基于相位差的時(shí)域反射儀測(cè)定土壤含水量的標(biāo)定和田間驗(yàn)證

1、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2011, 16(1 :100-104J o u r n a l o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y基 于 相 位 差 的 時(shí) 域反 射 儀 測(cè) 定土 壤 含 水量的標(biāo) 定 和田 間 驗(yàn) 證鄭茹梅 1 李 子忠 1* 龔 元 石 1 王 一鳴 2 楊新 明 1 王 克棟 2(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與 環(huán)境 學(xué)院 , 北京 100193; 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息 與 電 氣 工程學(xué)院 , 北京 100083摘 要 為了 檢 驗(yàn) 具 有 我 國(guó)自主 知 識(shí) 產(chǎn) 權(quán) 的 基 于 相 位 差 檢 測(cè)

2、原 理 的 時(shí) 域 反 射 儀 (T D R 測(cè) 定 土壤 水分的性 能 , 利用 室 內(nèi)土 柱 試驗(yàn) , 獲得了 該 儀器 測(cè) 定 土壤 含 水 量 的 標(biāo) 定 曲 線(xiàn) , 分 析 了 影 響 因 素 , 并 在 田 間 對(duì) 標(biāo) 定 曲 線(xiàn) 進(jìn) 行 了 實(shí) 際 驗(yàn) 證 。 結(jié)果表明 , 容 重 對(duì) 儀器 測(cè) 定 土壤 含 水量的 影響 不顯 著 ; 土 壤 質(zhì) 地 對(duì) 校 正 結(jié) 果 有 明 顯 影 響 , 供 試 的 砂 質(zhì) 土 類(lèi) , 壤質(zhì) 黏 土 類(lèi)和 黏 土 類(lèi)分別 可 以 使 用 一 個(gè) 特 定 標(biāo) 定 公 式 , R 2均大 于 0. 98, 估 計(jì) 標(biāo) 準(zhǔn) 誤 差 均小 于 0

3、. 020c m 3/c m 3; 該 儀器 用 于 田 間測(cè) 定 含 水量的均 方 根 誤 差 小 于 0. 035c m 3/c m3。 因此 , 經(jīng) 過(guò) 室 內(nèi) 標(biāo) 定 后 , 將 新 型 時(shí) 域 反 射 儀 用 于 測(cè) 定 田 間 土壤 含 水量是 可 靠 的 。關(guān)鍵詞 土壤 含 水量 ; 時(shí) 域 反 射 ; 相 位 差中圖分類(lèi)號(hào) S 151. 9 文章編號(hào) 1007-4333(2011 01-0100-05 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A收稿日期 :2010-05-27基金項(xiàng)目 :國(guó)家 “ 863” 計(jì)劃項(xiàng)目 (2006A A 10Z 264第一作者 :鄭 茹 梅 , 博士 研究生 , E -m a

4、 i l :z h e n gr u m e i 2004163. c o m 通 訊 作者 :李 子 忠 , 副 教授 , 博士 , 主要從事農(nóng)業(yè) 水土 資源 利 用 和土壤 物 理 學(xué)研究 , E -m a i l :z i z h o n gc a u . e d u . c n C a l i b r a t i o n a n d f i e l d v e r i f i c a t i o n o f T D R b a s e d o n ph a s e d i f f e r e n c e f o r m e a s u r i n g s o i l w a t e r

5、 c o n t e n t Z H E N G R u -m e i 1, L I Z i -z h o n g 1*, G O N G Y u a n -s h i 1, W A N G Y i -m i n g 2,Y A N G X i n -m i n g 1, W A N G K e -d o n g2(1.C o l l e g e o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s , C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y

6、 , B e i j i n g 100193, C h i n a ; 2.C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , B e i j i n g 100083, C h i n a A b s t r a c t T h e o b j e c t i v e o f t h i s s t u d y i s t o t e s t t h e

7、 p e r f o r m a n c e o f t i m e d o m a i n r e f l e c t o m e t r y (T D R b a s e d o n p h a s e d i f f e r e n c e d e t e c t i n g w i t h i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y r i g h t s m e a s u r i n g s o i l w a t e r c o n t e n t . A l a b o r a t o r y c

8、a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t u s i n g s o i l c o l u m n w a s c o n d u c t e d t o o b t a i n t h e c a l i b r a t i o n e q u a t i o n s f o r T D R m e a s u r i n g s o i l w a t e r c o n t e n t , a n d f i e l d t e s t w a s a l s o c o n d u c t e d t o v a l i d a t e t h

