土壤墑情自動監測研究

劉漢臣

(黑龍江省齊齊哈爾水文局，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

?

土壤墑情自動監測研究

劉漢臣

(黑龍江省齊齊哈爾水文局，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

摘要：土壤墑情自動監測儀器主要有：張力計法、中子水分儀、頻域反射法和時域發射法，目前國內外常用的土壤墑情自動監測設備主要是時域反射法和頻域反射法儀器。時域反射法和頻域反射法均是基于介電法原理，通過測量土壤介電常數的變化，間接測定土壤含水量。

關鍵詞：土壤；墑情；自動監測；儀器；原理

0引言

中國是一個水旱災害頻發的國家，干旱災害是影響我國經濟、社會發展的主要自然災害之一。土壤含水量是影響農作物生長的關鍵要素，是反映干旱程度的重要指標，干旱通過土壤含水量銳減對農業生產造成損失。因土壤含水量是重要的旱情信息，其監測對抗旱工作意義重大。土壤水分是影響徑流形成的重要因素，通過長期的土壤含水量的監測積累資料，對水文學基礎研究也是十分有益的。土壤含水量的監測起因于農業抗旱的需要，因此長期以來被稱為土壤墑情監測。

土壤墑情監測過去主要通過人工觀測。人工觀測采用烘干法測定土壤含水量，人工野外采集土樣，在實驗室對土樣秤重，烘干土樣再秤重，通過比較原始土樣和烘干后土樣的重量差別計算出土壤的重量含水量。

烘干法雖能得到精確觀測結果，但比較費工耗時，信息的時效性較差。隨著近年來我國大面積旱災的頻繁發生，在一些易旱地區逐步建設了土壤墑情自動監測站，實現了土壤墑情信息的自動采集、自動傳輸，提高了土壤墑情監測信息的實時性。土壤墑情自動監測對水文部門是一個新生事務，充分認識土壤墑情自動監測儀器的工作原理和性能對做好土壤墑情監測工作是十分必要的。

1土壤墑情自動監測儀器的原理

土壤墑情自動監測儀器主要有：張力計法、中子水分儀、頻域反射法和時域發射法，目前國內外常用的土壤墑情自動監測設備主要是時域反射法和頻域反射法儀器。時域反射法和頻域反射法均是基于介電法原理，通過測量土壤介電常數的變化，間接測定土壤含水量。

介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，最終介質中電場與原外加電場(真空中電場)的比值即稱為相對介電常數，又稱相對電容率。室溫下的相對介電常數：水約為80、干土為3～5、空氣為1，水的介電常數較干土和空氣都大，因此土壤含水量越大其相對介電常數也越大。土壤介電常數與含水量是一個非線性函數，可用臺勞多項式逼近。

(1)

式中：θv為土壤容積含水量。%；εr為土壤相對介電常數；a0、a1、a2、an為由土壤特性確定的系數。按照《土壤墑情監測范規》規定取到多項式的三次方項即可。

頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry，簡稱FDR)通過測量土壤介電常數變化引起的儀器振蕩頻率的變化測量土壤含水量。傳感器主要由一對圓形金屬環組成一個電容，利用土壤充當電介質,電容與振蕩器組成一個調諧電路，傳感器電容量與兩級間被測土壤介質的介電常數成正比關系。當土壤中的水分增加時，其介電常數相應增大，測量時傳感器給出的電容值也隨之上升，相應的傳感器的測量頻率也會發生變化，由此測得土壤的體積含水量。FDR法采用了相對較低的工作頻率,一般在100～150 MHz，在測量電路上易于實現，造價較低，是目前我國應用最為廣泛的一類土壤墑情自動監測儀器。

振蕩頻率計算公式為：

(2)

式中：F為振蕩頻率；L為電感；C為電容。電容與介電常數成正比關系：

C=kεrε0

(3)

式中：ε0為真空絕對介電常數，ε0=8.85×e-12F/m；k為系數。由土壤體積含水量和介電常數的關系式(1)及式(2)、式(3)可知，振蕩器頻率與土壤體積含水量成非線性反比關系。

利用土壤水分傳感器在不同土壤含水量中的歸一化頻率SF變化來測量土壤體積含水量：

(4)

式中：Fa為放置于空氣中所測得的頻率；Fs為土壤中所測得的頻率；Fw為放置于水中所測得的頻率。輸出頻率與體積含水量的關系如下：

θv=αSFb

(5)

式中：α為由所在地土壤特性確定的常數，也可采用類似式(1)的多項式逼近式(5)。

式(1)和式(5)中的參數與土壤特性有關，均需要針對不同類型的土壤分別率定。

時域反射法(Time Domain Reflectometry，簡稱TDR)是近年來出現的土壤含水量測量儀器，這類儀器制造難度較大，價格也相對高，目前以國外品牌為主。時域反射法，通過測定電磁波在土壤中固定傳輸線路上的傳輸時間確定土壤得介電常數，其原理依據：電磁波沿電纜或線路傳播時在阻抗不連續處會發生反射，電磁波沿電纜傳播的速度與周圍介質相對介電常數的平方根成反比，即：

(6)

