基于土壤多参数监测系统的田间持水量试验研究*

陈蒙蒙，兰玉彬，王国宾，王杰，王宝聚，鲁文霞

(1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博，255000； 2. 国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心山东理工大学分中心，山东淄博，255000； 3. 山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博，255000)

0 引言

土壤水是水文循环以及生态系统的重要组成资源[1]。土壤水分克服重力阻力，经过一段时间能维持较稳定的含水量，土壤此时处于田间持水量[2]。田间持水量是植物吸收和利用水分的重要土壤水力性质[3-4]。田间持水量测量方法有环刀法、张力计法等方法[5-7]。王高英[8]分别使用环刀法和仪器法进行田间持水量和土壤含水量的测定试验，研究发现减少测量偏差需使用高精度的墒情测定仪。辛玉琛[9]使用自动墒情站和围框淹灌法分别测量了田间持水量，结果发现采用自动墒情站测定田间持水量的方法可应用于实际工作。

近年来，智能环境监测设备在精准农业生产和管理中的应用越来越广泛[10-11]。北京农业智能装备技术研究中心研发的气象墒情采集系统，能够远程监测气象信息和墒情信息；MP300土壤多参数监测系统可同时采集三种土壤参数；SMM土壤水分测定仪能够同时测量土壤含水量和土壤水势；智墒一体化土壤水分监测仪可连续监测不同深度的土壤水分、温度。这些案例表明，使用高精度监测设备或移动监测器对土壤环境进行监测，已经成为农田信息远程管理的科学手段[12]。自动墒情站作为无人农场田间管理的“耳目”，能够远程实时监测和存储农田土壤水分数据，为自动节水灌溉决策系统提供模型输入参数[13-14]。因此本文提出一种基于土壤多参数监测系统测定田间持水量的方法，分析不同深度的土壤体积含水量变化过程，探究土壤表层相对温度差对土壤水分日丢失量的影响，为智能监测设备在无人农场中的应用提供参考具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，试验设备选择美国自动墒情站MP300土壤多参数监测系统。将土壤样品放进长、宽、高均为300 mm的正方形有机玻璃土箱，土箱侧面使用木板固定。有机玻璃土箱位于高240 mm的长方体底座上，土箱底部设计为直径75 mm的圆排水孔，排水孔厚度为6 mm，排水孔的上底部和下底部装有网孔直径分别为2 mm和1 mm的隔离片，以防止土壤微粒漏出，同时不影响水分下渗。由于传感器需水平放置，故分别在土层剖面10 cm、20 cm深处插入一根传感器，以监测不同深度的土壤含水量变化情况。传感器通过信号线与MP300土壤多参数监测系统机箱内的CR1000X数据采集器相连，实现土壤含水量的实时采集和存储。

图1 试验装置示意图

1.2 土壤多参数监测系统

图2是土壤多参数监测系统的结构图，MP300土壤多参数监测系统由太阳能板、蓄电池、充放电控制器、CR1000X数据采集器、CS655土壤水分传感器、通讯模块、增益天线、上位机服务器、上位机软件组成。太阳能电池板为蓄电池充电，同时PWM太阳能充放电控制器保护蓄电池因过量充电或放电发生损坏，保证数据采集器以及通讯模块、传感器等模块正常工作。使用MD-649无线通讯模块远程连接上位机LoggerNet软件接收数据，设备工作的响应时间是3 ms。CS655土壤水分传感器采用时域反射法的测量原理，可采集的土壤参数包括体积含水量、土壤温度、电导率。

图2 土壤多参数系统结构图

1.3 试验方法

1.3.1 土壤多参数系统测定田间持水量

试验方法参考《土壤墒情监测规范(SL364—2015)》[15]进行。在试验田中选取土块样品，土块尽量保持原状并装入有机玻璃土箱。原状土块经水浸泡后，土壤水分持续增加，并在重力作用下自由下渗。当土壤孔隙充满悬着水和重力水时，土壤达到饱和状态[16]。原状土块容纳的水分含量继续增加，超过土壤饱和状态后，土壤重力水通过装置底部的圆排水孔渗出。当水分渗出量大于400 mL时，不再对原状土块进行水量补充，使土壤含水量自然蒸发减少。MP300土壤多参数监测系统每半小时采集1次土壤参数，共采集2 889组数据。取每日所测的平均值作为真值，共处理得62组数据，根据上边界与下边界土壤含水量丢失速率的不同，将观测周期分为3个阶段进行函数回归拟合，结合环刀法的测量值分析田间持水量与土壤水分曲线的关系。

