置如圖2所示。

2.2 校準技術要求 將觀測儀置于空氣中，測量此時的體積含水量，小于0.3%視為合格；將傳感器置于裝滿純水的水桶中，測量此時的體積含水量，接近100%視為合格。

土壤水分傳感器的靜態校準結果的最大允許誤差為[2]：在±2.5%之間；靜態校準結果（各層之間）的不一致性為：在±1.5%之間。

3 傳感器校準

3.1 校準數據讀取

分別校準土壤水分觀測儀的8支傳感器的測量值（土壤體積含水量），每隔1min采集1次測量值，共采集4次測量值，取4次測量值的平均值作為測量結果，測量結果減去標準值得出測量誤差。

對26個站點的202個傳感器分別進行4個標準校準點的測試，取4次歸一化頻率平均，并用公式（2）計算出相應的體積含水量值。

3.2 靜態校準結果分析

從圖3可以看出，在4個（5%、15%、25%、32%）標準檢測點上，傳感器被測值普遍低于標準值，低于標準點的傳感器數量分別占89.1%、72.7%、78.7%、84.2%；隨著標準點的濕度值增大，絕對誤差的振幅也隨之增大，絕對誤差振幅平均值分別為0.3、0.37、0.58和0.73，其中高于標準值誤差平均振幅分別為0.39、0.48、0.72、0.91，隨標準點濕度增加有上升的趨勢，低于標準值誤差平均振幅分別為0.29、0.33、0.55、0.70，隨標準點濕度增加有上升的趨勢；在4個標準點上，大于標準值最大振幅分別為1.08、1.74、2.15、2.32，低于標準值的最大振幅分別為-0.99、-1.71、-2.25、-2.41；所有傳感器在4個標準點上的平均偏差為0.50。

利用公式（3）計算得出，靜態對比檢查誤差全部在±2.5%之間，處于規定的誤差范圍內。各層傳感器的不一致性（有正負差值）的站點情況：在4個標準點上，其中桑植作物地段60 cm深度的差值最大，其平均差值為1.76，冷水灘40 cm深度次之，平均差值為1.73；傳感器在4個標準點上差值最小為0.09，有江華站20 cm、衡陽地段20 cm、臨武站100 cm、平江站40 cm、赫山站80 cm、冷水灘站80 cm、澧縣站40 cm共7個層次。

3.3 靜態校準一致性

由于自動土壤水分觀測儀器受安裝地點的不同導致其安裝在空氣和水中的標定基準頻率不同，即公式（1）的Fa 和Fw 一定的差異，所以要進行同一個站點不同層次傳感器之間的一致性檢查。從圖3可以看出，在4個標準檢測點上，有33個傳感器出現正差值和負差值，占16.3%；21個傳感器（總數的10.4%）在4個標準檢測點上是正差值，在每個標準檢測點上的平均差值分別為0.40、1.00、1.27、1.27；148個傳感器（總數的73.3%）在4個標準檢測點上是負差值，在每個標準檢測點上的平均差值分別為-0.33、-0.33、-0.58、-0.78。

利用公式（3）計算站點之間傳感器不一致性，在5%標準檢測點上，最大不一致性為0.44（桑植作物地段），最小為0.14（衡陽作物地段）；在15%標準檢測點上，最大不一致性為0.62（衡陽農氣站），最小為0.14（澧縣）；在25%標準檢測點上，最大不一致性為0.92（桑植作物），最小為0.20（澧縣）；在32%標準檢測點上，最大不一致性為1.12（桑植作物），最小為0.14（澧縣）。

4 業務運行分析

用桑植作物地段和江華站點土壤水分站2013年1月1日～2014年4月21日475個時間序列8個層次（離地面深度10、20、30、40、50、60、80、100 cm）日平均體積含水量和日累計降水量，分析體積含水量和降水量的關系，結果見圖4。根據“3.2”的分析，桑植作物地段傳感器不一致性在3個標準檢測點上表現最大，體現在圖4a中為淺層和深層之間的較大差值，且淺層的體積含水量數據明顯長時間處于過飽和狀

態，最大達95%，而據1981～2007年全國23個農氣一級站的極值統計來看，土壤體積含水量≤55%[3]。江華站各層傳感器一致性較好，平均不一致性為0.52，從圖4b可以看出深層體積含水量高于淺層，各個層次對降水有明顯的響應，響應變化幅度也較均勻一致。

5 結語

在實驗室環境下對土壤水分傳感器進行校準能夠很好地控制標準檢測點的實驗精度，能更加真實地檢測出自動土壤水分傳感器的測量水分效果，在保證標準校準點精確度的基礎上，利用實驗對比數據可以將體積含水量數據進行校正，使校正后的測量值在標準檢測點數據上達到均方誤差最小。

參考文獻

[1] 中國氣象局探測中心. FDR型自動土壤水分觀測儀實驗室校準方法[S].北京：中國氣象局，2013.

[2] 中國氣象局綜合觀測司.自動土壤水分觀測規范（試行）[S].2010.

[3] 張志富.自動站土壤水分資料質量控制方案的研制[J].干旱區地理，2013，36（1）：103.