FDR 与烘干法测定土壤水分对比分析

2013-10-22徐学义崔兆韵王洪明侯育杰王玉荣尹红梅

山东农业大学学报（自然科学版） 2013年2期

徐学义，崔兆韵，黄华，王洪明，侯育杰，王玉荣，尹红梅

(泰安市气象局，山东泰安 271000)

1 频域反射法测定土壤水分的原理［2］

Trop 等人提出土壤含水率与土壤介电常数之间存在着确定性的单值多项式关系，为土壤水分的测量开辟了一个新的研究方向，即通过测量土壤的介电常数来计算土壤含水率。FDR(frequency domain reflectometry，频域反射仪)型土壤水分监测仪利用LC 电路的振荡，根据电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的介电常数，进而通过一定的对应关系反演出土壤水分状况。LC 振荡电路的频率表示为:

(1)式中L为电感，C为电容。LC 振荡电路频率F 要受到电感与电容变化的影响，由于土壤水分监测仪器电感值是固定的，因此，其振荡频率的变化只取决于电容的变化，而电容的改变要受到土壤的影响，从电磁角度看，土壤由4 种介电物质组成:空气、土壤固体物质、束缚水和自由水。由前人研究可知土壤的介电特性是以下几个因子的函数:电磁频率、温度、盐度、土壤容积含水量、束缚水与土壤总容积含水量之比、土壤容重、土壤颗粒形状及其所包含的水的形态。由于水的介电常数远远大于土壤基质中其它材料的介电常数和空气的介电常数，因此土壤的介电常数的大小主要依赖土壤含水量的多少。当土壤介电特性发生改变LC 振荡电路中电容就发生变化，由公式(1)可知，电容变化LC 振荡电路的频率也相应改变，因而振荡频率和管套外部土壤含水量之间就建立了一定的联系，通过分析LC 振荡电路的频率就可反演出土壤水分情况。这也是能够用FDR 法测量土壤含水率的基本原理。

2 观测仪器和方法

FDR 土壤水分自动监测仪安装在泰安大气观测场内，选取2005年9月8日到2006年8月30日共40次观测数据与烘干称重法进行对比分析，测定深度共六个层次:10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、100 cm。烘干称重法按照中国气象局《农业气象观测规范》中的有关规定执行，各层次取4个重复，4个重复均匀分布在自动土壤水分测量仪器的四周，半径在2～10 m 范围内。每旬逢8 观测，遇有降水大于10mm以上的情况，降水过程结束后加测1 次。一般认为，烘干称重法测定的土壤水分值是可信的，能够作为其他各种土壤水分测量方法的参照标准，但由于其受取样地点、人工操作等诸多因素的影响，烘干称重法测定土壤水分存在一定的误差［3］。

3 结果与分析

3.1 FDR 监测结果与烘干称重法结果对比分析

图1－6 分别是6个层次FDR 以及烘干法测定结果变化曲线。可以看出以下几个特点。

第一:各层次FDR和烘干法测定土壤相对湿度的数值随时间增减趋势基本一致，烘干法观测的数据波动比FDR 数据要剧烈，FDR 观测数据变化相对平稳，尤其在深层次表现明显，90～100 cm 土层自动观测数据几乎呈直线变化。但在表层1～10 cm，两者的变化都较为剧烈，说明两种观测对水分的敏感程度相当。

第二:烘干法数据比FDR 观测数据偏大还是偏小没有明显的表现，只是在深层90～100 土层，FDR 观测数据明显比烘干法数据观测偏小。

第三:有些烘干法和FDR 观测数据存在较明显的差异，不仅表现在数据差距大，而且在增减趋势上也存在差异，比如4月4日、8月4日0～10 cm 土层、5月5日、6月26日20～30 cm 土层、5月5日30～40 cm 土层、差异较大的日期均为降水过程结束后的加测日期，这说明在水分较大时，两种观测差别很大，造成的原因可能是FDR 观测对水分的敏感程度比烘干法观测略差。

3.2 两组数据评估

计算烘干法和FDR 自动观测差值，相关系数并统计不同差值段的概率，见表1和表2。从计算结果看，极端最大差值出现在30～40 cm 土层，烘干法比FDR 观测值偏高44.2(表1)。

从表2 看，0～10 cm、20～30 cm、烘干法与FDR 自动差值小于10 的概率达到了62.5%和72.5%，两种观测之间的误差相对其他层次而言偏小，90～100 cm 两者差值52.5%的大于20，两者之间的误差最大。计算不同层次烘干法与FDR 观测数据的相关系数(表3)，0～10 cm 相关系数最大为0.8129，最小出现在90～100 cm，这也从不同的角度说明烘干法与FDR 自动观测一致性最好的在表层0～10 cm，最差的在深层90～100 cm。