1.3.2 环刀法测定田间持水量

在试验田选取原状土块的同一土壤剖面，使用环刀在10 cm、20 cm深处采集土壤样品，经水浸泡饱和后，静置8～12 h，使其重力水完全排出。此时土壤达到吸持水分的最大能力，使用烘干箱进行烘干，并测量前后重量，试验重复3次计算平均值，从而测得田间持水量。

1.4 数据处理

1.4.1 土壤水分日丢失量

将每日的土壤体积含水量与前天的土壤体积含水量相减，得到土壤水分日丢失量，用来评估土壤上边界蒸发和下边界入渗的水分丢失能力。

V=Vi-Vi+1

(1)

式中：ΔV——土壤水分日丢失量，%；

Vi——前天的土壤体积含水量，%；

Vi+1——当日的土壤体积含水量，%。

1.4.2 土壤表层相对温度差

将每日的温度均值与前天的温度均值相减，得到土壤温度差，再除以当天的温度均值，得土壤表层相对温度差，用来评估土壤上边界蒸发能力。

(2)

式中：RT——土壤表层相对温度差；

Ti——前天的土壤表层日平均温度，℃；

Ti+1——当日的土壤表层日平均温度，℃。

1.4.3 统计检验指标

使用三个统计检验指标评估拟合结果，Sig.表示P值显著性，决定系数R2接近1时回归模型的拟合效果最好。均方根误差RMSE衡量拟合值与真值的偏差。

(3)

(4)

式中：yi——第i个实际观测值；

n——实测值个数。

2 结果与分析

2.1 不同观测阶段的土壤体积含水量变化过程

不同观测阶段的土壤水分拟合曲线如图3所示。Y1、Y2分别表示深度10 cm和20 cm处土壤含水量拟合的土壤水分曲线，将试验天数分为三组观测区间[1，13]、[14，20]、[21，62]，环刀法计算土壤样品10 cm和20 cm深的田间持水量分别为30.2%和30.6%。由于土壤含水量各阶段的变化程度不同，土壤水分曲线的斜率必将发生变化。由图3(a)可知，土壤水分曲线Y1在该区间单调递减，随时间增加，曲线斜率变大。土壤水分曲线Y2在该区间也递减，第12天达到田间持水量后，曲线斜率增大的趋势变缓。这主要是因为观测前期10 cm深的土壤含水量除动态的吸收、下渗速率不同外，随观测天数后移，蒸发作用产生，土壤含水量减少较快。而20 cm深的土壤含水量以下渗为主，因土壤吸持水分的能力有限，土壤含水量在达到田间持水量前以更快的速率下渗，故两条土壤水分曲线斜率出现不同程度地变大。由图3(b)可知，土壤水分曲线Y1在田间持水量出现前斜率较缓，第15天达到田间持水量后曲线斜率开始缓慢增大，而土壤水分曲线Y2保持递减趋势。这是因为，土壤排出孔隙里的重力水，达到吸持毛管悬着水的最大能力时出现田间持水量。土壤最大吸持力维持一些时间后，水分克服土壤毛细力和基质力的吸持作用，经蒸发作用土壤含水量减少，故土壤水分曲线斜率较缓。由图3(c)可知，两条曲线以不稳定的斜率递减，土壤水分曲线Y1斜率变化较大，土壤体积含水量减少至6%左右，曲线Y2斜率变化较小，土壤含水量降至12%。这是因为在观测后期，由于没有重新向装置内补充水量，上层10 cm深的土壤含水量受蒸发作用明显，下层土壤含水量受影响较小。土壤水分曲线Y1、Y2均在不同观测阶段递减，分别在前15天和前12天土壤含水量大于田间持水量，且在田间持水量出现前后斜率变小的趋势明显。因此，田间持水量是完成重力排水后的土壤含水量，建立两者的相关模型还需研究两边界条件对土壤含水量的影响。

