基于駐波率原理的森林枯落物和土壤含水率測(cè)量方法

顏小飛 鄭曉亮 趙雅婕 趙燕東

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

引言

森林枯落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要功能層之一，枯落物水分含量與地表徑流、水分入滲和蒸發(fā)等水文過(guò)程以及土壤CO2釋放通量相關(guān)，實(shí)現(xiàn)枯落物含水率的原位測(cè)定對(duì)研究枯落物層水文特征和森林土壤呼吸以及碳循環(huán)具有重要作用[1-6]。此外，森林地表可燃物主要集中于枯落物層，其水分含量直接影響林火點(diǎn)燃的難易程度以及火勢(shì)強(qiáng)弱[7-9]，因此，快速、準(zhǔn)確獲取枯落物含水率對(duì)于林火監(jiān)測(cè)以及森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)具有重要意義。

與土壤層相比，枯落物層具有結(jié)構(gòu)松散、有機(jī)質(zhì)含量高、厚度較薄的特點(diǎn)，常見(jiàn)的土壤水分傳感器很難直接、準(zhǔn)確地測(cè)定枯落物含水率。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于枯落物含水率測(cè)量方法的研究較少。國(guó)外部分學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，B?RNER等[10]提出在枯落物與土壤交界面處和土壤中分別安裝時(shí)域反射儀(TDR)，通過(guò)2個(gè)TDR的測(cè)量值可推導(dǎo)出枯落物含水率。該研究提供了一種原位測(cè)定枯落物含水率的方法，但其測(cè)量的準(zhǔn)確性受TDR校準(zhǔn)方法、水分的空間變異性、TDR一致性等諸多因素影響。CANONE等[11]考慮到枯落物為松散多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)傳統(tǒng)的TDR探針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。然而，該研究是在條件可控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開(kāi)展的，且尚需對(duì)TDR輸出值與含水率關(guān)系的轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行深入研究。此外，WILSON等[12]和ATAKA等[13]分別嘗試將電容型土壤水分傳感器應(yīng)用于枯落物含水率的測(cè)定，盡管取得了一定的成果，但測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高。

為此，本文以駐波率(SWR)原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)復(fù)用雙環(huán)式探頭分時(shí)測(cè)定半分解、全分解枯落物和土壤含水率及其電導(dǎo)率。在此基礎(chǔ)上，探究枯落物分解程度對(duì)含水率測(cè)量的影響以及與電導(dǎo)率之間的相關(guān)關(guān)系，最大程度提高枯落物含水率的測(cè)量精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

森林枯落物和土壤含水率測(cè)量系統(tǒng)以STM公司的STM32F103RBT6型芯片為核心[14-15]，能夠?qū)崿F(xiàn)林區(qū)半分解、全分解枯落物層和土壤層水分含量信息的定時(shí)采集與存儲(chǔ)，與上位機(jī)之間既可通過(guò)232通信模塊實(shí)現(xiàn)近距離有線傳輸，又可通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電源控制模塊為水分和電導(dǎo)率檢測(cè)模塊分時(shí)供電，測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡并通過(guò)GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至上位機(jī)。

圖1 森林土壤信息采集系統(tǒng)Fig.1 Forest soil information acquisition system

圖2 SWR測(cè)量含水率原理圖Fig.2 Principle diagram of moisture content measurement based on SWR

1.2 傳感器設(shè)計(jì)

1.2.1測(cè)量原理

測(cè)量土壤含水率采用駐波比法(Standing wave ratio，SWR)[16-17]，又稱駐波率法，其工作原理如圖2所示。采用100 MHz晶振作為激勵(lì)信號(hào)源，晶振所產(chǎn)生的正弦信號(hào)沿同軸傳輸線傳輸?shù)教筋^，如果探頭阻抗(取決于探頭周圍介質(zhì)的介電常數(shù))與傳輸線阻抗不匹配，一部分入射信號(hào)將被反射回信號(hào)源。反射信號(hào)與入射信號(hào)在同軸傳輸線上疊加并形成駐波，則傳輸線上各點(diǎn)的電壓幅值存在變化。取圖2中A點(diǎn)和B點(diǎn)的差分信號(hào)ΔUAB作為傳感器輸出量。

