灌溉水質對FDR土壤水分傳感器的性能影響研究

鄭文剛，羅晨云竹，楊鳳茹，董 靜，姚 麗，張鐘莉莉

（1.中國地質大學（北京）數理學院，北京100084；2.北京市農林科學院智能裝備技術研究中心，北京100097；3.北京市農林科學院信息技術研究中心，北京100097；4.農業部農業信息軟硬件產品質量檢測重點實驗室，北京100097）

0 引言

作物的合理水分調控，須將土壤含水量保持在適宜的區間。土壤含水量的監測已經成為農業生產、灌溉指導、作物調控的一項重要工作內容[1]，隨著傳感技術的發展，監測手段正逐步向在線化、無損化、精準化等方面發展[2]。

1975年，Topp 等人建立了土壤介電常數的測定方法，提出了其在土壤含水量中的測量研究方法[3]。1992年，Hilhorst等人對介電型（FDR）土壤水分傳感器進行了理論研究與探索[4]。隨著科學技術的發展，基于介電原理的土壤水分傳感器因其成本較低、易于維護的高性價比在國內外得到廣泛應用[5]。在實際測量土壤水分時，由于土壤中不同物質的介電常數不同，土壤水分的多少通常由介電常數決定，介電原理正是利用土壤的介電特性來測量土壤水分含量的一種方法。但在實踐中發現，傳感器測量受到復雜的農田環境的影響，對其測量精度有著很大的影響[6,7]。土壤的介電特性除了與含水量有關外，還會受各種物理化學性質的影響，包括可溶性鹽、黏粒含量、礦物質、干容重、有機物質、溫度等[8]。在土壤因素方面，對土壤水分傳感器在不同的土壤類型中進行過擬合，結果表明，在不同質地的土壤中土壤水分傳感器的標定曲線均有所不同[9]，在使用過程中對傳感器的特定地點校準可以顯著提高傳感器的準確性[10]。通過用不同濃度的NaCl 溶液與土樣混合探究土壤電導率對一種電容式土壤水分傳感器的影響，發現當土樣的電導率大于2 mS/cm 時，傳感器的輸出電壓隨土壤電導率增大而逐漸減小，但當電導率小于2 mS/cm 時，電導率對傳感器的影響較小[11]。針對農田環境溫度變化，學者們著重開展了環境溫度對FDR 型傳感器影響研究[12]，在探究溫度對傳感器測量精度的影響時，FDR 土壤濕度傳感器的測量結果易受土壤溫度影響，且讀數隨著溫度的升高而增加[13]，變化趨勢很大程度上取決于實際土壤含水量的水平和傳感器的類型，提出通過建立溫度補償模型提高傳感器監測精度[14]。

目前已有的研究較多考慮的是農田土壤和環境影響，然而，灌溉是農業生產中的重要環節，截止2020年，我國農業用水量為2 354.6 億m3，占用水總量79.4%[15]，與此同時我國水資源緊缺，開發再生水、微咸水等非常規水資源作為灌溉水源已經成為緩解我國水危機的重要途徑[16,17]。再生水在農業灌溉中應用開展了可行性研究，再生水灌溉促進了冬小麥的生長發育，顯著增加冬小麥葉面積指數、干物質的積累[18]，此外再生水在橄欖園、水稻田等不同作物類型上均開展應用[19,20]。微咸水已經在農業灌溉中進行了應用，利用微咸水進行灌水處理與不進行灌水相比，農作物的性狀、產量、品質都有明顯的提高[21]。利用再生水、微咸水對作物進行灌溉均證明了非常規水資源在農業生產中應用的可行性。但再生水中含有氮、磷、有機物等成分[22]，同時，微咸水中含有的鹽成分與礦化物，會隨著灌溉水質進入土壤[23]，其含鹽量的濃度有可能會對傳感器工作性能產生影響，因此有必要研究不同灌溉水源對土壤水分傳感器的工作影響機制，為開發利用非常規水資源提供參考依據。