9、e s e c a l i b r a t i o n e q u a t i o n s . T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t , t h e r e w a s n o s i g n i f i c a n t e f f e c t o f b u l k d e n s i t y o n t h e c a l i b r a t i o n r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t i m e m e a s u r e d b y T D R a n d s o i l w a t e r c

10、o n t e n t , b u t t h e s o i l t e x t u r e h a d a s i g n i f i c a n t e f f e c t . I t c o u l d b e c a l i b r a t e d u s i n g t h r e e c a l i b r a t i o n f o r m u l a s i n s a n d y s o i l , l o a m y c l a y s o i l a n d c l a y s o i l , r e s p e c t i v e l y . A l l o f R

11、2w e r e g r e a t e r t h a n 0. 98, a n d t h e e s t i m a t e d s t a n d a r d e r r o r s w e r e l e s s t h a n 0. 020c m 3/c m 3. T h e r o o t m e a n s q u a r e e r r o r s w e r e l e s s t h a n 0. 035c m 3/c m 3 f o r T D R m e a s u r i n g s o i l w a t e r c o n t e n t i n t h e f

12、 i e l d . T h e r e f o r e , t h i s n e w T D R i n s t r u m e n t w a s r e l i a b l e t o m e a s u r e s o i l w a t e r c o n t e n t i n t h e f i e l d u s i n g c a l i b r a t i o n e q u a t i o n s f r o m t h e l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t s . K e y w o r d s s o i l w a t

13、 e r c o n t e n t ; t i m e d o m a i n r e f l e c t o m e t r y ; p h a s e d i f f e r e n c e 時(shí) 域 反 射 儀 技 術(shù) (T i m e D o m a i n R e f l e c t o m e t r y, T D R 是 當(dāng) 今 世 界 上 最 先 進(jìn) 的 土壤水分 快 速 測(cè) 量技 術(shù) 之 一 。 該 技術(shù) 具 有 快 速 、 準(zhǔn)確 、 操 作 簡(jiǎn) 便 、 對(duì)土壤 結(jié)構(gòu)影響 輕 微 , 并可 實(shí) 現(xiàn)定 點(diǎn) 自 動(dòng) 監(jiān) 測(cè)土壤水分 動(dòng)態(tài)變化 等 特 點(diǎn) 。 我 國(guó) 自 上 世 紀(jì)

14、 九 十 年 代 年 開(kāi) 始 從國(guó) 外 引 進(jìn) 時(shí) 域 反 射 儀 , 如 T e k r o n i x 公 司 1502B T D R電 纜 測(cè) 試 儀 、 T D R -T R A S E 和 T D R 100等 , 主 要 由 一 些 大學(xué) 和 科研 單位 購(gòu) 買(mǎi) , 應(yīng) 用 在 土 壤水分測(cè) 定和 第 1期 鄭 茹 梅 等 :基 于 相 位 差 的 時(shí) 域 反 射 儀 測(cè)定土壤 含 水 量的 標(biāo) 定和田間 驗(yàn) 證長(zhǎng) 期 監(jiān) 測(cè) 等方面 的研究上 1-14。 而 大部 分 地 市 級(jí)灌 溉 試 驗(yàn)站 , 土 肥 站 等 , 測(cè)定土壤 含 水 量 時(shí) 使 用 最 普遍 的 方法 仍 是

15、 傳 統(tǒng) 的 烘 干法 。 在 實(shí) 際 的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 , T D R 技術(shù) 更 是 得 不 到 應(yīng) 有 的 普 及 。 原 因 :1 T D R 儀 器 價(jià) 格 昂 貴 , 單 機(jī)價(jià) 格 約 1萬(wàn) 美 元 , 成 套 設(shè)備 價(jià) 格 為 幾 萬(wàn) 美 元 15。 2 掌握 設(shè) 計(jì)制 造 T D R 土壤水分測(cè) 試 儀 核 心技術(shù)的 少 數(shù) 發(fā) 達(dá) 國(guó)家 對(duì) 外 采取 嚴(yán) 格 的技術(shù) 出 口 限 制 , 使我 國(guó) 無(wú) 法 獲 得 必 需 的 尖 端 電 子 部 件和 芯 片 , 因 此 我 國(guó) 還 不 能 制 造 傳 統(tǒng) 的 T D R 土 壤 水 分 測(cè)試 儀 。 3 對(duì) 使 用 者的 操 作 水