(1)

式中A1——信號(hào)源輸出信號(hào)幅值，V

ZP——雙環(huán)式探頭及其周圍介質(zhì)的阻抗，Ω

ZL——同軸傳輸線特征阻抗，Ω

本文同軸傳輸線特征阻抗ZL為50 Ω，在信號(hào)幅值A(chǔ)1恒定的情況下，A、B兩點(diǎn)的電壓差ΔUAB只與ZP相關(guān)。當(dāng)探頭結(jié)構(gòu)確定后，探頭阻抗即為定值，因此ΔUAB只與探頭周圍介質(zhì)的阻抗有關(guān)[18]。本文采用SWR原理測(cè)量枯落物和土壤含水率，故ΔUAB的大小取決于被測(cè)樣品的含水率。

采用AD5933阻抗芯片實(shí)現(xiàn)枯落物和土壤的電導(dǎo)率測(cè)量[19-22]。如圖3所示，AD5933由內(nèi)部振蕩器或外部晶振MCLK產(chǎn)生振蕩頻率，通過(guò)直接數(shù)字合成器(DDS)產(chǎn)生正弦信號(hào)并經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換后由發(fā)射級(jí)信號(hào)差分放大器輸出，并通過(guò)VOUT管腳激勵(lì)外部復(fù)阻抗ZX，在外部阻抗上產(chǎn)生的電流響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)壓流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其中壓流轉(zhuǎn)換器可通過(guò)反饋電阻RBF調(diào)節(jié)輸出，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)通過(guò)1倍或5倍可調(diào)增益GAIN放大后輸入到LPF，進(jìn)而由片上ADC采樣，采樣結(jié)果通過(guò)片上DSP進(jìn)行離散的傅里葉變換(DFT)處理，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后返回該輸出頻率下得到的實(shí)部數(shù)據(jù)R和虛部數(shù)據(jù)I[23]，從而計(jì)算出在每個(gè)掃描頻率下傅里葉變換的模和相角，測(cè)量結(jié)果正比于被測(cè)對(duì)象的導(dǎo)納，在此基礎(chǔ)上建立阻抗值與電導(dǎo)率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

圖3 AD5933阻抗測(cè)量原理圖Fig.3 Principle diagram of impedance measurement of AD5933

根據(jù)AD5933測(cè)量原理，在某一頻率下通過(guò)離散傅里葉變換后，即

(2)

式中X(f)——信號(hào)在頻率點(diǎn)f的能量

x(n)——ADC輸出

sinn、cosn——頻率點(diǎn)f的采樣矢量

得到的實(shí)部數(shù)據(jù)R和虛部數(shù)據(jù)I正比于被測(cè)對(duì)象的導(dǎo)納，即

(3)

(4)

式中Z——復(fù)阻抗幅值θ——復(fù)阻抗相角

通過(guò)計(jì)算得到該測(cè)量頻率下的阻抗ZX，即

(5)

其中

(6)

式中G——增益系數(shù)Zn——標(biāo)定阻抗

增益系數(shù)G確定后，可計(jì)算出阻抗ZX，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立阻抗ZX與電導(dǎo)率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，用于測(cè)量森林枯落物的表觀電導(dǎo)率。

1.2.2傳感器探頭結(jié)構(gòu)

傳感器雙環(huán)式探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示，在不銹鋼圓管上套接用于絕緣的尼龍軟管，再套上2個(gè)不銹鋼探測(cè)環(huán)，兩環(huán)之間用PVC環(huán)絕緣。其中，不銹鋼圓管直徑為2 cm，探測(cè)環(huán)寬度為1 cm，絕緣PVC環(huán)寬度為1 cm。該探頭可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)含水率和電導(dǎo)率的分時(shí)測(cè)量。

圖4 傳感器雙環(huán)式探頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagrams of sensor probe1.絕緣PVC管 2.絕緣尼龍軟管 3.304不銹鋼圓管 4.布線通道 5.雙環(huán)式探頭 6.不銹鋼錐頭

