基于V-TDR工作原理的SOILTOP-200土壤墑情測定儀的實際應用

傅建文，王 勇，顏 坤

（天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061）

基于V-TDR工作原理的SOILTOP-200土壤墑情測定儀的實際應用

傅建文，王 勇，顏 坤

（天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061）

現代農業中，能否對土壤水分進行有效測量與控制是實現“精細農業”與“精細灌溉”的關鍵。SOILTOP-200墑情測定儀采用頻域頻率步進式（V-TDR）探測方案，應用連續波在頻域進行測試，通過傅立葉變換轉換到時域，反演得到平行探測傳輸線周圍的土壤介電常數，進而通過Topp經驗公式得到體積含水率。試驗表明，SOILTOP-200儀器在未經率定的前提下運行穩定，測量數據準確、可靠。

V-TDR；土壤墑情；SOILTOP-200；Topp經驗公式

1 背景綜述

隨著現代農業的快速發展，如何提高土壤保墑、散墑等狀況的技術作業精度是實現農作物“精耕細作”的關鍵。土壤是由固、液、氣三相組成的混合介質，內部結構極為復雜；其中，空氣介電常數為1，大多數土壤顆粒介電常數在2～4[1]，自由水介電常數為80.36（20℃）[2-4]；由于自由水的介電常數明顯高于其它兩項介質，因此在非飽和土壤中，土壤含水量是土壤介電常數的主要影響因子，土壤絕對介電常數的變化能很好地反映土壤含水量的變化[5]。土壤絕對介電常數Ka和含水量θ實際定量關系的確定是發展基于高頻電磁波理論的土壤含水量測定技術的重要基礎，其中最受關注的是高頻電磁法，由于實際測量過程中不破壞被測土壤的內部結構，因而其成為研究連續原位測定土壤含水量的常規儀器方法。

1965年，Looynega提出具有物理基礎的土壤介電常數混合介質模型[6]，首次將土壤介電常數Ka和含水量θ的實際關系進行了定位研究，建立了Ka－θ關系概念模型。隨后，各國眾多科研學者對Ka－θ關系模型展開了大量的研究[7-9]，其中應用最廣泛的關系模型是加拿大科學家Topp的完全經驗公式和美國研究學者Herkelrath的半理論半經驗公式。Topp公式是根據不同區域不同時段多種典型土壤的大量試驗數據擬合而成的三次多項式方程，即θ=-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka2+4.3×10-6Ka3。由上述方程可知，只需土壤絕對介電常數Ka一個參量就能確定實際被測土壤的體積含水率θ，尤其適用于高頻率信號（1.5 GHz以上）對土壤實際含水量的測量[10]，故被大量學者研究應用。

2 SOILTOP-200土壤墑情測定儀介紹

2.1 TDR技術理論

TDR技術被認為是一種快速、安全地測定土壤含水量和電導率的方法。其測量原理為信號發生器所激發的電脈沖以電磁波的形式沿著傳輸線系統傳播，當傳輸線阻抗發生變化時就形成反射，反射波形被接收器所記錄。反射波與入射波之間所包含的信息反映了土壤的電介質特性。

土壤的絕對介電常數Ka=Ka'+jKa″，影響因子較多。Ka'對應電磁波在土壤里的傳導時間，Ka″對應電磁波在波導中的損耗，主要受土壤類型、質地、容重、溫度、含鹽量等因素影響。由于高頻載波技術存在突破瓶頸，國內外幾乎所有產品無法將電磁載波信號進行分解，所以在實際測量中很難得到絕對介電常數值Ka。

2.2 SOILTOP-200土壤墑情測定儀工作原理

SOILTOP-200土壤墑情測定儀采用步進式矢量掃頻（V-TDR）探測方案，信號源利用頻率調制技術（DDS數字式頻率合成器）步進式矢量信號發射，通過對信號相位差的變化，合成新的信號頻率，實現信號掃頻；接收機采用VNA矢量接收技術（Vector Network Analyzer），應用連續波在頻域內進行測試，通過數字運算轉換到時間域，經數據分析、反演得到平行傳輸線（土壤探針）周圍土壤介電常數及其土壤體積含水率。該產品區別于國內SWR、FDR等產品，采用步進式矢量掃頻信號，最高頻率可達4 GHz；由于采用了矢量高頻信號，它有效地將電磁信號的實部虛部進行了分解，得到土壤絕對介電常數，實現了實際測量過程中基本不受土壤電導率、類型、容重、溫度等多種因素的影響，不需要提前率定，即可準確測量土壤體積含水率，是國內首臺無需率定的土壤墑情測定儀。