16、平 要 求 比 較高 , 使 得 該 技術(shù) 不 能 在 普通 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者中 得到 廣 泛 應(yīng) 用 。 4 購(gòu) 買(mǎi) 儀 器 和 配 件 只 能 依 賴(lài) 于 國(guó) 外 進(jìn) 口 , 國(guó) 內(nèi) 缺 乏 儀 器 故 障 的 維 修 技術(shù) , 給 儀 器 維 修 帶 來(lái) 不 便 。 因 此 , 這些 因 素 一 定 程度上 限 制 了 T D R 技術(shù) 在 農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 中 普 及 , 從 而 影響 了 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 水分 監(jiān) 測(cè)自 動(dòng) 化 , 高 效 化 的 實(shí) 現(xiàn) 。 為 此 , 王 克 棟 等 16新 研 制 了 與 傳 統(tǒng) T D R 原理 完 全 不同 的 、 基 于 相 位 檢 測(cè) 原理 的 時(shí) 域 反

17、 射 儀 , 用于 檢 測(cè) 土 壤 水 分 , 大 大 降 低 了 成 本 。 本 研究 旨 在 通過(guò) 室 內(nèi) 土 柱 試 驗(yàn) 對(duì) 該 儀 器 進(jìn) 行 標(biāo) 定 , 并 分析 容 重 、 土壤 質(zhì)地 等 因 素 對(duì) 標(biāo) 定 結(jié) 果 的 影響 ,最 后 在田間進(jìn) 行實(shí) 際 驗(yàn) 證 , 為 基 于 相 位 差 原理 的 時(shí) 域 反 射 儀 的 推廣 和 應(yīng) 用 提 供 技術(shù)支 持 。1 材料 與方法1. 1 時(shí) 域反 射 儀 系 統(tǒng)原 理 簡(jiǎn)介系統(tǒng) 主要 由 高 頻 電 路 、 低 頻 電 路 和 傳 感 探 頭 3個(gè) 部 分 組 成 (圖 1 。 高 頻 電 路 中的 信 號(hào) 源產(chǎn)生 單 一 頻

18、率 的 正 弦 電 壓 信 號(hào) , 輸 出 信 號(hào) 的 頻 率 在 320480 MH z 之 間 可 調(diào) 。 高 頻 信 號(hào) 通過(guò) 信 號(hào) 分 配 器 后 被 分 成 兩 路 :一 路 經(jīng) 過(guò) 延 時(shí) 電 纜 延 遲 一 段 時(shí) 間 后 到 達(dá)相 位 檢 測(cè) 器 作 為參 考 信 號(hào) , 另 一 路 通 過(guò) 環(huán) 形 器 后 沿 同 軸 電 纜 傳 播 到 探 頭 作 為測(cè)試 信 號(hào) 。 由 于 探 針 的 末 端 開(kāi) 路 , 測(cè)試 信 號(hào) 在 此 發(fā) 生 反 射 , 反 射 回 去 的 信 號(hào) 通過(guò) 環(huán) 形 器 , 環(huán) 形 器 將 探 針 末 端 反 射 回 來(lái) 的 信 號(hào) 與 入 射 信

19、號(hào) 分 離 , 分 離 后 的 反 射 信 號(hào) 也 到 達(dá) 相 位 檢 測(cè) 器 。 相 位 檢 測(cè) 器 將 反 射 信 號(hào) 與 參 考 信 號(hào) 之 間 的 相 位 差 轉(zhuǎn) 換為 與 之 成 比 例 的 直 流 電 壓 信 號(hào) 。 低 頻 部 分 的 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 電 路 將 相 位 檢 測(cè) 器 和 檢 波 器 的 輸 出 電 壓 數(shù) 字 化 并 送 入 微 處 理 器 , 微 處 理 器 根 據(jù) 相 位 差 計(jì) 算 出 電 磁 波 在 探 針 上 往 返 傳 播 的 時(shí) 間 。 探 頭 由 3根平 行的 不圖 1 時(shí) 域反 射 儀 系 統(tǒng) 和 探針F i g . 1 T D R s y s

20、t e m a n d i t s p r o b e銹鋼棒 構(gòu) 成 , 棒 長(zhǎng) 15c m 、 直 徑 0. 4c m 、 相 鄰 兩 棒 中 心 間 距 2c m , 探 頭 測(cè)定 的 土壤 最 小 體 積 范圍 是 半 徑 3c m 長(zhǎng) 15c m 的 圓 柱 體 。 探 頭 通過(guò) 特征 阻 抗 為 50的 同 軸 電 纜 與主 機(jī) 連 接 。 3根不 銹鋼棒 上 都 覆蓋 了 1m m 厚 的 P V C 涂 層 , 以 減 小 因土壤 含 水 量的 變 化 引起 的 探 頭 阻 抗 變化 的 范 圍 。 另 外 , 絕緣 涂 層 還 能 降 低 土壤 電導(dǎo) 率 對(duì) 相 位 測(cè) 量的