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 樣品采集

枯落物和土壤樣品采集于北京西郊鷲峰國(guó)家森林公園，地理坐標(biāo)39°54′N、116°28′E，海拔50～1 100 m，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為一片栓皮櫟林，在相同立地條件下分別采集半分解的枯落物、全分解的枯落物和緊鄰枯落物的表層土壤(0～10 cm)。選取林地中枯落物層較厚的位置采集樣品，首先除去地表的植物體，然后挖開(kāi)垂直剖面，在枯落物的半分解層、全分解層和土壤層分別用100 cm3環(huán)刀取樣，并于林地的3個(gè)不同位置各取一組樣品，用于樣品容重的計(jì)算，最后分層采集樣品并裝入密封袋中，用于傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程

(1)計(jì)算容重。將100 cm3環(huán)刀采集的3種(共9個(gè))樣品放入干燥箱于65℃下干燥48 h，冷卻至室溫后稱量，計(jì)算出半分解枯落物層、全分解枯落物層、土壤層的平均容重。

(2)干燥樣品。將3種樣品中的枯枝、石塊等雜質(zhì)去除，分別放入干燥箱于65℃下干燥48 h[24]。

(3)配制不同含水率的樣品。將干燥后的土壤樣品分為若干份，每份2 kg。在每份樣品中分別以100 g為梯度添加去離子水，直至土樣飽和。混合均勻后，用分層填裝的方式將每份樣品分別裝入一個(gè)圓柱形PVC容器(內(nèi)徑10.5 cm、高度20 cm)，使其容重盡量與林地中原狀土容重保持一致，計(jì)算并記錄每份樣品的體積含水率(θV，cm3/cm3)和質(zhì)量含水率(θG，g/g)。對(duì)于半分解和全分解枯落物樣品的處理方式與土壤樣品相同。

(4)將傳感器探頭插入樣品中，用本文所設(shè)計(jì)的SWR水分傳感器測(cè)量3種樣品在不同含水率下的輸出電壓和阻抗(圖5a)，同時(shí)采用商品化的TDR(TRIME-PICO 64型, IMKO, 德國(guó))測(cè)量各樣品的體積含水率和電導(dǎo)率(圖5b)。

圖5 樣品含水率測(cè)量Fig.5 Photographs of water content measurement

3 結(jié)果與分析

3.1 SWR測(cè)定枯落物含水率結(jié)果分析

經(jīng)環(huán)刀取樣并計(jì)算得出，供試栓皮櫟林地中半分解枯落物層、全分解枯落物層和緊鄰枯落物土壤層容重分別為0.65～0.67 g/cm3、0.86～0.89 g/cm3和1.28～1.30 g/cm3，本文所配制被測(cè)樣品盡量與林地中各層的原始容重保持一致。

由圖6a可看出，在半分解、全分解枯落物和土壤的測(cè)試中，SWR水分傳感器輸出電壓ΔUAB與樣品體積含水率θV之間具有良好的線性關(guān)系，線性回歸方程分別為θV=0.877ΔUAB-0.261、θV=0.645ΔUAB-0.191、θV=0.629ΔUAB-0.205。半分解枯落物與全分解枯落物、土壤回歸曲線差異較大，而全分解枯落物與其鄰接土壤的回歸曲線非常相近，可能是由于兩者的有機(jī)質(zhì)成分相同且含量均較高，從而使兩者因質(zhì)地不同導(dǎo)致的差異可以被忽略。因此，使用本文所研制的SWR水分傳感器測(cè)量全分解枯落物層和0～10 cm土壤層體積含水率時(shí)，可以使用相同的標(biāo)定曲線。由圖6b可見(jiàn)，SWR輸出電壓ΔUAB與樣品質(zhì)量含水率θG也呈線性關(guān)系，然而由于容重不同，在測(cè)量質(zhì)量含水率θG時(shí)，全分解枯落物層與土壤層不能使用同一標(biāo)定曲線，需要分別進(jìn)行標(biāo)定。