(a) 前13天内的拟合曲线

不同观测阶段的土壤体积含水量与观测天数关系拟合结果检验指标见表1，深度10 cm处拟合曲线的3组观测区间使用A1-1、A1-2、A1-3表示，深度20 cm 处拟合曲线的3组观测区间使用B1-1、B1-2、B1-3表示。显著性P值小于0.01，表明各阶段内观测天数与土壤体积含水量存在极显著相关。均方根误差RMSE小于0.27，表明拟合值与真值的偏差较小。模型决定系数R2均大于0.99，即认为土壤体积含水量与观测天数存在一元二次函数关系。若Y(x)表示土壤体积含水量，x表示观测天数，土壤体积含水量和观测天数的二次曲线方程为Y(x)=ax2+bx+c，土壤体积含水量与观测天数二次拟合函数系数a、b、c见表2。

表1 不同阶段的土壤体积含水量与观测天数关系拟合检验指标

表2 不同阶段的土壤体积含水量与观测天数二次拟合函数系数

2.2 不同阶段的土壤水分日丢失量与土壤表层相对温度差关系研究

建立的土壤水分日丢失量与土壤表层相对温度差在时间序列上的回归模型如图4所示。从图4(a)、图4(d)可以看出，当土壤体积含水量高于田间持水量时，深度10 cm的土壤水分日丢失量拟合曲线的斜率逐渐增大，表明该层的土壤含水量下降加快；深度20 cm的土壤水分日丢失量拟合曲线以相对稳定的斜率增加，在第12天达到田间持水量左右土壤水分日丢失量开始增大，该区间变化主要是由下边界重力排水造成的。从图4(b)、图4(e)可以看出，深度10 cm的土壤水分日丢失量拟合曲线以一元三次函数趋势增加，在第15天达到田间持水量时斜率最小；深度20 cm的土壤含水量低于田间持水量，曲线斜率变缓，土壤水分日丢失量拟合曲线在该区间的决定系数均大于0.97。从图4(c)、图4(f)可以看出，深度10 cm的土壤含水量以低于0.9%的丢失率降低，深度20 cm的土壤含水量以低于0.6%的丢失率降低，由于该区间的土壤含水量始终低于田间持水量，不再发生重力排水，土壤水分丢失主要是蒸发作用造成的。不同深度的土壤水分日丢失量拟合曲线在时间序列上表现为一元三次函数关系变化。由于重力排水和蒸发排水的速率不同，不同阶段的土壤水分日丢失速率也显著不同。土壤表层相对温度差在一定程度影响了土壤水分蒸发[17-18]。结合土壤表层相对温度差拟合曲线可知，上边界蒸发速率稳定，表明土壤表层相对温度差对土壤水分日丢失量的影响不显著，在时间序列上近似为一个常数。这可能是因为在蒸发能力不变的情况下，土壤颗粒的形状、大小以及孔隙的不均匀性在排水过程中影响了入渗率。在各向异性的土壤剖面，水流方向的不确定性导致部分水分未能进入传感器探针的监测范围。

(a) A1-1

2.3 土壤水分曲线与田间持水量关系探究

在观测期的前20天内，土壤多参数监测系统测定的土壤体积含水量如表3所示，土层剖面10 cm深处传感器在该层监测到的土壤含水量为21.8%～39%，其中第15天的测量值是30.3%，与环刀法测量值相差0.1%；土层剖面20 cm深处传感器在该层监测到的土壤含水量为23.4%～40.4%，其中第12天的测量值是31.3%，与环刀法测量值相差0.7%，表明不同深度的土壤含水量分别在第15天和第12天接近于该层的田间持水量。将x值分别为15和12代入表2对应区间的模型拟合关系式：Y1=-0.235x2+6.485x-14.25，Y2=-0.029x2-0.513x+41.32，得到的误差范围是[0.05，0.39]，对比土壤含水量监测值的误差范围[0.1，0.7]，表明使用二次回归模型计算田间持水量的误差可缩小一半，具有更高精度，可近似认为田间持水量是土壤水分曲线上的点。因此，首次部署墒情设备时，使监测区域达到土壤饱和状态，在无灌溉或降雨等环境因素的影响下，本试验得到的土壤水分曲线可为测定田间持水量提供判断，方便远程监管土壤数据和校正系统误差。