21、影響 。 在同 軸 電 纜 與 探 頭 的 連 接 處 有 一 個(gè) 阻 抗 變 換 結(jié) 構(gòu) , 實(shí) 現(xiàn) 阻 抗 匹 配 。 這 種 設(shè) 計(jì) 減 少 信 號(hào) 在 探 針 首 端 的 反 射 , 使 得 阻 抗 不 連 續(xù) 部 位 的 范 圍 大 大 縮 小 , 從 而提高土壤 含 水 量 測(cè) 量的 精 度 。 1. 2 試 驗(yàn)土樣試 驗(yàn) 所用 土壤 樣 品 共 有 6種 。 土壤 樣 品 經(jīng) 過(guò) 風(fēng) 干 , 去 除 雜 物 , 過(guò) 2m m 篩 后 保 存 。 土 壤 樣 品 的 類(lèi) 型 、 采集 地點(diǎn) 、 土 地 利 用 方 式 和 基 本 土 壤 性 質(zhì) 見(jiàn) 表 1。 其 中 , 顆 粒 組

22、 成 用 吸 管 法 測(cè) 定 , 質(zhì)地 類(lèi) 型 按 照 國(guó) 際 制劃 分 , 有 機(jī) 質(zhì) 含 量 用 重 鉻 酸 鉀 法 測(cè)定 , 電導(dǎo) 率 用 上 海 光學(xué) 儀 器 廠(chǎng) 生 產(chǎn) 的 D J S 電 導(dǎo) 儀 按 照 水 土 質(zhì) 量 比 5 1測(cè)定 , p H 用 上 海 精 密 科學(xué) 儀 器 有 限 公 司 生 產(chǎn)的 P H S -3B 精 密 p H 計(jì) (201-C 型 p H 復(fù) 合 電 極 按 照 水土 質(zhì)量比 2. 5 1測(cè)定 。1 0 1中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2011年 第 16卷 表 1 供 試 土 壤 及其 基 本 性 質(zhì)T a b l e 1 T e s t e d

23、 s o i l s a n d t h e i r p r o p e r t i e s i n l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t 編 號(hào)土壤 類(lèi) 型 質(zhì) 地 取樣 地點(diǎn)土 地 利 用 方 式 顆 粒 組 成 /%20. 02m m 0. 0020. 02m m <0. 002m m w (有 機(jī) 質(zhì) /(g /k g r (電 導(dǎo) 率 /(d S /m pH 1風(fēng) 沙 土 砂 土 河北 省 懷 來(lái) 縣 官 廳 水 庫(kù) 沙 地 93 0 7 0. 9 0. 09 7. 212褐 土 砂 壤 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上 莊 試 驗(yàn)站 農(nóng) 田 77 11

24、 12 6. 4 0. 18 8. 353潮 土 砂 質(zhì) 粘 壤 河北 省 吳 橋 縣 農(nóng) 田 59 23 18 8. 4 0. 13 9. 024褐 土 壤 黏 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué) 園 農(nóng) 田 51 20 29 10. 5 0. 16 8. 125潮 土 壤 黏 河北 省 曲周 試 驗(yàn)站 農(nóng) 田 33 31 37 13. 9 0. 14 8. 496赤 紅 壤黏 土 廣 東 省 廣 州 市農(nóng) 田3119504. 80. 32 4.511. 3 校 正 和 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 1. 3. 1 室 內(nèi) 校 正 試驗(yàn)將 土 樣 平 鋪 在 托 盤(pán) 內(nèi) , 用 噴 壺 均 勻 的 加 一 定 量 的 去

25、離 子 水 濕 潤(rùn) , 然 后 混 合 均 勻 , 放 入 密 封 袋 中 充 分 平 衡 。 平 衡 68h 以后 ,將 濕 土 樣 按 照 一 定 的 容 重 填 裝 到有 機(jī) 玻璃 土 柱 中 (直 徑 15c m , 高 20c m , 分 5層 填 裝 ,填 裝 要 盡可 能 均 勻 。 裝 好 土 柱 后 , 垂 直 勻 力 插 入 探 針 , 盡可 能 減 小 對(duì)土壤 的 擾 動(dòng) 。 連 接 探 針 和 主 機(jī) 。 打 開(kāi) 主 機(jī) 開(kāi) 關(guān) , 測(cè) 定 儀 器 的 輸 出 , 重 復(fù) 3次 。 測(cè)定 結(jié) 束 后 , 取出 探 針 。 分 別 從 土 柱 上 中 下 層 取 適 量