基于此，本文選擇3種常用的FDR土壤水分傳感器，分別為5TE（Decagon Devices 公司，美國）、CSF13（北京星儀傳感器技術有限公司，中國）、FDS100（北京恒瑞天創機電設備有限公司，中國），進行了室內的基本性能測試和影響因素研究，主要評價傳感器測量的精確度與一致性，并探究不同灌水水質對傳感器測量值的影響效應。

1 材料方法

1.1 試驗材料

試驗在北京市小湯山國家精準農業示范基地（40°18′N，116°46′E）進行，試驗土壤來自收割后玉米田地的0~20 cm 表層土，屬于砂質黏壤土，表1為試驗土壤參數特征，其中凋萎系數參考了Goldberg D 等人[24]的推薦值。土壤樣本的制作是將所選取土壤，過2 mm篩后自然風干，收集粒徑不超過2 mm的風干土備用。采用拌土的方法，在深20 cm、內徑20 cm 的標準PVC 圓柱形容器中，配置五個體積含水量梯度的土樣，每個梯度設置兩個重復，其中，設計的含水量梯度控制在土壤飽和含水量以內，并在適宜的土壤含水量范圍內（凋萎系數至田間持水量之間，0.17~0.26 cm3/cm3）做了適當的加密。制作含水量土樣過程中，為了使土壤濕度更為均勻，采用少量多次加土加水攪拌的方式，水土混合后放置48 h 待土壤水分充分運動均勻，再分批次填裝到標準容器中，并逐層壓實定容，控制土樣的容重接近原狀土壤。

表1 土壤粒度及背景值

本研究所使用的3種傳感器5TE、FDS100和CSF13均屬于介電法測土壤含水量的探針式傳感器，表2 分別展示了5TE、FDS100和CSF13傳感器實物與參數列表。

表2 5TE、FDS100和CSF13傳感器參數列表

1.2 試驗方法

本試驗涉及了3 種水源，分別為自來水、微咸水和再生水。使用的是試驗區當地的自來水，購買來的符合《農田灌溉水質標準GB5084-2005》的再生水，微咸水則是通過把NaCl與自來水混合來配置而制得。

（1）試驗1。評價土壤水分傳感器精度與一致性，利用自來水配置5 個土壤含水量分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.35 cm3/cm3的土壤含水量樣本，為消除組間誤差同一含水量下配置2個自來水樣本（以下簡稱樣本a，樣本b）。

（2）試驗2。評價微咸水對土壤水分傳感器的性能影響，本研究使用鹽水濃度設置為2~7 g/L 的微咸水，在處理數據時需計入自來水中原本的含鹽量0.29 g/L，故試驗中實際的微咸水礦化度梯度為2.29、3.29、4.29、5.29、7.29 g/L（以下分別簡稱為S1、S2、S3、S4、S5），為消除組間誤差在同一濃度下配置2個微咸水樣本a和b。

（3）試驗3。探究再生水對傳感器的性能影響，分別配置自來水與再生水（以下簡稱自來水為W1，再生水為W2）的0.05、0.15、0.25cm3/cm33 個土壤含水量水平，為消除組間誤差在同一含水量下配置2個土壤樣本a和b，表3展示了上述兩種水的本底值測試結果。

表3 自來水與再生水的背景值測試結果

試驗期間，實驗室的平均氣溫保持在22 ℃左右。土樣制備完成后，將5TE、FDS100、CSF13三種土壤水分傳感器依次垂直插入到土柱的不同位置，每次插入一個，每種傳感器都重復插入6次并記下各次穩定后的含水量測量讀數。為了盡可能模擬田間開闊場地的測試條件，避免無線電和輻射對傳感器測量的影響，整個室內性能測試試驗在3 m法電波暗室中進行。待測量結束后，從土樣中心不同位置取若干土于鋁盒中，用烘干法測量土樣的實際含水量值。

1.3 評價指標

將傳感器測量的含水量值與烘干法測量得到的實際含水量值進行對比分析，評價5TE、FDS100、CSF13三種土壤水分傳感器在小湯山壤土中測量的精確度與一致性。

土壤水分傳感器的精確度是評判傳感器性能好壞的重要指標，本研究利用平均偏差MBE、平均絕對誤差MAD、平均相對誤差MRD、均方根誤差RMSE和相對誤差RE這5 個指標對傳感器測量值y與烘干所測真實值x進行誤差分析，公式分別如式（1）~式（5）。將測量值與真實值做線性分析，其決定系數R2的計算公式為式（6）。