3 野外數據測量及分析

3.1 試驗土壤

天津水文水資源勘測管理中心自然土壤測試地點為天津市靜海區西釣臺墑情站，對土壤體積含水率進行試驗測量。自然條件下的土壤顆粒大小不均，有些土層還含有較大石塊，并且土壤類型復雜未知。

3.2 試驗方案

針對靜海區西釣臺墑情站的自然土樣進行土壤墑情的分層測量，分別將3根平行探針埋設于10、20、40 cm的土層內，埋設完畢后回填土樣，保留野外自然條件下土層的容重；回填完畢后，應用SOIL?TOP-200土壤墑情測定儀對各土層進行定時測量，每天測量自然條件下各土層的土樣6次，各土層體積含水率為其平均值，測量時間為2015年11月3—15日。

3.3 測量比對

采用人工法進行對比測定，各土層烘干法數據為3次取得的平均值；自然土壤絕對介電常數應用天津特利普爾科技有限公司的SOILTOP-200土壤墑情測定儀進行測定，進而應用Topp公式推算得到所測量自然土樣的實際體積含水率。

（1）數據重復性。天津市靜海區西釣臺墑情站重復性測量監測數據，見表1。從表1可以看出，SOILTOP-200土壤墑情測定儀每天測量的6組墑情數據幾乎沒有變化，標準偏差幾乎為0，這充分證明了SOILTOP-200土壤墑情測定儀自身的穩定性良好。

表1 天津市靜海墑情站各土層體積含水率測量數據

（2）數據準確性。11月3—5日實測地點天氣為晴天，前3 d的數據整體含水率在28%左右，數據整體相對穩定；11月5日后半夜開始降小雨，陣性降雨一直持續到7日下午。SOILTOP-200土壤墑情測定儀測量數值與人工重量法測量數值的比對情況，見表2。從表2可以看出，11月6、7日所測土壤體積含水率在10 cm深度明顯增加，20、40 cm深度含水率增加幅度不大，可見，由于降雨時間不夠長，雨水并未完全滲透到20、40 cm的深度；11月8—13日天氣為陰天，從測量數據中可以看出，經過幾天雨水的滲透，雨水已經到達土層的各個深度，并且所測自然土樣在各個深度的含水率差別不大，比較7 d的數據，10 cm深度的含水率變化不大，20、40 cm深度的含水率明顯增加；11月14—15日天氣為晴天，各個深度的土層含水率在逐漸減少，但整體含水率差別不大。

表2 SOILTOP-200土壤墑情測定儀測量數值與人工重量法測量數值的比對

經過兩種方法測量數據的比對，可以看出SOILTOP-200土壤墑情測定儀測量數據整體變化趨勢的合理性，且與人工重量法所測數據的相對誤差在±2.5%以內，滿足《土壤墑情監測規范》（SL364-2006）中的有關要求，充分證明了SOILTOP-200土壤墑情測定儀所測數據具有良好的準確性。

4 結論

SOILTOP-200土壤墑情測定儀采用步進式矢量掃頻（V-TDR）探測方案，有效地將土壤絕對介電常數進行實部與虛部的分解，推算得到土壤絕對介電常數，進而求得土壤真實含水量。靜海區西釣臺墑情站實驗測量所得的體積含水率與人工重量法相比，測量數據相對誤差在±2.5%以內；并且儀器測量的重復性數據標準偏差幾乎為0，證明了SOILTOP-200土壤墑情測定儀良好的測量精度和很好的測量穩定性。

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S152.7

A

1004-7328（2017）05-0061-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.020

2017—05—02

傅建文（1968—），男，高級工程師，主要從事水文業務管理和水環境監測管理工作。