表3 土壤体积含水量和田间持水量数据

3 应用实例

MP300土壤多参数监测系统于2019年12月13日安装在山东省临淄区生态无人农场试验田，记录两周的土壤体积含水量变化，以监测小麦越冬期土壤环境对其生长影响。传感器均水平放置在离地面深10 cm、20 cm、30 cm的土坑剖面，环刀法测得每层土壤样品的田间持水量分别为29.6%、27.3%、27.3%。不同深度的土壤体积含水量实际情况如图5所示，观测前期各深度的土壤水分处在动态平衡状态，土壤体积含水量相近，且低于田间持水量。经12月15日当天的一次规模降雨，10 cm深度的土壤水分曲线以最快的速率达到田间持水量，一段时间后曲线斜率变小，在达到最大值35.2%后土壤水分曲线开始下降，并保持高于田间持水量，下降主要受土壤水下渗作用影响。该层土壤水分曲线斜率不稳定变化的主要原因有两点：一是无人农场人为浇灌或自然降雨周期不可控，二是离地表最近，导致在不规律降雨的影响下土壤体积含水量增减波动频繁。20 cm深度的土壤水分曲线斜率逐渐增大，并在19日接近田间持水量，达到该层的田间持水量后在土壤水下渗作用的影响下曲线斜率变缓。该层的土壤体积含水量受外界影响较小，故变化规律与室内试验结果一致。而30 cm深度的土壤水分曲线始终在低于该层田间持水量的监测值25%附近变化，表明该层的土壤含水量不受降雨影响且相对稳定。从图5可以看出，农场的土壤环境整体良好，适合小麦幼苗生长。而计算田间持水量是为了更好地估算作物需水模型，在复杂农田环境下，可应用大数据技术进行模型估算，除直接监测农场的土壤水分外，还应考虑土壤温度、灌溉用量、气象因素、作物生理学特性等因子。

图5 不同深度的土壤水分曲线

4 结论

1) 研究基于土壤多参数监测系统监测饱和土壤含水量自然蒸发全过程，记录土壤体积含水量数据，将不同深度的土壤含水量数据在不同阶段上建立回归模型，分析不同模型的变化规律，计算田间持水量并与环刀法作对比，经田间试验验证明确进一步的研究方向。

2) 试验结果表明：在模拟土壤体积含水量变化过程中，土壤水分丢失主要受到蒸发和下渗因素的影响，不同观测阶段上拟合土壤水分曲线的相关系数R2大于0.99，表明各阶段内观测天数对土壤体积含水量的影响极显著。而另一影响因子土壤表层相对温度差在时间序列上近似为一个常数，表明土壤表层相对温度差对土壤水分日丢失量的影响不显著。10 cm深度和20 cm深度的田间持水量分别位于各层土壤水分曲线的第15天和第12天，该处的土壤含水量对比环刀法真实值的误差范围是[0.1，0.7]，使用二次回归模型计算的误差是[0.05，0.39]，表明使用二次回归模型计算田间持水量的误差可缩小一半，具有更高精度。

3) 研究提出的基于土壤多参数监测系统测定田间持水量的试验方法，测定结果满足田间管理需求，可以作为土壤监测设备新应用的参考。经系统部署验证，在复杂的农田环境下还应建立更高精度的估算模型，且降雨后浅层的土壤含水量可达到田间持水量，深层的土壤含水量较难达到田间持水量，在作物根系发达且急需水的阶段还应进行相应灌溉，为农业节水灌溉提供新的监测手段。