TDR 测定土壤含水量的标定研究（可编辑）

TDR 测定土壤含水量的标定研究 第 31 卷 第 2 期冰 川 冻 土 Vol. 31 No. 22 0 0 9 年 4 月J OU RNAL OF GLACIOLO GY AND GEOCR YOLO GY Apr. 2 0 0 9文章编号 : 100020240 2009 0220262206TD R测定土壤含水量的标定研究吴月茹 , 王维真 , 晋 锐 , 王 建 , 车 涛中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 , 甘肃 兰州 730000摘 要 : 探讨了 TDR测定土壤含水量的原理 , 并对黑河上游阿柔试验样地取土样进行了土壤体积含水量测定的室内标定试验 , 得出相关性较好的 TDR 测定土壤体积含水量的关系式.结果表明 : 通过室内土样回填建立的 TDR测定的体积含水量与土壤实际含水量相关性很好 , 可以利用 TDR精确的测定土壤含水量 , 为黑河遥感项目提供精确的地面土壤水分数据 , 为遥感反演和验证提供基础数据. 所得到的标定结果对于具有相同土质的黑河中游土壤具有参考价值.关键词 : 土壤含水量 ; TDR ; 标定 ; 介电常数中图分类号 : S152. 7 文献标识码 : A对这两种 TDR 仪器进行了室内试验标定 , 并认为0 引言3 所采用的标定方法值得借鉴. 通过标定 , 一方面 地表土壤水分是陆地和大气能量交换过程中的 可以确定在特定的土壤质地下其适用的含水量范重要因子 , 并对陆地表面蒸散、水分运移和碳循环 围 ; 另一方面还可确定其实际的测量精度 , 避免采有很强的控制作用 , 在水文、气象和农业科学领域 用通用标定曲线的误差估计其实际的误差. TDR测定土壤含水量的标定其目的旨在为黑河遥感项目土壤水分含量测定是必不可少的基本资料. TDR提供精确的地面土壤水分数据 , 为遥感反演和验证Time Domain Reflectometry , 时域反射仪 法是提供基础数据 , 所得到的标定结果对于具有相同土近年来普遍采用的一种较精确测定土壤含水量的方质的黑河中游土壤具有参考价值.法 , 具有不破坏样本、快速和容易操作等优点 , 并可做到讯息转换而达到数据自动采集的目的 , 因而1 TDR 测量原理1 2 很快为人们所接受Topp 等 使用 TDR 对不同 TDR测量土壤水分是基于土壤表观介电常数类型土壤的介电常数进行大量测定 , 建立了土壤介的测量. TDR发射的电磁脉冲波 , 经由同轴电缆传电常数与土壤体积含水量的关系 , 证明介电常数与入探头内 , 然后进入介质中 , 通过测量电磁波沿导许多土壤类型的土壤含水量之间具有较好的相关波探头在土壤介质中的传播并在其末端反射的时间性. 这为通过 TDR测定土壤含水量奠定了基础.电磁波在各点的反射很明确 , 可以很准确地测出 t 本研究依托于黑河流域遥感2地面观测同步试求得理论上的介电常数. 当频率在 1 M Hz1 GHz验与综合模拟平台建设项目中的子课题“黑河流域时电磁波的传播速度与传播媒体的介电常数呈如下上游寒区水文遥感2地面同步观测试验” , 使用 Del2关系 :ta TDR和 Stevens TDR 两种便携式 TDR 测定土2 2k c/ v ct/ 2L 1壤中的含水量. TDR 在测定精度要求较低时一般8不需要标定 , 但当误差要求很很高时 , 需进行标定 式中 : k为介质的介电常数 ; c为光速 3 10 m1 - 1或校正为了更加准确地测定土壤含水量 , 我们 s ; v为电磁波的传播速度 ; t为电磁波的在探头 收稿日期 : 2009201204 ; 修订日期 : 2009203213 基金项目 : 中国科学院西部行动计划二期项目黑河流域遥感2地面观测同步试验与综合模拟平台建设子课题黑河流域上游寒区水文遥感2地面同步观测试验 KZCX22XB2209201 ;国家自然科学基金项目 40875006 