26、土 樣 置 于 鋁 盒 , 用 烘 干 法 測(cè) 定 質(zhì) 量 含 水 量 (105 , 8h 以 上 至 恒 重 , 取 3層 土壤 含 水 量的 平 均 值 。 根據(jù) 填 裝 土 柱 的 平 均 容 重計(jì) 算得到 實(shí) 際 的 土 壤體 積 含 水 量 。 完 成 一 組 試 驗(yàn) 后 , 增 加用 來(lái) 濕 潤(rùn) 土 壤 的 水 量 ,重 復(fù) 上 述 步 驟 , 每 次 加 水 時(shí) 含 水 量大 約 間 隔 0. 03c m 3/c m3, 直 到近 飽 和 。 飽 和土 柱 制 備 是 填 裝 好 土 柱 后 利 用 馬 氏 瓶 從 土 柱 下 端 進(jìn) 水 孔 緩 慢 加 水 , 調(diào) 節(jié) 水 頭

27、確 保 土 柱 完 全 飽 和 , 然 后用 儀 器 測(cè)定 時(shí) 間 , 利 用 稱(chēng) 重 法 獲 得 實(shí) 際 含 水 量 。 1. 3. 2 田 間 驗(yàn) 證 試驗(yàn)田間 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 在 3塊 試 驗(yàn) 地 進(jìn) 行 。 試 驗(yàn) 地 位置 :1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 西 校 區(qū) 科學(xué) 園 。 試 驗(yàn) 區(qū) 屬華 北 平 原 北部 山 前 沖 積 平 原 區(qū) , 為 暖 濕 帶 半 濕 潤(rùn) 大 陸 季 風(fēng) 氣候區(qū) 。 地 處 東 經(jīng) 116°18 , 北 緯 39°57 。 年 均 氣 溫 11. 5 , 年 平 均 降 雨 量 為 640m m , 降 雨 主 要 集 中 于 夏 季 (6

28、 8月 , 夏 季 降 水 占 年 總 降 水 量 的 70%。 土壤類(lèi) 型 為 草 甸 褐 土 ,土壤 質(zhì)地 表 層 為壤土 。 2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上 莊 實(shí)驗(yàn)站 。 試 驗(yàn) 區(qū) 位于 北京 市 海 淀 區(qū) 上 莊 鎮(zhèn) 辛 力 屯 村 東 , 地 貌 屬 于 華 北 山 前 沖 積 平 原 。 地 處 東 經(jīng) 116°10 , 北 緯 40°08 。 氣候條件 與中 國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué) 園 試 驗(yàn) 田近 似 , 土壤 質(zhì)地 為 砂 壤土 。 3河北 省 壩 上地 區(qū) 的 “ 河北 沽 源 草 地生 態(tài)系統(tǒng) 國(guó)家 野 外 科學(xué) 觀(guān) 測(cè) 研究站 ” 的 魚(yú) 兒 山 牧 場(chǎng) 。 試 驗(yàn)

29、 區(qū) 地 處 豐 寧 滿(mǎn) 族 自治 縣 西 北部 , 東 經(jīng) 116°11 , 北 緯 41°45 , 海 拔 1 460m 。 屬 于 半 干 旱 大 陸 季 風(fēng) 氣 候 帶 , 年 平 均 降 水 量 在 300400m m , 主 要 集 中 在 6 9月 。 年平 均 蒸 發(fā) 量 1 735. 7m m , 年 日 照 時(shí) 數(shù) 2 930. 9h 。 主要 土壤類(lèi) 型 為 栗 鈣 土 , 土壤 質(zhì)地 為 砂 壤土 。 各試 驗(yàn)地的 土壤 基 本 理 化 性質(zhì) 如 表 2。試 驗(yàn) 過(guò) 程是 選擇 平 坦 地 塊 挖 一 剖 面 , 垂 直面 進(jìn) 行 削 平 處 理后

30、, 將 T D R 探 頭 水平 、 小 心 穩(wěn) 定 地 插 入 剖 面 5c m 處 , 利 用新 型 T D R 測(cè)定 傳 播 時(shí) 間 (n s, 重 表 2 田 間 試 驗(yàn) 點(diǎn) 土 壤 的 基 本 性 質(zhì)T a b l e 2 T h e s o i l p r o p e r t i e s i n t h e f i e l d t e s t e x pe r i m e n t s 田間試 驗(yàn)點(diǎn)土壤 層 次 /c m (容 重 /(g /c m 3顆 粒 組 成 /%20. 02m m 0. 0020. 02m m <0. 002m m w (速 效 氮 /(m g /k

