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(yè)務(wù)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了自動土壤水分傳感器的一致性。

關(guān)鍵詞 FDR；土壤水分；傳感器；一致性

中圖分類號 S126 文獻標(biāo)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(tài)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段，同時還是科學(xué)決策和防范山體滑坡的重要參考依據(jù)。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(shù)據(jù)的準確性，需要定期對傳感器進行校準。

1 測量原理和數(shù)據(jù)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(shè)計，傳感器由一對電極（平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán)）組成一個電容，電容與振蕩器組成一個調(diào)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(zhì)（土壤）的介電常數(shù)成正比。因水的介電常數(shù)比一般介質(zhì)的介電常數(shù)要大，所以當(dāng)土壤中的水分增加時，其介電常數(shù)相應(yīng)增大。根據(jù)電容量與土壤水分之間的對應(yīng)關(guān)系，即可測出土壤體積含水量。

依據(jù)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(biāo)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(yīng)洗滌干凈，烘干后保持干燥[1]。制作前應(yīng)將要使用的儀器進行校準。根據(jù)各校準點、水量計算：設(shè)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(biāo)準物質(zhì)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(shù)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(tài)校準結(jié)果的最大允許誤差為[2]：在±2.5%之間；靜態(tài)校準結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)果，測量結(jié)果減去標(biāo)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(biāo)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(yīng)的體積含水量值。

3.2 靜態(tài)校準結(jié)果分析

從圖3可以看出，在4個（5%、15%、25%、32%）標(biāo)準檢測點上，傳感器被測值普遍低于標(biāo)準值，低于標(biāo)準點的傳感器數(shù)量分別占89.1%、72.7%、78.7%、84.2%；隨著標(biāo)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(biāo)準值誤差平均振幅分別為0.39、0.48、0.72、0.91，隨標(biāo)準點濕度增加有上升的趨勢，低于標(biāo)準值誤差平均振幅分別為0.29、0.33、0.55、0.70，隨標(biāo)準點濕度增加有上升的趨勢；在4個標(biāo)準點上，大于標(biāo)準值最大振幅分別為1.08、1.74、2.15、2.32，低于標(biāo)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(biāo)準點上的平均偏差為0.50。

利用公式（3）計算得出，靜態(tài)對比檢查誤差全部在±2.5%之間，處于規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。各層傳感器的不一致性（有正負差值）的站點情況：在4個標(biāo)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(biāo)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(tài)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(dǎo)致其安裝在空氣和水中的標(biāo)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(biāo)準檢測點上，有33個傳感器出現(xiàn)正差值和負差值，占16.3%；21個傳感器（總數(shù)的10.4%）在4個標(biāo)準檢測點上是正差值，在每個標(biāo)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(shù)的73.3%）在4個標(biāo)準檢測點上是負差值，在每個標(biāo)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(biāo)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(biāo)準檢測點上，最大不一致性為0.62（衡陽農(nóng)氣站），最小為0.14（澧縣）；在25%標(biāo)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(biāo)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(yè)務(wù)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(guān)系，結(jié)果見圖4。根據(jù)“3.2”的分析，桑植作物地段傳感器不一致性在3個標(biāo)準檢測點上表現(xiàn)最大，體現(xiàn)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(shù)據(jù)明顯長時間處于過飽和狀

態(tài)，最大達95%，而據(jù)1981～2007年全國23個農(nóng)氣一級站的極值統(tǒng)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(yīng)，響應(yīng)變化幅度也較均勻一致。

5 結(jié)語

在實驗室環(huán)境下對土壤水分傳感器進行校準能夠很好地控制標(biāo)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(biāo)準校準點精確度的基礎(chǔ)上，利用實驗對比數(shù)據(jù)可以將體積含水量數(shù)據(jù)進行校正，使校正后的測量值在標(biāo)準檢測點數(shù)據(jù)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(guī)范（試行）[S].2010.

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