资助 作者简介 : 吴月茹 1983 ? , 女 , 内蒙古乌兰察布人 , 2006 年毕业于内蒙古师范大学 , 现为硕士研究生 , 主要从事土壤水文学和气象环境水文学研究. E2mail :wuyue_qr 163. com2 期 吴月茹等 : TDR测定土壤含水量的标定研究 263表 2 供试土壤的颗粒组成内的传播时间 s ; L 为 TDR探头长度.Table 2 Particle composition of the tested soils 水的介电常数是 80 20 时 , 而土壤固体介电常数是 25 , 空气的介电常数为 1. 水的介电常 粘土沙 0. 05 mm 粉沙0. 0020. 05 mm0. 002 mm数比空气或土壤的介电常数大的多 , 因此 , 土壤的29. 45 % 69. 3 % 1. 25 %介电常数主要受土壤水分含量的影响. 可以通过测量土壤介电常数 K来推测土壤含水量 , 表 1 为2 主要土壤成分的介电常数. Topp 等 用 TDR 对大 试验中使用的 TDR 仪器为英国 Delta 公司生部分土壤体积含水量进行了测定 , 给出了土壤体积 产的水分探测器和 Stevens公司生产的便携式土壤 2 含水量和介电常数之间关系的经验公式 :水分传感器. Delta 水分探测器由 H H2 手持式水分- 2 - 2 - 4 2读数表和 Theta Probe 探头 型号为 ML2组成 图- 5. 3 10 + 2. 92 10 K - 5. 5 10 K- 6 3 1其中 , 探头为 4 根不锈钢探针 , 探针长 6 cm ,+ 4. 3 10 K其测量范围为 0 %100 % , 测量精度为 1 % 标定 0. 6 2后 , 工作温度范围为 - 1070 .式中 : K为土壤的介电常数 ; 为土壤的体积含水量.2 自从 Topp 等 对 TDR做出关键性的发展后 ,5 - 6 便开始了大量使用 TDR测定土壤水分的时期Topp 最早发展 TDR 法时曾认为此法不受土壤质2 地、容重、温度等物理因素的影响 , 但后来的研7 究表明 , 在测量精度要求较低时这一结论是正确- 1的. 对矿质土壤 , 当其误差要求为 0. 05 cm ?cm图 1 Delata2TDR水分探测器示意图时 , 可用同一的标定曲线确定各种土壤的含水量关Fig. 1 Schematic diagram for the系 , 但当要求误差更小时 , 它们的关系受质地、容Delta2TDR W. E. T sensor重以至温度等物理因素的影响. 对于质地粘土占较大比重的土壤 , 当含水量较高时 , 由于输入电磁波 Stevens公司生产的便携式土壤水分传感器为的能量耗散较大 , 导致反射讯息模糊 , 容易造成失频率反射仪 , 工作频率为 50 M Hz. 通过测量土壤准. 因此 , 对于待测土壤 , 预先标定其含水量与介的介电常数来获得其它参数. 仪器由 PO GO porta2电常数的关系仍然是必要的.ble soil sensor 便携式土壤传感器、Stevens Hydra2 试验仪器和标定方法probe 探针和掌上电脑 PDA 等 3 部分组成 图 2仪器各主要参数的测量范围见表 3. 供试土壤取自黑河上游青海省海北藏族自治州表 3 Steven Hydra probe探头技术规范说明境内阿柔乡的大片广袤草场地区 , 其土壤颗粒组成Table 3 The technical specifications of Hydra probe如表 2 所示.测量参数 测量范围 精度 4 表 1 主要土壤成分的介电常数介电常数 180 1. 5 %或 0. 2Table 1 Dielectric constant of the4 非有机质 &primary soil component0饱和 0. 03矿质土土壤水分物质 介电常数- 1 - 1空气 1 电导率 0. 115 dS?m 2. 0 %或 0. 