式中：n為樣本容量；MBE為平均偏差，單位同體積含水量，cm3/cm3；MAD為平均絕對誤差，單位同體積含水量，cm3/cm3；MRD為平均相對誤差，無量綱，范圍在0~1 之間；RMSE為均方根誤差，單位同體積含水量，cm3/cm3；R2為決定系數，無量綱，范圍在0~1 之間；RE為相對誤差，%；xi為對第i個樣本，用烘干法測量的真實含水量；yi為對第i個樣本，傳感器測量值。

每個土壤水分傳感器在每個含水量下重復六次測量，本研究通過計算每個含水量水平下6次測量值的變異系數Cv來評價不同土壤水分傳感器測量的一致性性能，變異系數Cv計算公式如下：

式中：σ為對含水量為θ的土樣，單位同體積含水量，cm3/cm3；Cv為n次測量讀數的變異系數，無量綱。

土壤水分傳感器對灌水鹽度的敏感度k代表在一定的含水量水平下，灌水的鹽濃度每升高一個濃度梯度（1 g/L），傳感器測量值的平均變化量。

2 結果分析

2.1 室內性能測試結果

2.1.1 傳感器精度評價

不同傳感器在不同含水量的室內性能測試結果見圖1，FDS100 傳感器土壤含水量測試值與實際值較為接近，有3 組數據測試值與實際值接近程度分別達到98%、96%、95%，其余7 組數據均為測試值大于實際值，但相差不大；5TE 傳感器有4 組數據測試值與實際值接近，其余6 組數據均為測試值小于實際值，其中有兩組數據在樣本土壤含水量為0.35 cm3/cm3時與實際值差值達到9.49%與10.44%；CSF13傳感器土壤含水量測試值均大于實際值。5TE、CSF13、FDS1003 種傳感器土壤含水量測試值與實際值的R2分別為0.892、0.862、0.941 均達到0.80 以上，呈極顯著線性正相關水平，其中FDS100 傳感器的擬合精度最高。

圖1 3種傳感器在室內土中性能測試結果圖

表4 是3 種傳感器性能誤差分析表，從傳感器的平均偏差MBE 值可以看出，5TE 傳感器對土壤含水量的測量平均低估真實值2.92 cm3/cm3，FDS100 傳感器對土壤含水量的測量平均高估真實值3.79 cm3/cm3，CSF13 傳感器的誤差統計結果則較大，它在實驗室中對土壤含水量的測量平均高估真實值12.04 cm3/cm3，平均絕對誤差超過了10 cm3/cm3，平均相對誤差超過了0.5 cm3/cm3。 因此，在沙壤土適宜的含水量區間（0.17 ~0.26 cm3/cm3）范圍內，5TE 傳感器的測量結果相比FDS100 傳感器更為精確。

表4 3種傳感器在室內土中性能測試精確度分析表

2.1.2 傳感器一致性評價

圖2 為5TE、CSF13、FDS100 傳感器分別在5 個土壤含水量梯度下的測量值與實際值對比，每一個含水量梯度有兩個樣本，每個樣本進行6 次重復測量。在同梯度含水量樣本下，多次重復測量數值呈一定程度的不規則波動，不同傳感器數據波動范圍不一致。從整體水平上來看，在5個不同土壤含水率水平下，12 個重復中FDS100 傳感器的變化幅度較大，CSF13 傳感器的變化幅度最小。特別是在實際含水率為35%時，FDS100傳感器測試多次數值絕對偏差較大。

圖2 3種傳感器在實驗室內土中性能測試的可重復性圖

表5 統計了3 個傳感器在不同土壤含水量水平下重復測量的變異系數Cv。可以看出，在實驗室條件下對于小湯山砂質黏壤土，多次重復測量情況下，土壤水分傳感器數值波動性從大到小依次為：FDS100＞5TE＞CSF13。5TE 和CSF13 傳感器讀數更為穩定，其可重復性能良好，FDS100 傳感器的讀數則波動較大，可重復性能較差，在實際使用中建議多次測量取平均值。

