基于土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的田間持水量試驗(yàn)研究*

陳蒙蒙，蘭玉彬，王國賓，王杰，王寶聚，魯文霞

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000； 2. 國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心山東理工大學(xué)分中心，山東淄博，255000； 3. 山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博，255000)

0 引言

土壤水是水文循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)的重要組成資源[1]。土壤水分克服重力阻力，經(jīng)過一段時(shí)間能維持較穩(wěn)定的含水量，土壤此時(shí)處于田間持水量[2]。田間持水量是植物吸收和利用水分的重要土壤水力性質(zhì)[3-4]。田間持水量測量方法有環(huán)刀法、張力計(jì)法等方法[5-7]。王高英[8]分別使用環(huán)刀法和儀器法進(jìn)行田間持水量和土壤含水量的測定試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)減少測量偏差需使用高精度的墑情測定儀。辛玉琛[9]使用自動墑情站和圍框淹灌法分別測量了田間持水量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用自動墑情站測定田間持水量的方法可應(yīng)用于實(shí)際工作。

近年來，智能環(huán)境監(jiān)測設(shè)備在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中的應(yīng)用越來越廣泛[10-11]。北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心研發(fā)的氣象墑情采集系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測氣象信息和墑情信息；MP300土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可同時(shí)采集三種土壤參數(shù)；SMM土壤水分測定儀能夠同時(shí)測量土壤含水量和土壤水勢；智墑一體化土壤水分監(jiān)測儀可連續(xù)監(jiān)測不同深度的土壤水分、溫度。這些案例表明，使用高精度監(jiān)測設(shè)備或移動監(jiān)測器對土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，已經(jīng)成為農(nóng)田信息遠(yuǎn)程管理的科學(xué)手段[12]。自動墑情站作為無人農(nóng)場田間管理的“耳目”，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測和存儲農(nóng)田土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，為自動節(jié)水灌溉決策系統(tǒng)提供模型輸入?yún)?shù)[13-14]。因此本文提出一種基于土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)測定田間持水量的方法，分析不同深度的土壤體積含水量變化過程，探究土壤表層相對溫度差對土壤水分日丟失量的影響，為智能監(jiān)測設(shè)備在無人農(nóng)場中的應(yīng)用提供參考具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，試驗(yàn)設(shè)備選擇美國自動墑情站MP300土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。將土壤樣品放進(jìn)長、寬、高均為300 mm的正方形有機(jī)玻璃土箱，土箱側(cè)面使用木板固定。有機(jī)玻璃土箱位于高240 mm的長方體底座上，土箱底部設(shè)計(jì)為直徑75 mm的圓排水孔，排水孔厚度為6 mm，排水孔的上底部和下底部裝有網(wǎng)孔直徑分別為2 mm和1 mm的隔離片，以防止土壤微粒漏出，同時(shí)不影響水分下滲。由于傳感器需水平放置，故分別在土層剖面10 cm、20 cm深處插入一根傳感器，以監(jiān)測不同深度的土壤含水量變化情況。傳感器通過信號線與MP300土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)的CR1000X數(shù)據(jù)采集器相連，實(shí)現(xiàn)土壤含水量的實(shí)時(shí)采集和存儲。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

圖2是土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，MP300土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)由太陽能板、蓄電池、充放電控制器、CR1000X數(shù)據(jù)采集器、CS655土壤水分傳感器、通訊模塊、增益天線、上位機(jī)服務(wù)器、上位機(jī)軟件組成。太陽能電池板為蓄電池充電，同時(shí)PWM太陽能充放電控制器保護(hù)蓄電池因過量充電或放電發(fā)生損壞，保證數(shù)據(jù)采集器以及通訊模塊、傳感器等模塊正常工作。使用MD-649無線通訊模塊遠(yuǎn)程連接上位機(jī)LoggerNet軟件接收數(shù)據(jù)，設(shè)備工作的響應(yīng)時(shí)間是3 ms。CS655土壤水分傳感器采用時(shí)域反射法的測量原理，可采集的土壤參數(shù)包括體積含水量、土壤溫度、電導(dǎo)率。