05 dS?m水 80 at 20 土壤温度 - 10 + 65 0. 1 冰 3 at - 5 玄武岩 12 2008 年 3 月 , 在阿柔草场的试验样地内采集具花岗岩 79有代表性的土样 020cm , 将土样带回兰州实验砂岩 911干壤土 3. 5 室内进行标定. 过程如下 : 1 首先将土样自然风干沙 2. 5干 , 捣碎 , 搅匀 , 过筛后分成若干份 ; 2 分别在各 冰 川 冻 土 31 卷 264在回填土之前应根据容重及容器体积计算好所需的土样重量 计算方法见下 , 逐层进行填塞. 每加一定的土量需要人工压实 棒槌敲打等 , 直到将计算好的土样全部填塞到测量容器中 , 并与容器顶部保持相平. 在填土过程中需要注意的是 , 体积含水量较小以及体积含水量较大情况下的土样填塞 : 含水量小时会出现容器已满但计算填充量的土样仍有剩余情况 ; 而含水量较大时则出现土样填完后但并未达到所要求的体积 , 即未填满所用的容器. 这两种情况都会造成土壤容重的改变. 在回填土之前计算所需土样重量的计算方法 : 1 假设土壤容重为 , 进行 TDR 标定容器d的体积为 V , 需要配置的土样的体积含水量为 n图 2 Stevens TDR示意图 %.Fig. 2 Schematic diagram for Stevens TDR 2 容器中需要填装的土水样中 , 干土重量为M V , 水量为 M V n %.1 d 2个土样中加水 , 配制不同含水量的土样试品 土样 3 容器中填筛的水土总量为 : M M1 + M2试品的体积含水量从 3 %开始 , 按 3 %的梯度增加 , 为保证填充土样的均匀性 , 应该事先在比较宽一直到 45 % ; 3样品经过 24 h 的密封放置 , 使土敞的仪器中将土样配制好 , 如大的塑料袋 , 然后将样与水分均匀混合 , 将土样以接近实地土壤的容重其拌匀并密封. 为了防止意外的损失 , 配制土样均匀的填装于比较规整的具有一定体积的塑料容器 时 , 所需的干土量 M3应该多于用于容器填装的干土量 M1 , 即 M3 M1 , 所需的含水量 M4 M3 / d中 , 以减少填塞土壤的非均质所产生的标定误差.n %. 将配制好的土样按土壤的实际容重填d填土的时候一定要确保接近真实的土壤容重 , 所以图 3 Steven TDR标定曲线Fig. 3 Calibration curves of Steven TDR2 期 吴月茹等 : TDR测定土壤含水量的标定研究 265装于标定容器中时 , 填装量应该符合计算结果 , 即 在 4 月 29 日和 5 月 7 日对于 Delta TDR的标定中 ,容器中填装的土样总量为 M. 两种土壤类型前后两次的标定曲线几乎重合 , 说明 4 分别将 Dleta TDR和 Stevens TDR垂直插 试验标定中的人为误差还是比较小的. 土壤类型为入配制好的土样中 , 测量其体积含水量 , 对不同含 Mineral 时的标定曲线更接近真实值 , 其变化趋势水量的土样进行多点测试 , 取其平均值以确保结果 和 Steven TDR 的基本一致 , 含水量较低时偏小 ,的准确性. 测得两组数据 , 与实际配制的土壤的体 含水量较高时偏大. 土壤类型为 Organic 时测得的积含水量进行回归分析 , 求得各自的标定公式 , 以 含水量值普遍偏大. 根据两次标定方程的相关系数2 2此校正 TDR的野外实际测量数据. 标定不同的土 R mineral , 5 月 7 日 0. 9872 和 R mineral , 4样时 , 标定前都需将 TDR 探头插入水中进行清洗 月 29 日 0. 9951 , 决定采用 4 月 29 日土壤类型并擦干. 为 Mineral 的标定曲线校正 Delta TDR 测得的土壤体积含水量. 图 5 为两种 TDR 的标定结果 , 可以3 试验结果分析用两个简单的线形函数表示 :2 通过上述标定方法 , 我们在 2008 年 4 月 29 日Delta TDR : y 0. 