高盐土壤环境对土壤水分传感器的影响及校正研究_刘鹏.pdf

西 北 农 业 学 报 ，（）：高盐土壤环境对土壤水分传感器的影响及校正研究收稿日期：修回日期：基金项目：中国地质调查局地质调查项目（，）；国家自然科学基金（）。第一作者：刘鹏，男，在读硕士，从事盐碱地水盐运移过程监测与机理研究。：通信作者：杨海，男，博士，高级工程师，主要从事平原区产汇流机理研究。：刘鹏，姜月华，杨海，贾正阳，牛晓楠，杨辉，吕劲松，（中国地质调查局南京地质调查中心，南京 ；自然资源部流域生态地质过程重点实验室，南京 ）摘要为对市场上主流水分传感器在高盐土壤中的含水量测量值进行定量化对比及校正，选取种主流传感器（、），在江苏如东滨海重度盐土（全盐量为）中进行含水量测量值对比及校正研究。在土柱中配制 个标准土壤含水量级土样，进行测量记录。对比结果发现：各传感器含水量测量值均呈现不同程度偏高。除 外，其他传感器均出现局部高含水量区间失真现象，失真类型又分突变型和不敏感型两种。全量程突变 失 真，、和 在 出 现 突 变 失 真，和 超过 后呈现不敏感失真。在各传感器含水量测量值小于失真阈值范围内，和 含水量测量值偏高程度最小，、和 中等，最大。除 外，对其余种传感器在失真阈值内进行校正，利用校正公式得到的土壤含水量测量值精度均可达 。本研究为高盐土壤中准确、高效测定土壤水分提供了实用化指导与对策。关键词高盐土壤；土壤水分传感器；性能对比；失真阈值；校正公式准确获取土壤水分变化过程历来都是一项重要的课题，实时、精确的土壤水分数据是研究水资源、作物管理、灾害分析等的重要基础性资料。近年来，基于时域反射法（）、频域反射法（）等 原 理 的 土 壤 水 分 传 感 器 发 展 迅速，这类传感器将原始测量值（介电常数、电压等）转换为土壤水分数值，使实时、准确测量土壤含水量变得更加便捷。然而，原位埋入式土壤水分传感器在高盐分土壤中往往出现含水量测量值偏高甚至严重失真的现象，这是由于这些传感器在高盐环境下电磁波的传输会受到较大影响，从而严重影响含水量测量 值 的 准 确 性 。谭 秀 翠 等 利 用 种 仪器测试不同盐分土体的含水量时发现，随盐分的增加，传感器测得的含水量增大甚至无法得出合理值。崔静等 进一步指出，当土壤电导率大于 时，测定的数值已无法准确反映土壤水分含量的变化。等 设置土壤盐分梯度试验，发现 传感器含水量测量值偏高量与土壤含盐量呈正相关关系。虽然以往研究中已测试部分传感器在高盐环境中的性能，但涉及的传感器类型较少，缺少相同环境下传感器性能的对比试验，因此仍有必要开展多类不同原理土壤水分传感器的性能对比工作。已有研究指出，内部转换公式是影响含水量测量精度的最重要因素，。在高盐、高含水量土壤环境下，传感器中最经典的内部转换公式（如 经验关系式）可能已不适用 。含水量校准的方法主要分成两类，即直接校正和间接校正，直接校正利用原始采集数值与真实含水量间建立相关关系，例如 等 在佛罗里达野外沙壤土地区对 、等 种主流传感器进行内部转换公式的校正。等 对 、传感器进行校正。间接校正则建立传感器测量含水量与烘干法实测含水量间的相关关系进行校正，。虽然间接测量相对较为简单，但是在复杂的高盐环境下，测量值可能偏差太大，很难找到明确的相关关系。因此，仍有必要对高盐环境下各类主流土壤水分传感器的内部转换公式进行科学校正。鉴此，本文对比分析种主流土壤水分传感器在高盐土壤条件下的含水量测量值的可靠性，并在土壤含水量有效测量区间，建立烘干法标定值与传感器原始输出值间的校正公式。从而指导高盐环境下土壤水分的准确、连续测量，为盐碱地水盐运移过程机理的精细化研究提供重要的技术支撑。材料与方法传感器介绍参考 国 内 外 土 壤 水 分 传 感 器 性 能 对 比 文献 ，室内土柱试验中选定耐盐性能较好的种主流土壤水分传感器用于比较分析，包括 、和 。试验中所用的种传感器均在结构均质的普通土壤中完成了一致性、稳定性检测。这些传感器的测量方法共分类，即时域反射法（）、频率发射法（）、传输线震荡法（）。