圖6 SWR傳感器輸出電壓ΔUAB與樣品體積含水率θV、質(zhì)量含水率θG的關(guān)系Fig.6 Relationships of output voltage of SWR ΔUAB vs volumetric water content θV and gravimetric water content θG in forest floor and mineral soil

SWR測(cè)量半分解枯落物、全分解枯落物和土壤體積含水率的平均絕對(duì)誤差(MAE)分別為0.038、0.020、0.020 cm3/cm3，標(biāo)準(zhǔn)差(SD)分別為0.044、0.027、0.029 cm3/cm3(表1)。半分解枯落物的MAE和SD明顯高于全分解枯落物和土壤，這是由于半分解枯落物中林地植被落下的枝葉、枝條、樹皮等凋落物處于部分分解狀態(tài)，其均一性低于全分解枯落物和土壤。在半分解枯落物含水率測(cè)量過(guò)程中，傳感器探頭不可避免地會(huì)隨機(jī)插入樣品中較大的孔隙之間，從而造成測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性低于全分解枯落物和土壤。

表1 SWR與TDR測(cè)量樣品體積含水率的平均絕對(duì)誤差(MAE)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)Tab.1 Mean absolute error (MAE) and standarddeviation (SD) of volumetric water content measuredby SWR and TDR probes cm3/cm3

3.2 SWR與TDR測(cè)定枯落物含水率的對(duì)比

采用商品化的TDR與本文設(shè)計(jì)的SWR傳感器同步測(cè)量半分解枯落物、全分解枯落物和土壤含水率，由圖7可知，采用商品化TDR的默認(rèn)標(biāo)定曲線直接測(cè)量枯落物含水率，誤差較大，需要進(jìn)行重新標(biāo)定。TDR輸出值與樣品體積含水率、質(zhì)量含水率也呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且R2均大于0.95。由表1可看出，重新標(biāo)定后的TDR測(cè)量半分解枯落物、全分解枯落物和土壤含水率的平均絕對(duì)誤差MAE明顯大于SWR，其標(biāo)準(zhǔn)差SD則與SWR基本相當(dāng)。因此，本文所研制SWR傳感器在枯落物水分測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面略優(yōu)于TDR。

森林中枯落物層通常比較薄(<10 cm)，本研究采樣林地枯落物的半分解層和全分解層厚度約為5 cm和7 cm。TDR測(cè)量含水率時(shí)可將整個(gè)探針垂直埋入，被測(cè)物的最小厚度應(yīng)不小于探針長(zhǎng)度(11 cm)；也可將探針?biāo)铰袢耄粶y(cè)物的最小厚度應(yīng)大于探針的影響半徑(約8 cm)[10]。SWR測(cè)量含水率時(shí)需將雙環(huán)式探頭全部埋入，被測(cè)物的最小厚度只需大于2個(gè)探頭的寬度與距離之和(3 cm)。可見(jiàn)，與商品化TDR相比，本文所設(shè)計(jì)的SWR傳感器在測(cè)量較薄枯落物(<10 cm)含水率方面具有更廣闊的適用范圍。

森林枯落物含水率具有很強(qiáng)的時(shí)空變異性[10]，在開(kāi)展森林水文學(xué)和森林火險(xiǎn)等級(jí)與林火蔓延研究時(shí)，往往需要將大量傳感器安裝于林區(qū)不同的位置。TDR價(jià)格昂貴，SWR成本則較低，因此，使用本文所設(shè)計(jì)SWR傳感器開(kāi)展枯落物含水率測(cè)量，在保證測(cè)量準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上可顯著降低檢測(cè)成本。

圖7 TDR輸出值θTDR與樣品體積含水率θV、質(zhì)量含水率θG的關(guān)系Fig.7 Relationships of output of TDR θTDR vs volumetric water content θV and gravimetric water content θG in forest floor and mineral soil

3.3 電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果與分析

在對(duì)森林枯落物含水率進(jìn)行長(zhǎng)期原位測(cè)定時(shí)，傳感器需長(zhǎng)時(shí)間埋在半分解層和全分解層，采用圖6所示的標(biāo)定曲線即可計(jì)算枯落物含水率。然而，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，半分解枯落物會(huì)逐漸分解，最終變?yōu)槿纸饪萋湮铮枰儞Q不同的標(biāo)定曲線來(lái)計(jì)算含水率。因此，實(shí)時(shí)判斷枯落物的分解程度對(duì)于實(shí)現(xiàn)枯落物含水率的準(zhǔn)確測(cè)定具有重要作用。