961 x + 1. 8129 , R 0. 995单独对 Delta TDR 进行了一次标定 , 在 5 月 7 日对3Steven TDR和 Delta TDR 又进行了标定 , 并对仪2Stevens TDR : y 0. 8502 x + 5. 1074 , R 0. 9868器可供选用的不同土壤类型参数都进行了标定.4Delta 提供了两种土壤类型参数 , 分别为 Organic式中 : y 为土壤实际体积含水量 % ; x 为 TDR 测有机土 和 Mineral 矿物土 ; Steven TDR 提供了量值 % 4 种土壤类型参数 , 分别为 sand 沙土 、loam 壤土 、silt 粉沙土和 clay 粘土Steven TDR的标定结果如图 3 , Delta TDR的标定结果如图 4.图 5 配制的土壤样品体积含水量与 TDR测定值的关系图Fig. 5 The relation of soil specimensvolumetricwater contents between prepared andmeasured by TDR图 4 Delta TDR标定结果Fig. 4 Calibration curves of the Delta TDR 表 4 给出了 Delta TDR 和 Stevens TDR 测量的土壤含水量与实际土壤含水量的对比结果 , 可以 从图 3 可以看出 , 对于 Steven TDR 提供的 4看出 , 在不同土壤含水量测量中 , TDR 测定的土壤种土壤类型参数的标定方程的变化趋势大致相同 ,含水量普遍偏小. 其中 , Delta TDR 测定的绝对偏含水量较低时 , TDR 测得的值偏小 ; 含水量较高差范围为 0. 13. 3 , 平均绝对偏差 1. 1 , 相对偏差时 , 测得的值偏大. 土壤类型为 Sand 和 Clay 时偏范围 0. 3 %22 % , 平均相对偏差 6. 9 %. 当含水差更大 , 土壤类型为 Loam 和 Silt 时偏差相对较2 2 量极低的情况下 , TDR 的误差达到 54. 4 % , 甚至小. 根据它们的相关系数 R loam 0. 9868 , R100 %. 不考虑这两个极端值 , 其测定的土壤含水silt 0. 9795 以及土样的颗粒组成分析 , 决定采量绝对偏差范围为 0. 1 %5. 5 % , 平均绝对偏差为用土壤类型为 Loam 的标定曲线来校正 Steven2. 8 % , 相对偏差范围为 0. 3 %30. 4 % ; 平均相对TDR 测得的土壤体积含水量. 从图 4 可以看出 , 冰 川 冻 土 31 卷 266偏差为 14. 3 %. 在土壤含水量较低的情况下 , TDR 值 ; 含水量较高时 , TDR测量的体积含水量与校正的相对偏差比较大. 由此看来 , TDR 测量粘壤质 后的含水量之间的差别不大 , 可以说明 , TDR更适土壤含水量的偏差还是不容忽视的 , 使用前的标定 宜用在含水量较高的地方. 经过校正 , 使土壤水分也是非常必要的. 数据更符合实际情况 , 从而使地面土壤水分数据质量得到保障. 两种 TDR 测量数据的明显区别是由表 4 TDR法测定土壤体积含水量的偏差于 TDR型号不同 , 更主要是因为测量的并非同一Table 4 Deviations of the soil volumetric个样点 , Steven TDR 测量样地内的样带 2 样点 ,water contents measured by TDRDelta TDR测量样带 3 的样点.配制 Delta 绝对偏差 相对偏差 Stevens 绝对偏差 相对偏差/ % / % / % / % / % / % / %4 结论与讨论3 2. 6 0. 4 13. 3 0. 0 3. 0 100. 0本试验采取人工配制土壤溶液的方法代替传统6 5. 8 0. 