圖2 土壤多參數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土壤多參數(shù)系統(tǒng)測定田間持水量

試驗(yàn)方法參考《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范(SL364—2015)》[15]進(jìn)行。在試驗(yàn)田中選取土塊樣品，土塊盡量保持原狀并裝入有機(jī)玻璃土箱。原狀土塊經(jīng)水浸泡后，土壤水分持續(xù)增加，并在重力作用下自由下滲。當(dāng)土壤孔隙充滿懸著水和重力水時(shí)，土壤達(dá)到飽和狀態(tài)[16]。原狀土塊容納的水分含量繼續(xù)增加，超過土壤飽和狀態(tài)后，土壤重力水通過裝置底部的圓排水孔滲出。當(dāng)水分滲出量大于400 mL時(shí)，不再對原狀土塊進(jìn)行水量補(bǔ)充，使土壤含水量自然蒸發(fā)減少。MP300土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)每半小時(shí)采集1次土壤參數(shù)，共采集2 889組數(shù)據(jù)。取每日所測的平均值作為真值，共處理得62組數(shù)據(jù)，根據(jù)上邊界與下邊界土壤含水量丟失速率的不同，將觀測周期分為3個(gè)階段進(jìn)行函數(shù)回歸擬合，結(jié)合環(huán)刀法的測量值分析田間持水量與土壤水分曲線的關(guān)系。

1.3.2 環(huán)刀法測定田間持水量

在試驗(yàn)田選取原狀土塊的同一土壤剖面，使用環(huán)刀在10 cm、20 cm深處采集土壤樣品，經(jīng)水浸泡飽和后，靜置8～12 h，使其重力水完全排出。此時(shí)土壤達(dá)到吸持水分的最大能力，使用烘干箱進(jìn)行烘干，并測量前后重量，試驗(yàn)重復(fù)3次計(jì)算平均值，從而測得田間持水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 土壤水分日丟失量

將每日的土壤體積含水量與前天的土壤體積含水量相減，得到土壤水分日丟失量，用來評估土壤上邊界蒸發(fā)和下邊界入滲的水分丟失能力。

V=Vi-Vi+1

(1)

式中：ΔV——土壤水分日丟失量，%；

Vi——前天的土壤體積含水量，%；

Vi+1——當(dāng)日的土壤體積含水量，%。

1.4.2 土壤表層相對溫度差

將每日的溫度均值與前天的溫度均值相減，得到土壤溫度差，再除以當(dāng)天的溫度均值，得土壤表層相對溫度差，用來評估土壤上邊界蒸發(fā)能力。

(2)

式中：RT——土壤表層相對溫度差；

Ti——前天的土壤表層日平均溫度，℃；

Ti+1——當(dāng)日的土壤表層日平均溫度，℃。

1.4.3 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)指標(biāo)

使用三個(gè)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)指標(biāo)評估擬合結(jié)果，Sig.表示P值顯著性，決定系數(shù)R2接近1時(shí)回歸模型的擬合效果最好。均方根誤差RMSE衡量擬合值與真值的偏差。

(3)

(4)

式中：yi——第i個(gè)實(shí)際觀測值；

n——實(shí)測值個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同觀測階段的土壤體積含水量變化過程