31、g w (速 效 磷 /(m g /k g w (速 效 鉀 /(m g /k g w (有 機(jī) 質(zhì) /(g /k g (電 導(dǎo) 率 /(m S /c m p H 科學(xué) 園 015 1. 32 51 20 29 93. 0 41. 9 95. 5 10. 5 0. 16 8. 12上 莊 試 驗(yàn)站 015 1. 63 77 11 12 19. 8 11. 0 71. 7 6. 4 0. 18 8. 35魚(yú) 兒 山 牧 場(chǎng)0151. 4069181399. 22. 790. 928. 90. 15 8.20201 第 1期 鄭 茹 梅 等 :基 于 相 位 差 的 時(shí) 域 反 射 儀 測(cè)定土壤

32、含 水 量的 標(biāo) 定和田間 驗(yàn) 證復(fù) 4次 。 測(cè) 定 完 畢 后 在 探 頭 周 圍 相 同 深 度 處 利 用100c m 3環(huán) 刀 取樣 (重 復(fù) 4次 , 密 封 后 帶 回 實(shí)驗(yàn)室 ,用 烘 干 稱(chēng) 重 法 測(cè)定其體 積 含 水 量 。1. 4 數(shù)據(jù) 處理用 決 定 系 數(shù) R 2反 映 回 歸 方 程 的 擬 合 程 度 , R 2無(wú) 量 綱 , 其 取 值 范圍 為 01, R 2值 越 大 說(shuō) 明 擬 合 優(yōu)度 越 好 , 反 之 越差 。 回 歸 方 程的 擬 合 優(yōu) 度 用 估 計(jì) 標(biāo)準(zhǔn) 誤 差 S E E (s t a n d a r d e r r o r o f e

33、s t i m a t e 衡 量 :S E E = v -(v2n -2(1式 中 :v 表 示 稱(chēng) 重 法 測(cè) 定 的 土 壤 含 水 量 , c m 3/c m 3;v 表 示 回 歸 方 程 估 計(jì)的 土 壤 含 水 量 , c m 3/c m 3; n 表 示 觀(guān) 測(cè) 點(diǎn)數(shù)目 。T D R 儀 器 測(cè)定 的 含 水 量 和 烘 干 法 得 到 的 實(shí) 際 含 水 量 進(jìn) 行 比 較 時(shí) , 用 均 方 根 誤 差 R M S E (r o o t m e a n s q u a r e e r r o r 衡 量 兩 者的 差異 大 小 。R M S E = (T D R -v2n(

34、2式 中 :T D R表 示 新 型 T D R 測(cè) 定 的 土 壤 體 積 含 水 量 , c m 3/c m 3; v 表 示 烘 干 法 得 到 的 體 積 含 水 量 , c m 3/ c m 3; n 表 示 觀(guān) 測(cè) 點(diǎn)數(shù)目 。2 結(jié)果 與分 析2. 1 容 重 對(duì) T D R 測(cè) 定土 壤 含 水量標(biāo) 定 曲線(xiàn) 的 影響 考 慮 容 重 因 素 對(duì) T D R 測(cè) 定 土 壤 含 水 量 時(shí) , 我 們 初 步 選用 壤 黏 土 (4號(hào) 作 為 供 試 土 樣 , 探 索 在 該 質(zhì)地的 土壤 上 儀 器 對(duì) 容 重 條件變化 的 反 應(yīng) 規(guī) 律 。 試 驗(yàn)中 設(shè) 置 3個(gè) 不 同

35、 的 填 裝 容 重 (1. 178、 1. 277和 1. 346g /c m 3 , 測(cè)定 電 磁 波 傳 播 時(shí) 間 t 和 土 壤 體 積 含 水 量 的 關(guān) 系 。 結(jié) 果 表 明 , 每 個(gè) 容 重 條 件 下 , -t 關(guān) 系 都 可以用 3次 多 項(xiàng) 式 擬 合 (圖 2 , 回 歸 方 程 的 估 計(jì) 標(biāo) 準(zhǔn) 誤 差 (S E E 分 別 為 0. 008, 0. 008和 0. 011 c m 3/c m 3。 通過(guò) 統(tǒng) 計(jì) 檢 驗(yàn) , 3個(gè) 容 重 條件下 , -t 關(guān) 系 差異不 顯 著 , 如果 忽 略 容 重 因 素 用 一 個(gè) 校 正 關(guān) 系 計(jì) 算 含 水 量