的测量原理是确定高频电磁波在介质中的传播速度，因土壤中水的存在而降低了电磁波传播速度，这使得含水量测量成为可能；是根据高频电磁波在不同介电常数物质中传播频率不同，通过测量高频电磁波频率进而测量土壤含水量；是根据振荡器激发的电磁波在不同含水量土壤中双向传播时间的不同，从而将其转化为介电常数。除 获取电压值推求土壤含水量外，其余传感器则均利用介电常数推求土壤含水量。系列、均采用经典的 经验关系式计算，详情如表所示。由传感器电导率测量范围可知，、和 传感器耐盐性能最好，最大电导率测量值均达到 ，其 次为 、传感器，传感器电导率量程最小，仅为。表种主流土壤水分传感器信息 型号 生产商 测量方法 测量参数 体积含水量转换函数 电导率测量范围（），注：代表温度；代表介电常数；代表体积电导率；代表电压；代表电压值；代表体积含水量；代表空值。：；试验方法试验土样采取于江苏省南通市如东县东凌围垦区盐碱地，该地区降水充沛，年均雨量 ，汛期（月）雨量相对集中，约占年降雨量的 。年平均气温，全年无霜期 ，年平均日照 。采样区周边生长少量杂草、野生田菁、芦苇、碱蓬等耐盐植物。采集该地区 表层土壤作为供试土壤，土壤烘干后过筛，备用，试验土壤质地是粉质壤土，其 中 砂 粒、粉 粒 和 粘 粒 体 积 分 数 分 别 为 、和，干体积质量为 ，饱和含水量为 ，含盐量为，属于重盐土。亚克力土柱为内径 ，内高 的无盖圆柱体，在土柱中配置不同含水量土壤（、）进行测量记录，共设置个平行样，为了保证试验结果不受温度影响，实验室内控制常温条件，温度保持在 左右。为使所有传西北农业学报 卷感器探针能完全插入土体中，将试验土体高度定为 ，对应土体体积为。根据野外实测干体 积 质 量 数 值，计 算 出 所 需 土 样 质 量 为。利用体积含水量的计算公式可求出各体积含水量所对应水的体积。为使土体水分分布均匀，先在塑料盆中由干到湿逐步配制各含水量级土样，将所需去离子水加入土壤后搅拌均匀，回填至亚克力土柱中压实至处，封口避光静置。然后用 土壤电导率笔等深度（）依次均匀插入土壤中，共计测量次，电导率差值均不超过，表明水分、盐分分布较为均匀。随后，将种传感器依次单独插入土壤中，利用 数据采集器进行数据采集。评价指标选取平 均绝 对误差（）和均 方 根 误 差（）评价土壤含水量的测量精度，选取决定系数（）评价校正公式的拟合度，具体计算方法如下所示：（）?式中表示实测值，表示真实值，?表示实测均值，表示统计样本数量。结果与分析各传感器测量结果分析定性分析本文将试验阶段土壤含水量测量值超过 定义为失真。各传感器在设定的标准土壤含水量条件下的含水量测量值和原始输出值（介电常数或电压）如图所示。由图可知，含水量测量值在所有含水量节点均呈现失真；当实际含水量不超过 时，含水量测量值变化趋势与标准值相似，其后含水量测量值迅速升高直至失真；和 的含水量测量值在 以内变化趋势与标准值相似，其后含水量测量值迅速升高直至失真；在 以内，含水量测量值与标准值相近，而后测量值随含水量级升高而迅速升高直至失真；、和 的测量值在整个试验阶段均未出现失真。显然，随着土壤含水量的升高，多数传感器的测量值偏高程度随之加剧，甚至出现失真现象。值得注意的是，和 虽然在整个试验阶段含水量测量值均未超过失真阈值（），但当实际含水量达到 后，测量值出现反常的下降趋势，而 的数值仍然递增。由此可知，当实际含水量达到 后，和 的测量值已不再真实，表明传感器对含水量的增加不再敏感。为更准确描述各传感器的失真特征，将 ，、和 的失真类型定义为突变型失真，即随着实际含水量升高，传感器测量值突然大幅升高且 超 过 ，而 将 和 的失真类型定义为不敏感型失真，即随着实际含水量升高，传感器测量值呈下降趋势。因此，、传感器的突变失真阈值为 ；、的突变失真阈值及 、传感器的不敏感失真阈值均为 。已知各传感器输出的含水量测量值是利用原始输出值经公式转换的方法求得。