不同觀測階段的土壤水分?jǐn)M合曲線如圖3所示。Y1、Y2分別表示深度10 cm和20 cm處土壤含水量擬合的土壤水分曲線，將試驗(yàn)天數(shù)分為三組觀測區(qū)間[1，13]、[14，20]、[21，62]，環(huán)刀法計(jì)算土壤樣品10 cm和20 cm深的田間持水量分別為30.2%和30.6%。由于土壤含水量各階段的變化程度不同，土壤水分曲線的斜率必將發(fā)生變化。由圖3(a)可知，土壤水分曲線Y1在該區(qū)間單調(diào)遞減，隨時(shí)間增加，曲線斜率變大。土壤水分曲線Y2在該區(qū)間也遞減，第12天達(dá)到田間持水量后，曲線斜率增大的趨勢變緩。這主要是因?yàn)橛^測前期10 cm深的土壤含水量除動態(tài)的吸收、下滲速率不同外，隨觀測天數(shù)后移，蒸發(fā)作用產(chǎn)生，土壤含水量減少較快。而20 cm深的土壤含水量以下滲為主，因土壤吸持水分的能力有限，土壤含水量在達(dá)到田間持水量前以更快的速率下滲，故兩條土壤水分曲線斜率出現(xiàn)不同程度地變大。由圖3(b)可知，土壤水分曲線Y1在田間持水量出現(xiàn)前斜率較緩，第15天達(dá)到田間持水量后曲線斜率開始緩慢增大，而土壤水分曲線Y2保持遞減趨勢。這是因?yàn)?，土壤排出孔隙里的重力水，達(dá)到吸持毛管懸著水的最大能力時(shí)出現(xiàn)田間持水量。土壤最大吸持力維持一些時(shí)間后，水分克服土壤毛細(xì)力和基質(zhì)力的吸持作用，經(jīng)蒸發(fā)作用土壤含水量減少，故土壤水分曲線斜率較緩。由圖3(c)可知，兩條曲線以不穩(wěn)定的斜率遞減，土壤水分曲線Y1斜率變化較大，土壤體積含水量減少至6%左右，曲線Y2斜率變化較小，土壤含水量降至12%。這是因?yàn)樵谟^測后期，由于沒有重新向裝置內(nèi)補(bǔ)充水量，上層10 cm深的土壤含水量受蒸發(fā)作用明顯，下層土壤含水量受影響較小。土壤水分曲線Y1、Y2均在不同觀測階段遞減，分別在前15天和前12天土壤含水量大于田間持水量，且在田間持水量出現(xiàn)前后斜率變小的趨勢明顯。因此，田間持水量是完成重力排水后的土壤含水量，建立兩者的相關(guān)模型還需研究兩邊界條件對土壤含水量的影響。

(a) 前13天內(nèi)的擬合曲線

不同觀測階段的土壤體積含水量與觀測天數(shù)關(guān)系擬合結(jié)果檢驗(yàn)指標(biāo)見表1，深度10 cm處擬合曲線的3組觀測區(qū)間使用A1-1、A1-2、A1-3表示，深度20 cm 處擬合曲線的3組觀測區(qū)間使用B1-1、B1-2、B1-3表示。顯著性P值小于0.01，表明各階段內(nèi)觀測天數(shù)與土壤體積含水量存在極顯著相關(guān)。均方根誤差RMSE小于0.27，表明擬合值與真值的偏差較小。模型決定系數(shù)R2均大于0.99，即認(rèn)為土壤體積含水量與觀測天數(shù)存在一元二次函數(shù)關(guān)系。若Y(x)表示土壤體積含水量，x表示觀測天數(shù)，土壤體積含水量和觀測天數(shù)的二次曲線方程為Y(x)=ax2+bx+c，土壤體積含水量與觀測天數(shù)二次擬合函數(shù)系數(shù)a、b、c見表2。

表1 不同階段的土壤體積含水量與觀測天數(shù)關(guān)系擬合檢驗(yàn)指標(biāo)

表2 不同階段的土壤體積含水量與觀測天數(shù)二次擬合函數(shù)系數(shù)