36、, S E E 為 0. 012c m 3/c m 3, 說(shuō) 明 在 供 試土壤 上 , 容 重 對(duì) T D R 土 壤 參 數(shù) 測(cè) 試 儀 的 測(cè) 量 結(jié) 果 影 響 不 顯 著 , 因 此 使 用 T D R 實(shí) 測(cè) 該 壤 黏 土 土 壤 體 積 含 水 量 時(shí) , 在 允 許 的 誤 差 范圍內(nèi) (0. 0 2c m 3/c m 3 可 忽 略 土壤 容 重的 影響 。圖 2 容 重 對(duì) T D R 測(cè) 定土 壤 含 水量的 影響F i g . 2 E f f e c t o f b u l k d e n s i t y o n t h e c a l i b r a t i o n

37、 r e l a t i o n s h i p f o r T D R m e a s u r i n g s o i lw a t e r c o n t e n t2. 2 質(zhì) 地 對(duì) T D R 測(cè) 定土 壤 含 水量標(biāo) 定 曲線(xiàn) 的 影響 不同 質(zhì)地的 土壤 上 體 積 含 水 量 和 T D R 輸 出時(shí) 間 的 關(guān) 系 存 在差異 (圖 3 。 試 驗(yàn) 所用 的 六 種土壤 可 以 分為 3類(lèi) :砂 土和 砂 壤土 可 以 用 一 個(gè) 校 正 關(guān) 系 式 進(jìn) 行 含 水 量 測(cè)定 , 校 正 關(guān) 系 呈 3次 多 項(xiàng) 式 (表 3 , R 2是 0. 98, S E E 是 0.

38、 016c m 3/c m 3; 砂 質(zhì) 黏 壤 土 和 壤 黏 土 可以 合 并 為 一 類(lèi) , 用 一 個(gè) 校 正 關(guān) 系 式 進(jìn) 行 含 水 量 測(cè)定 , R 2是 0. 99, S E E 是 0. 015c m 3/c m 3; 對(duì) 粘 粒 含 量 50%的 黏 土 可以單 獨(dú) 校 正 , R 2是 0. 99, S E E 是 0. 019c m 3/c m 3。圖 3 不同 質(zhì) 地上 T D R 測(cè) 定土 壤 含 水量的 校 正 關(guān)系 F i g . 3 C a l i b r a t i o n r e l a t i o n s h i p o f d i f f e r e

39、 n t s o i l t e x t u r e s f o r T D R s o i l w a t e r c o n t e n t m e a s u r e m e n t不同 質(zhì)地的 土壤 上 含 水 量 測(cè)定 的 校 正 公 式 不同 是與 土壤 粘 粒 含 量 有 關(guān) 的 。 由 圖 4可以 看 出 , 相 同 含 水 量的 情 況 下 , T D R 儀 器 在 質(zhì) 地 粘 重 的 土 壤 (黏 土 6號(hào) 上 輸 出 的 傳 輸 時(shí) 間 要比 在 質(zhì)地 輕 質(zhì)的 土壤 (砂 土 1號(hào) , 砂 壤土 2號(hào) 上 小 。 這 是 由 于 黏 土 中 粘 粒 含 量 高 , 土

40、壤水 會(huì) 有 一部 分 以 束 縛 態(tài) 存 在 , 束 縛 水 的 介 電 常 數(shù) 小于 自 由 水 所 致 。3 0 1中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2011年 第 16卷 表 3 T D R 測(cè) 定土 壤 含 水量的 校 正 關(guān)系 v =a ·t 3+b ·t 2+c ·t +d 系數(shù)表T a b l e 3 C o e f f i c i e n t s o f t h e c a l i b r a t i o n r e l a t i o n s h i p v =a ·t 3+b ·t 2+c ·t +d f o r

41、T D R s o i l w a t e r c o n t e n t m e a s u r e m e n t 土 樣 公 式 代 碼 a b c d R 2 S E E (c m 3/c m 3 砂 土 砂 壤 S -3. 033 7 23. 393 4-59. 269 2 49. 492 1 0. 98 0. 016砂 質(zhì) 粘 壤 壤 粘 L C -0. 871 0 6. 688 5-16. 405 6 12. 999 5 0. 99 0. 015黏 土 C -0. 796 7 5. 998 1-14. 298 0 10. 927 1 0. 99 0. 0192. 3 T D R

42、測(cè) 定土 壤 含 水量的田 間 驗(yàn) 證在 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué) 園 (應(yīng) 用 公 式 L C 、 上 莊 試 驗(yàn)站 (應(yīng) 用 公 式 S 和 魚(yú) 兒 山 牧 場(chǎng) (應(yīng) 用 公 式 S 進(jìn) 行 的 田間 測(cè) 試 結(jié) 果 表 明 , 新 型 T D R 儀 器 測(cè) 定 的 土 壤 含 水 量 和 環(huán) 刀 取 樣 烘 干 法 測(cè) 定 的 結(jié) 果 相 比 (圖 4 , 均方 根 誤 差分 別 是 0. 032、 0. 011和 0. 028c m 3/c m 3 。圖 4 田 間 驗(yàn) 證 新型 T D R 測(cè) 定土 壤 含 水量的 性 能F i g . 4 V a l i d a t i o n o f