本研究通過(guò)測(cè)定電導(dǎo)率來(lái)判斷半分解的枯落物是否隨時(shí)間推移而完全分解。SWR傳感器集成基于AD5933阻抗測(cè)量模塊，水分測(cè)量和阻抗測(cè)量分時(shí)復(fù)用雙環(huán)式探頭，可同步獲取被測(cè)樣品的含水率和阻抗。將阻抗與TDR測(cè)得的樣品電導(dǎo)率進(jìn)行擬合，如圖8所示，兩者呈指數(shù)關(guān)系，因此可通過(guò)AD5933測(cè)得的阻抗推算出樣品的電導(dǎo)率。由圖9可知，在同一含水率下，半分解和全分解枯落物的電導(dǎo)率不同。在對(duì)枯落物含水率進(jìn)行原位測(cè)定時(shí)，本研究設(shè)計(jì)的傳感器探頭同步輸出枯落物含水率和電導(dǎo)率，在對(duì)半分解枯落物含水率進(jìn)行長(zhǎng)期原位測(cè)定時(shí)，可有效估算枯落物的分解程度以及是否需要改變傳感器的水分標(biāo)定曲線，最大程度降低枯落物因成分改變對(duì)傳感器測(cè)量精度造成的影響。

圖8 樣品阻抗與電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.8 Relationships between impedance and electrical conductivity in forest floor and mineral soil

圖9 半分解和全分解枯落物電導(dǎo)率與質(zhì)量含水率的關(guān)系Fig.9 Relationships between electrical conductivity and gravimetric water content in partially decomposed and well decomposed forest floor

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種可準(zhǔn)確測(cè)量森林半分解枯落物、全分解枯落物和土壤含水率的傳感器，其探頭為復(fù)用雙環(huán)式結(jié)構(gòu)，可分時(shí)測(cè)量枯落物或土壤的含水率及電導(dǎo)率。采用SWR原理實(shí)現(xiàn)含水率測(cè)定，傳感器輸出電壓與枯落物和土壤含水率呈良好的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器測(cè)量全分解枯落物層和與其鄰接的土壤層(0～10 cm)體積含水率時(shí)，兩者的標(biāo)定曲線非常接近，且與半分解枯落物層標(biāo)定曲線的差異較大。在測(cè)量質(zhì)量含水率時(shí)，由于容重不同，半分解、全分解枯落物和土壤的標(biāo)定曲線差異顯著。此外，傳感器集成AD5933芯片測(cè)量被測(cè)物的阻抗，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)阻抗和電導(dǎo)率進(jìn)行回歸分析，則傳感器可測(cè)定枯落物和土壤的電導(dǎo)率。

(2)將本文所設(shè)計(jì)的基于SWR的水分傳感器與商品化的TDR水分傳感器進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，2種傳感器輸出與枯落物和土壤含水率均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且TDR測(cè)量3種樣品含水率的平均絕對(duì)誤差MAE明顯大于SWR，標(biāo)準(zhǔn)差SD則與SWR基本相當(dāng)。此外，與TDR相比，SWR傳感器在測(cè)量較薄的(<10 cm)枯落物含水率以及測(cè)量成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(3)在對(duì)枯落物含水率進(jìn)行長(zhǎng)期原位測(cè)定時(shí)，考慮到半分解枯落物的分解程度會(huì)隨著時(shí)間推移逐漸加深，根據(jù)相同含水率下半分解和全分解枯落物的電導(dǎo)率差異，在測(cè)量枯落物含水率時(shí)同步測(cè)定其電導(dǎo)率，可判斷半分解枯落物是否已經(jīng)完全分解以及是否需要變換傳感器的標(biāo)定曲線，為準(zhǔn)確測(cè)量林地枯落物的含水率奠定基礎(chǔ)。

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