式中：v為電磁波在介質中傳播的速度；c為電磁波在真空中傳播的速度。

信號發生器產生一個具有陡峭上升沿的階躍電壓信號，以電磁波的形式沿同軸電纜和埋入土壤中的探針傳播，由于同軸電纜和探針的阻抗不同，部分電磁波在同軸電纜與探針的連接處(探針首端)發生反射并沿同軸電纜傳回；剩下的電磁波沿探針繼續傳播，在探針末端被全部反射并傳回。這兩部分反射信號均被高速采樣示波器記錄下來，根據示波器捕捉到它們的時間差計算土壤的相對介電常數：

(7)

式中：t2為探針末端反射的信號被示波器捕捉的時間；t1為探針首端反射的信號被示波器捕捉的時間；l為探針的長度。

可用類似于式(1)的公式將相對介電常數轉換為土壤的體積含水量。

圖1　時域反射法土壤水分

2土壤墑情自動監精度的討論

使用任何儀器量測任何物理量，精度都是至關重要的，只有精度滿足要求的測量數據才有意義。開展土壤墑情自動監測應對其監測精度，影響監測精度的因素，監測精度的改進方法有所認識。

土壤含水量的真實值我們無法得知，能夠得到的均是各種方法的測量值，一般公認人工烘干法的量測值相對準確，因此多用人工烘干法的觀測結果校對儀器自動監測值。人工烘干法測量的是土壤的重量含水量，頻域反射法和時域反射法測量的是土壤的體積含水量，需將體積含水量與重量含水量進行轉換才能對比，轉換公式為：

θv=γθg

(8)

式中：γ為土壤干容重；θg為土壤重量含水量。

一般采用自動監測儀器監測值與人工烘干法測量值的絕對誤差衡量儀器的精度，水利部行業標準《土壤墑情監測規范》中規定應此值應<2%,氣象局的相關標準規定此值應<5%，從面前的實際使用情況看很多廠家的儀器達不到以上標準的要求。

土壤墑情自動監測的精度，首先取決于監測儀器的性能和質量，主要是儀器的穩定性和靈敏性。因此在設備采購時應，采取制定相應的儀器性能標準，建立市場準入制度等措施嚴格控制質量。

頻域反射法和時域反射法土壤含水量監測儀，直接量測的是土壤的介電常數，通過轉換公式再得出土壤體積含水量，因此轉換公式準確與否也是影響監測精度的一個重要因素，轉換公式一般由廠家提供。廠家先制作標準土樣，再將土樣制備成已知的含水量，對土樣進行土壤含水量測量，得出一組土壤含水量與儀器測量電信號的對應數據，最后率定出轉換公式。對于標準土樣，有的廠家在監測站當地取土制作，也有的廠家已建立了各種土壤質地的土樣庫，無論采取那種方式其制作的標準土樣均可能與監測站的土壤特性有所差異，實驗室環境下率定出的轉換公式與野外環境下的會有所不同，廠家對標準土樣的制作水平等成為決定轉換公式精度的關鍵因素。

對于轉換公式的誤差監測部門可通過進行人工比測校準，定期對土壤墑情自動監測站進行人工對比觀測，對比人工烘干法的測量值與儀器的自動監測值，對儀器自動監測值進行系統校正，也可根據人工烘干法測量值與儀器監測的電信號值重新率定轉換公式。

固定墑情自動監測站埋設在田間，探頭周圍的土地農民不再耕作，其降雨入滲和蒸發特性會與耕作的土壤有所不同，也會影響監測數據對附近農田的代表性。

3結語

黑龍江省是糧食生產大省，土地后備資源豐富，人均占有耕地多，農業生產潛力大，在農業生產方面有6項全國第一，在全國占有重要特殊位置。受大陸季風氣候影響，我省易發生春旱夏澇，土壤墑情自動監測在指導我省農業生產，抗旱增收，調整種植結構，發展現代農業方面具有重要作用。目前我省土壤墑情自動監測剛剛起步，還需我們在今后的工作中認真總結檢驗，不斷探索改進。

參考文獻：

[1]時新玲，王國棟.土壤含水量測定方法研究進展[J].中國農村水利水電，2003，(10)：84-96.(Shi Xinling，Wang Guodong.Research advances in Measuring Method of soil water content[J].China rural water and hydropower，2003(10)：84-96.

[2]陳家宙，陳明亮，何圓球.各具特色的當代土壤水分測量技術[J].湖北農業科學，2001，22(3)：25-28.(Chen Jiazhou，Chen Mingliang，He Yuanqiu.Variety in contemporary.

[3]Jones，S.B.，Wraith，J.M.，Or，D..Time domain reflectometry measurement principle and application{J}.Hydrological Processes，2002，16(1):141-153.

[4]中華人民共和國水利部SL364—2006.土壤墑情監測規范[S].北京：中國水利電力出版社，2007.

文章編號：1007-7596(2016)04-0086-03

[收稿日期]2016-03-28

[作者簡介]劉漢臣(1960-)，男，遼寧法庫人，高級工程師，曾獲黑龍江省科技進步三等獎1項。

中圖分類號：S152.7

文獻標識碼：B