表5 3種傳感器在室內土中變異系數Cv分析表 cm3/cm3

2.2 水質對傳感器測量的影響

2.2.1 微咸水灌溉對傳感器性能影響

對于0.20 cm3/cm3的設計體積含水量，不同礦化度對5TE、CSF13 和FDS1003 種傳感器測量結果的影響與相對誤差如圖3所示。可以看出，同一灌溉水礦化度下，3種傳感器測量的土壤含水量值不同。其中CSF13 和FDS100 大于真實含水量，其中CSF13 測量值在0.360 4~0.412 3 cm3/cm3之間，FDS100 測量值在0.261 3~0.298 4 cm3/cm3之間，且隨著微咸水礦化度等增加而增加，平均增長幅度為0.742%；5TE 傳感器測量值均小于實際值，測量值在0.196 9~0.200 2 cm3/cm3之間，且隨著微咸水礦化度的變化呈輕微幅度波動，與實際值較為接近。

圖3 0.20 cm3/cm3含水量下灌水礦化度對傳感器測量值與相對誤差圖

表6為微咸水灌溉下各傳感器測量的誤差分析，為了抵消不同礦化度的各個土樣間實際配置的真實含水量誤差，表6中統計的均是傳感器測量值與真實值之間的相對誤差，在0.20 cm3/cm3的體積含水量下，3種傳感器的測量值對灌水礦化度的敏感度均為正，均隨灌水礦化度的增加表現出增大的趨勢，CSF13 傳感器受灌水礦化度影響最大，敏感度為1.51%，隨著礦化度濃度的升高，傳感器測量的相對誤差增大，在7.29 g/L的鹽水條件下，均方根誤差水平達到了0.87 cm3/cm3，誤差來源一部分是由于本身測量值偏高導致，一部分是由于受礦化度影響較大導致；FDS100 傳感器受灌水礦化度影響也較大，敏感度為1.18%，在7.29 g/L 的條件下，均方根誤差水平達到了0.52 cm3/cm3；5TE 傳感器受灌水礦化度的影響最小，敏感度僅為0.52%，由此可知，微咸水灌溉條件下，5TE 傳感器基本可以滿足要求，而CSF13 和FDS100 傳感器由于受灌水礦化度影響較大，會導致測量的偏差，在使用中應引起注意。

表6 灌水礦化度對傳感器性能分析

2.2.2 再生水灌溉對傳感器性能影響

再生水條件下，將5TE、CSF13、FDS100三種傳感器的測量結果與在自來水條件下的測試結果進行對比，結果展示如圖4和表7所示。從圖4可以看出，3種傳感器的測量值與真實值間決定系數R2依舊保持在0.9以上，存在良好的線性關系。

圖4 再生水對3種傳感器測量的影響圖

表7 是兩種水質條件下3 種傳感器測量的對比結果，3 種傳感器的測量值和實際值在再生水條件下擬合的R2均有所增加，其中5TE 和FDS100 傳感器的增幅較小，為0.03%和1.44%，而CSF13傳感器增幅較大，為3.01%。此外，3種傳感器的測量值和實際值在再生水條件下的擬合直線的斜率均有所增加，其中5TE 傳感器增幅較大，為13.31%，而CSF13 和FDS100傳感器增幅較小，為2.13%和3.39%。

表7 再生水下5TE、CSF13、FDS100傳感器測量結果的對比分析表

從誤差分析來看，使用再生水灌溉后，5TE傳感器監測土壤含水量的性能有所降低，其中平均偏差絕對值增大1.79、均方根誤差增大1.76。而CSF13 和FDS100 傳感器在再生水灌溉中監測含水量參數的精度影響不大，表現出輕微的提升現象，相對于自來水灌溉來說，監測誤差有所減少，幅度均在1 cm3/cm3之內。因此再生水灌溉對不同傳感器的影響是不一樣的，本試驗研究得到，再生水灌溉對5TE 傳感器的測量會有所影響，但是對CSF13和FDS100傳感器的測量影響不大。