43、n e w T D R p e r f o r m a n c e f o r s o i l w a t e r c o n t e n t m e a s u r e m e n t i n t h e f i e l d3 結(jié) 論1 容 重 對(duì) 新 型 T D R 測(cè)定土壤 含 水 量的 標(biāo) 定 曲 線(xiàn) 影響 不 顯 著 , 而土壤 質(zhì)地 具 有 顯 著 影響 。 可 將 土 壤分為 砂 質(zhì) 土類(lèi) , 壤 質(zhì) 黏 土類(lèi)和 黏 土類(lèi) , 每 一 類(lèi) 型 的 土壤 可以 使 用 一 個(gè) 特 定 標(biāo) 定 公 式 , R 2均 大 于 0. 98, S E E 均小于 0. 02c m 3/c

44、m 3。 如 果 要 獲 得 更 高 的 精 度 , 需 要 對(duì) 特 定 的 土壤 需 要 進(jìn) 行 單 獨(dú) 的 標(biāo) 定 。 2 運(yùn) 用 室 內(nèi) 獲 得 的 相 應(yīng) 土壤 的 標(biāo) 定 曲 線(xiàn) , 用新 型 T D R 測(cè)定田間土壤水分 的 結(jié) 果 可以 和 烘 干 法 較 好 吻 合 , R M S E 小于 0. 035c m 3/c m 3, 因 此該 儀 器 用 于 田間土壤水分 的 測(cè)定 是 可 靠 的 。參 考 文 獻(xiàn)1 伍 永 秋 , 劉 寶 元 , E r i k v a n d e n E l s e n , 等 . 黃 土高 原 土壤水分 的 自 動(dòng) 監(jiān) 測(cè) :T D R 系統(tǒng)

45、及其 應(yīng) 用 J . 水土 保持 學(xué)報(bào) , 2001, 2:108-111 2 王 紹 令 , 楊 梅 學(xué) , 小 池俊 雄 , 等 . 時(shí) 城 反 射 儀 在 監(jiān) 測(cè) 青 藏 高 原 活 動(dòng) 層 水分變化 過(guò) 程中的 應(yīng) 用 J . 冰 川 凍 土 , 2000, 22(1 :78-84 3 張 智 慧 , 康 爾 泗 , 金 博 文 , 等 . T R I M E -T D R 技 術(shù) 在 黑 河 流 域 觀(guān) 測(cè)試 驗(yàn)中的 應(yīng) 用 J . 冰 川 凍 土 , 2003, 25(5 :574-5794 龔 元 石 , 李 子 忠 . T D R 探 針 兩 種 埋 沒(méi) 方 式 下土壤水分 的

46、 測(cè)定及 其 比 較 J . 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) , 1997, 13(2 :242-2445 張 書(shū) 函 , 康 紹 忠 , 聶 光 鏞 . 時(shí) 域 反 射 儀 的 測(cè)定 精 度 及其 與中 子 儀 的 對(duì) 比 J . 西 北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) , 1996, 24(4 :98-1016 龔 元 石 , 李 子 忠 , 李 春 友 . 應(yīng) 用時(shí) 域 反 射 儀 測(cè)定土壤水分來(lái)估算 農(nóng) 田 蒸散 量 J . 應(yīng) 用 氣 象 學(xué)報(bào) , 1998, 9(1 :72-78 7 曹 巧 紅 , 龔 元 石 . 土壤 電導(dǎo) 率 對(duì) 時(shí) 域 反 射 儀 測(cè) 定 土 壤 含 水 量 的 影響 J . 土壤 學(xué)報(bào) , 2

47、001, 38(4 :145-1538 N a d l e r A , D a s b e r g S , L a p i d I . T i m e D o m a i n R e f l e c t o m e t r y m e a s u r e m e n t s o f w a t e r c o n t e n t a n d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f l a y e r e d s o i l c o l u m n s J . S o i l S c i S o c A m J , 1991, 55(4 :938-943 9 D a s b e r g S , H o p m a n s J W.T i m e d o m a i n r e f l e c t o m e t r y c a l i b r a t i o n f o r u n i f o r m l y a n d n o n u n i f o r m l y w e t t e d s a n d y a n d c l a y e y l o a m s o i l s J . S o i l S