2.2 不同階段的土壤水分日丟失量與土壤表層相對溫度差關(guān)系研究

建立的土壤水分日丟失量與土壤表層相對溫度差在時(shí)間序列上的回歸模型如圖4所示。從圖4(a)、圖4(d)可以看出，當(dāng)土壤體積含水量高于田間持水量時(shí)，深度10 cm的土壤水分日丟失量擬合曲線的斜率逐漸增大，表明該層的土壤含水量下降加快；深度20 cm的土壤水分日丟失量擬合曲線以相對穩(wěn)定的斜率增加，在第12天達(dá)到田間持水量左右土壤水分日丟失量開始增大，該區(qū)間變化主要是由下邊界重力排水造成的。從圖4(b)、圖4(e)可以看出，深度10 cm的土壤水分日丟失量擬合曲線以一元三次函數(shù)趨勢增加，在第15天達(dá)到田間持水量時(shí)斜率最?。簧疃?0 cm的土壤含水量低于田間持水量，曲線斜率變緩，土壤水分日丟失量擬合曲線在該區(qū)間的決定系數(shù)均大于0.97。從圖4(c)、圖4(f)可以看出，深度10 cm的土壤含水量以低于0.9%的丟失率降低，深度20 cm的土壤含水量以低于0.6%的丟失率降低，由于該區(qū)間的土壤含水量始終低于田間持水量，不再發(fā)生重力排水，土壤水分丟失主要是蒸發(fā)作用造成的。不同深度的土壤水分日丟失量擬合曲線在時(shí)間序列上表現(xiàn)為一元三次函數(shù)關(guān)系變化。由于重力排水和蒸發(fā)排水的速率不同，不同階段的土壤水分日丟失速率也顯著不同。土壤表層相對溫度差在一定程度影響了土壤水分蒸發(fā)[17-18]。結(jié)合土壤表層相對溫度差擬合曲線可知，上邊界蒸發(fā)速率穩(wěn)定，表明土壤表層相對溫度差對土壤水分日丟失量的影響不顯著，在時(shí)間序列上近似為一個(gè)常數(shù)。這可能是因?yàn)樵谡舭l(fā)能力不變的情況下，土壤顆粒的形狀、大小以及孔隙的不均勻性在排水過程中影響了入滲率。在各向異性的土壤剖面，水流方向的不確定性導(dǎo)致部分水分未能進(jìn)入傳感器探針的監(jiān)測范圍。

(a) A1-1

2.3 土壤水分曲線與田間持水量關(guān)系探究

在觀測期的前20天內(nèi)，土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)測定的土壤體積含水量如表3所示，土層剖面10 cm深處傳感器在該層監(jiān)測到的土壤含水量為21.8%～39%，其中第15天的測量值是30.3%，與環(huán)刀法測量值相差0.1%；土層剖面20 cm深處傳感器在該層監(jiān)測到的土壤含水量為23.4%～40.4%，其中第12天的測量值是31.3%，與環(huán)刀法測量值相差0.7%，表明不同深度的土壤含水量分別在第15天和第12天接近于該層的田間持水量。將x值分別為15和12代入表2對應(yīng)區(qū)間的模型擬合關(guān)系式：Y1=-0.235x2+6.485x-14.25，Y2=-0.029x2-0.513x+41.32，得到的誤差范圍是[0.05，0.39]，對比土壤含水量監(jiān)測值的誤差范圍[0.1，0.7]，表明使用二次回歸模型計(jì)算田間持水量的誤差可縮小一半，具有更高精度，可近似認(rèn)為田間持水量是土壤水分曲線上的點(diǎn)。因此，首次部署墑情設(shè)備時(shí)，使監(jiān)測區(qū)域達(dá)到土壤飽和狀態(tài)，在無灌溉或降雨等環(huán)境因素的影響下，本試驗(yàn)得到的土壤水分曲線可為測定田間持水量提供判斷，方便遠(yuǎn)程監(jiān)管土壤數(shù)據(jù)和校正系統(tǒng)誤差。