3 討 論

傳感器的精度是實施土壤水分傳感器的灌溉調度系統的關鍵，Heidi Mittelbach[8]等人對兩種基于FDR 和一種基于電容的傳感器（TRIME-IT/-EZ(德國IMKO GmbH)、10HS(美國Decagon Devices)、CS616(美國Campbell Scientific)和SISOMOP(德國SMG 大學Karlsruhe)。）進行測試，均方根誤差高達0.3，越接近地表層，均方根誤差遠大于校準和驗證。J.L.Varble[10]對3 種土壤含水量傳感器(CS616/625；digital TDT；5TE)和1 個土壤水勢傳感器(水印200SS， Irrometer Company， Inc.，Riverside， CA)進行性能測試，傳感器的均方根誤差均小于0.035。本文對5TE，CSF13，FDS100 三種常用的基于介電原理的土壤水分傳感器進行性能測試。在傳感器的測量精度方面，3 種傳感器的平均絕對誤差分別為0.02、0.17、0.06，平均相對誤差為0.11、0.77、0.28，均方根誤差分別為0.04、0.12、0.04。總的來看5TE＞FDS100＞CSF13。在對于傳感器的重復性測試，3 個傳感器測量土壤含水量的變異系數分別為0.031、0.026、0.055，張瑞國等人[25]曾利用室內標準砂模型對德國IMKO 公司研制的TRIME-IT 系列TDR 傳感器進行標定試驗，他在不同含水量樣本上多個測點重復測量，并引入變異系數來評價TDR 傳感器測量的穩定性，實驗結果發現，當砂樣目標含水量在5%~15%時，傳感器各次讀數間的穩定性較好，但當目標含水量較低或較高時，同一樣本下傳感器的各次讀數便開始出現波動性差異。因此，不同傳感器在不同質地的土壤中的應用效果不同，在實際應用時應進行二次標定。

對于灌水水質對傳感器測量值的影響方面，微咸水對每個傳感器測量土壤含水量的影響隨著礦化度的增加而增加，只是影響程度不同。在一定土壤含水量下，隨著礦化度的增加，3種傳感器的測量值增加。目前未見關于灌溉水質對傳感器的研究，但針對土壤鹽分研究發現傳感器測量結果均受鹽分的影響，隨著鹽分質量濃度的增加，測得的土壤含水量增大，或是無法測得合理的數值[26]，這與本研究中隨著鹽分的增加，傳感器的測量值誤差會加大結果一致。產生這種影響的原因是含鹽量會影響傳感器對介電常數測量，進而影響對土壤含水量的測量[27]。對于再生水對傳感器測試的影響方面，5TE 傳感器在再生水中測量值與真實值相差較大，對CSF13，FDS100 傳感器測量影響不明顯。B Cardenas 和MD Dukes[28]將再生水與自來水進行過對比分析，利用4種土壤水分傳感器指導灌水，研究其節水效益，結果表明，對于自來水節水效益為46%~78%，對于再生水節水效益降為45%~68%，由此可見，再生水中含量較高的有機質、鈉離子以及微量元素[29]會影響土壤的介電常數[30,31]，進而影響傳感器對土壤含水量的測定。隨著非常規水資源越來越廣泛的在農田灌溉中應用，在土壤水分傳感器的選擇中不僅要考慮傳感器自身的性能參數、成本價格，還需考慮其與不同水質情況的適配性。

4 結論

5TE、CSF13、FDS100 三種傳感器在室內對土壤的性能進行測試，試驗結果表明：在傳感器的測量精度方面，5TE≥FDS00＞CSF13；在傳感器的可重復性能方面，5TE＞CSF13＞FDS100，在對同一土壤反復插入測量的過程中，5TE和CSF13傳感器讀數更為穩定，其可重復性能良好，FDS100 傳感器的讀數則波動幅度較大，最大幅度可達30%，可重復性能較差，在實際使用中建議多次測量取平均值。在微咸水灌溉條件下，推薦使用5TE傳感器；在再生水灌溉條件下，推薦使用CSF13和FDS100傳感器。