由图可知，各传感器原始输出值的变化趋势与其含水量测量值变化趋势一致，这也是传感器测量值失真的原因。虽然 和 在整个试验阶段含水量测量值都较为接近，但当实际土壤含水量大于 时，的介电常数远大于 ，与 、的值 相 近。由 表 可 知，这 是 因 与 使用了不同的含水量转换公式。因此，各传感器内置的转换公式对土壤含水量的测量值影响极大。的介电常数较之其他传感器在 含水量条件下最小，该原始采集值可能已针对高盐环境进行了修正处理。定量分析为对比各传感器失真阈值内含水量测量值的整体偏高情况，选取平均绝对误差（）和均方根误差（）两项指标进行评价，如表所示。由表可知，除 外，其余传感器的 均在 ，则在 。总体而言，各传感器含水量测量值与标准值偏差程度的期刘鹏等：高盐土壤环境对土壤水分传感器的影响及校正研究差异较大，其中 、两项指标均小于 ，测量值整体偏高程度最小，、和 的整体偏高程度中等，两指标均小于 ，整体偏高程度较大，两指标均超过 。体积含水量测量值；原始输出值 ；图种土壤水分传感器的含水量测量值和原始输出值 表原转换公式测量的含水量与烘干法结果的对比分析 传感器型号 体积含水量范围（）（）（）注：代表超出量程。：校正公式的提出针对高盐环境下土壤水分传感器含水量测量值普遍偏高甚至失真的现象，基于各土壤水分传感器原始转换公式，本文尝试在各传感器的失真阈值范围内，建立真实含水量与原始输出值之间新的对应关系。此次的校正工作剔除了含水量测量值 一直 处 于失 真 状 态 的 。、都基于原转换公式进行改进，则选择了拟合度更好的指数函数，详情如图所示。为量化各传感器校正公式的精度，将各传感器的含水量校正范围、校正公式、校正后的决定系数（）、均方根误差（）进行统计，如表所示。由表可知，在失真阈值范围内，利用各传感器校正公式计算得到的土壤含水量值的在 ，在 。新的校正公式与原转换公式相比，在失真阈值范围内极大地提高了各传感器在重盐土条件下的含水量测量精度。讨 论土壤水分传感器在高盐环境下电磁波的传输会受到较大影响，从而严重影响含水量测量值的准确性。潘延鑫等 利用 传感器对卤泊滩盐碱地改良区进行含水量测量，结果发现测量值较烘干法标定值偏大；等 设置、和 种盐度，发现 的含水量测量值受盐度的影响大于温度。而本文采用室内定量化土柱试验，对比、这种主流传感器在江苏如东重盐度土壤中的测量结果，发现各传感器均出现不同程度偏高甚至失真的现象。西北农业学报 卷图土壤水分传感器校正公式 表校正公式测量的含水量与烘干法结果的对比分析 型号 体积含水量（）校正公式 （）（）.（.）（）.期刘鹏等：高盐土壤环境对土壤水分传感器的影响及校正研究土壤水分传感器的测量精度是评估其能否应用于野外监测的重要参数。杨海等 利用烘干法对土壤含水量进行标定，从而通过传感器原转换公式直接减去校正常量，得到新的转换公式。同样，沈新磊等 在传感器监测深度处取样，用烘干法的平均值对 测量值进行标定。而本文是基于各传感器土壤含水量原转换公式，建立各传感器原始输出参数（介电常数和电压）与土柱含水量标定值的校正公式，使得测量精度达到 。本研究只针对高盐度土壤做了定量化的校正，并不能覆盖其他地区。未来应设置多种盐度梯度的土柱试验，从而建立应用于不同盐度土壤的含水量校正体系。结 论高盐土壤环境对种主流原位埋入式土壤水分传感器的测量精度影响显著。室内定量土柱试验显示，所有传感器的含水量测量值存在不同程度的偏高。除 外，其余种传感器均出现不同类型的失真。本文在各传感器失真阈值内，建立了有效测量区间的含水量校正公式，测量精度可达 ，为高盐土壤环境下的含水量准确测量提供了指导方案。参考文献 ：，：，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（）：谭秀翠，杨金忠，查元源 土壤含盐量对 含水率测试结果的影响及校正方法灌溉排水学报，（）：，（）：崔静，马富裕，范守杰，等利用 对不同盐分土壤水分含量的测定西北农业学报，（）：，（），（）：，（）：，（）：，：，：，西