表3 土壤體積含水量和田間持水量數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用實(shí)例

MP300土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)于2019年12月13日安裝在山東省臨淄區(qū)生態(tài)無人農(nóng)場試驗(yàn)田，記錄兩周的土壤體積含水量變化，以監(jiān)測小麥越冬期土壤環(huán)境對其生長影響。傳感器均水平放置在離地面深10 cm、20 cm、30 cm的土坑剖面，環(huán)刀法測得每層土壤樣品的田間持水量分別為29.6%、27.3%、27.3%。不同深度的土壤體積含水量實(shí)際情況如圖5所示，觀測前期各深度的土壤水分處在動態(tài)平衡狀態(tài)，土壤體積含水量相近，且低于田間持水量。經(jīng)12月15日當(dāng)天的一次規(guī)模降雨，10 cm深度的土壤水分曲線以最快的速率達(dá)到田間持水量，一段時(shí)間后曲線斜率變小，在達(dá)到最大值35.2%后土壤水分曲線開始下降，并保持高于田間持水量，下降主要受土壤水下滲作用影響。該層土壤水分曲線斜率不穩(wěn)定變化的主要原因有兩點(diǎn)：一是無人農(nóng)場人為澆灌或自然降雨周期不可控，二是離地表最近，導(dǎo)致在不規(guī)律降雨的影響下土壤體積含水量增減波動頻繁。20 cm深度的土壤水分曲線斜率逐漸增大，并在19日接近田間持水量，達(dá)到該層的田間持水量后在土壤水下滲作用的影響下曲線斜率變緩。該層的土壤體積含水量受外界影響較小，故變化規(guī)律與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一致。而30 cm深度的土壤水分曲線始終在低于該層田間持水量的監(jiān)測值25%附近變化，表明該層的土壤含水量不受降雨影響且相對穩(wěn)定。從圖5可以看出，農(nóng)場的土壤環(huán)境整體良好，適合小麥幼苗生長。而計(jì)算田間持水量是為了更好地估算作物需水模型，在復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境下，可應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行模型估算，除直接監(jiān)測農(nóng)場的土壤水分外，還應(yīng)考慮土壤溫度、灌溉用量、氣象因素、作物生理學(xué)特性等因子。

圖5 不同深度的土壤水分曲線

4 結(jié)論

1) 研究基于土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測飽和土壤含水量自然蒸發(fā)全過程，記錄土壤體積含水量數(shù)據(jù)，將不同深度的土壤含水量數(shù)據(jù)在不同階段上建立回歸模型，分析不同模型的變化規(guī)律，計(jì)算田間持水量并與環(huán)刀法作對比，經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證明確進(jìn)一步的研究方向。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明：在模擬土壤體積含水量變化過程中，土壤水分丟失主要受到蒸發(fā)和下滲因素的影響，不同觀測階段上擬合土壤水分曲線的相關(guān)系數(shù)R2大于0.99，表明各階段內(nèi)觀測天數(shù)對土壤體積含水量的影響極顯著。而另一影響因子土壤表層相對溫度差在時(shí)間序列上近似為一個(gè)常數(shù)，表明土壤表層相對溫度差對土壤水分日丟失量的影響不顯著。10 cm深度和20 cm深度的田間持水量分別位于各層土壤水分曲線的第15天和第12天，該處的土壤含水量對比環(huán)刀法真實(shí)值的誤差范圍是[0.1，0.7]，使用二次回歸模型計(jì)算的誤差是[0.05，0.39]，表明使用二次回歸模型計(jì)算田間持水量的誤差可縮小一半，具有更高精度。

3) 研究提出的基于土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)測定田間持水量的試驗(yàn)方法，測定結(jié)果滿足田間管理需求，可以作為土壤監(jiān)測設(shè)備新應(yīng)用的參考。經(jīng)系統(tǒng)部署驗(yàn)證，在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境下還應(yīng)建立更高精度的估算模型，且降雨后淺層的土壤含水量可達(dá)到田間持水量，深層的土壤含水量較難達(dá)到田間持水量，在作物根系發(fā)達(dá)且急需水的階段還應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)灌溉，為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉提供新的監(jiān)測手段。