2 3. 3 2. 7 3. 3 54. 4的烘干称重法 , 土壤溶液样品中土、水质量精度都9 7. 9 1. 1 12. 2 6. 3 2. 7 30. 4控制到 0. 01 g , 改善了烘干法由于烘箱温度、烘烤12 10. 2 1. 8 15. 0 8. 7 3. 3 27. 3时间长短带来的测量误差 , 提高了测量精度. 试验15 11. 7 3. 3 22. 0 11. 1 3. 9 26. 0标定过程中 , 当含水量较低时 TDR 测得的值偏小 ,18 15. 8 2. 2 12. 2 13. 9 4. 1 22. 8含水量较高时测得的值偏大 , 这种偏差可能是由于21 19. 1 1. 9 9. 0 15. 5 5. 5 26. 0自由水和结合水的介电特性差异导致的. 含水量较24 23. 4 0. 6 2. 5 19. 9 4. 1 16. 9低时结合水占主导地位 , 其介电常数低于自由水介27 25. 6 1. 4 5. 2 22. 6 4. 4 16. 4电常数 , 所以测得的值偏低. 含水量较高时测定的30 29. 7 0. 3 1. 0 29. 9 0. 1 0. 3值偏高的原因可能是因为土壤水分空间变异的影33 32. 8 0. 2 0. 6 32. 9 0. 1 0. 4响 , 即在制备土壤样品时 , 虽然力图使其湿度均36 35. 9 0. 1 0. 3 35. 8 0. 2 0. 6匀 , 但实际仍不可避免有局部的差异 , 使得自由水39 37. 6 1. 4 3. 6 41. 4 2. 4 6. 1占主导地位的土壤样品的含水量表现出高于实际含42 42. 7 0. 7 1. 7 45. 2 3. 2 7. 7水量的特点. 但总的来说 , 本标定试验的结果较45 45. 4 0. 4 0. 9 47. 4 2. 4 5. 42好 , 标定曲线的 R 均大于 98 %在标定过程中 , 由于仪器本身的误差 , 以及测量时探针插孔对容重的影响 , 以及前、后期插孔位置重叠都会影响测量结果. 实际上 , 如果把探头固8 定在一点上做多次测量 , 其重现性是非常好的 ;对田间土壤也是如此. 因此 , 可以认为经过室内实验标定的函数关系 , 误差较小 , 能够满足要求. 利用所标定的函数关系 , 将 TDR 测定的体积含水量进行修正 , 使其更加符合实际情况. 标定公式与TDR探头、土壤容重、土壤的电导率 EC 、有机图 6 TDR测量值与校正后的土壤水分数据对比图质含量、土壤的湿润状况有关 , 而且土壤在地理分Fig. 6 Soil water contents measured by TDR布上有很大的变异性 , 所以本试验所得的标定公式and corrected by calibration equation不可能对所有地区和所有土质都适用.参考文献 References : 将试验中得到的 TDR 标定方程应用于 2008年 4 月 1 日在阿柔草场实地测量的土壤水分数据 1 Zhou Lingyun , Chen Zhixiong , Li Weimin. Calibration onmeasurement of soil water content using Time Domain Reflec2中 , 得到 TDR测量值与 TDR校正值之间的关系如trometry TDR J Acta Pedologica Sinica , 2003 , 40 1 :图 6. 图 6 中可以看出 , 校正后的土壤水分数据质59 ? 64. 周凌云 , 陈志雄 , 李卫民. TDR 法测定土壤含水量量得到了明显的改善 : 含水量较低时 TDR 测得的的标定研究J 土壤学报 , 2003 , 40 1 : 59 ? 64. 值偏低 , 经过校正后 , 土壤体积含水量高于测量 2 Topp G C , Davis J L , Annan A P. Electromagnetic determi2