TDR土壤水分在线监测仪器在南京地区应用研究

曹子聪 徐海峰

(水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012)

南京位于长江下游中部地区，江苏省西南部，是国家区域中心城市，属亚热带季风气候，雨量充沛，年降水1200mm，四季分明，年平均温度15.4℃，年极端气温最高43℃，最低-14℃，年平均降水量1106mm。春季风和日丽；梅雨时节，又阴雨绵绵；夏季炎热，秋天干燥凉爽；冬季寒冷、干燥。南京位于我国东部季风区，地处长江流域下游，人口众多，经济发达，城市化水平高，素有“火炉”之称[1]，因此易发干旱。由于人工取土监测方法费时费力，在人员不足以及相对偏远的地区无法做到及时高效地获得土壤含水量数据，因此土壤水分自动监测就十分必要。

现有的土壤墒情自动监测站所使用的绝大部分为频域反射法(FDR)仪器[2,3]，在数年的监测中发现，其监测数据不准确，与人工取土烘干法相比较存在数据误差较大的问题[4]，所以为满足土壤水分自动化监测的需要，引入准确度更高的时域反射法(TDR)仪器就显得尤为重要，且近年来国产TDR技术日趋成熟和稳定[5]，并在全国部分地区也进行了小范围的应用。为了验证TDR在线土壤水分监测仪器在南京地区的适用情况，也为了进一步研究提供数据基础，本课题在江苏省南京市安装国产自研TDR土壤水分在线监测仪器与进口FDR土壤水分在线监测仪器各1套，2021年7月15日—9月15日进行了2种仪器之间的数据准确度对比研究。

1 材料与方法

南京实验站位于江苏省南京市(E118°22′，N31°14′)，属亚热带季风气候，站内土壤pH值6.8，黏粒含量(土粒直径<0.002mm)25.1%，容重1.38±0.03g·cm-3，属于粉砂壤土，在建站以前种植林木。TDR土壤水分在线监测仪器于2021年5月安装于江苏省南京市水利部南京水利水文自动化研究所院内，同时在站内安装FDR土壤水分传感器(FDR)作为对比，并于当年6月1日同时开始上报数据，并于2021年7月15日—9月15日对NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)与HYRAPROBE型插针式土壤水分传感器(FDR)进行了人工数据对比试验。

1.1 仪器选用

本项目选取水利部南京水利水文自动化研究所自主研发生产的NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)1套。该产品为在线式时域反射法(TDR)土壤水分自动监测系统，具有精度高、抗干扰因素小的特点，在体积含水率低于60%，容重在0.9～1.6g·cm-3的土壤,可以不经过调试直接安装使用。另外选取美国某公司生产的HYRAPROBE型插针式土壤水分传感器(FDR)在位于NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)1m的位置安装。传感器安装深度为10cm和20cm。2个传感器均可自动上报监测数据，上报频率均为1h。

1.2 比测试验

2021年7月15日—9月15日，在每周四10∶00整读取FDR和TDR上报的土壤含水量数据并记录。同时在实验站内传感器周边使用环刀法(环刀体积100cm3)人工取土，并将取得的土壤样品烘干测量土壤体积含水量，取土深度为10cm和20cm，3个重复，取平均值作为此深度的体积含水量。

2 结果与分析

2021年7月15日—9月15日，共取土壤样品10次，并烘干获得其体积含水量，通过表1可以看出，从2021年7月15日—9月15日，共获得10组人工取土烘干法得出的土壤体积含水量数据，其中10cm土层体积含水量在15.55%～26.74%，20cm土层体积含水量在14.23%～25.22%。表1中FDR传感器上报的10cm土层的机测土壤体积含水量数据有70%小于人工烘干数据，有30%大于人工烘干数据，其两者差值的绝对值在0.87%～6.52%，其中差值的绝对值在4.00%以内的数据4组，差值的绝对值大于4.00%的数据6组，符合规范要求的数据比例为40%，达不到土壤墒情监测规范[6]要求的准确度误差在±4%的数据比例占总监测数据80%的要求；20cm土层机测土壤体积含水量数据有80%小于人工烘干数据，有20%大于人工烘干数据，其两者差值的绝对值在0.87%～6.13%，其中差值的绝对值在4.00%以内的数据3组，差值的绝对值大于4.00%的数据7组，符合规范要求的数据比例为30%，达不到土壤墒情监测规范[6]要求的准确度误差在±4%的数据比例占总监测数据80%的要求；综合10cm土层和20cm土层的数据准确度，总体数据合格率为35%，也达不到达不到土壤墒情监测规范[6]要求的准确度误差在±4%的数据比例占总监测数据80%的要求。其中FDR传感器测量的数据总体合格率不高的原因是FDR传感器自身对土壤电导率、土壤含盐量变化较为敏感，且传感器周围土壤在干湿交替的过程中物理和化学性质发生变化，从而使得传感器与土壤的接触方式和空间位置发生了一定的改变，导致仪器所测得的频率发生相应的变化，结果导致测得的土壤体积含水量误差较大。

表2为NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)上报的10cm和20cm土壤的机测土壤体积含水量数据与人工烘干数据相比，10cm土层两者差值的绝对值在0.01%～3.62%，其中差值的绝对值在4.00%以内的数据10组，差值的绝对值大于4.00%的数据0组，符合规范要求的数据比例为100%，达到了土壤墒情监测规范[6]要求的准确度误差在±4%的数据比例占总监测数据80%的要求；20cm土层两者差值的绝对值在0.01%～5.18%，其中差值的绝对值在4.00%以内的数据9组，差值的绝对值大于4.00%的数据1组，符合规范要求的数据比例为90%，达到了土壤墒情监测规范[6]要求的准确度误差在±4%的数据比例占总监测数据80%的要求；综合10cm和20cm的机测数据总体数据合格率为95%，达到了土壤墒情监测规范[6]要求的准确度误差在±4%的数据比例占总监测数据80%的要求。

表1 烘干法与FDR测试数据

表2 烘干法与TDR测试数据

综合表1和表2获得的FDR传感器和NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)上报数据与人工取土法获得的墒情数据发现,FDR传感器上报的10cm土层数据合格率为40%，20cm土层数据合格率为30%，总体合格率仅为35%，不能达到土壤墒情监测规范[7]要求，属于无法正常使用的数据，无法满足正常生产的需要；而NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)上报的10cm土层数据合格率为100%，20cm土层数据合格率为90%，总体合格率为95%，满足土壤墒情监测规范[6]要求，可以满足日常农业生产以及水文气象等行业的日常需求，在南京地区有取代FDR传感器作为自动土壤水分监测的潜力。

3 结语

历时2个月，通过对南京市水利部南京水利水文自动化研究所院内安装的FDR传感器和NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)进行了人工数据对比试验，结论如下。

FDR传感器测量的土壤体积含水量与人工取土烘干法数据相比准确度相差较大，且仅35%的数据在±4%的范围内，达不到土壤墒情监测规范[6]要求的准确度误差在±4%的数据比例占总监测数据80%的要求。

NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)测量的土壤体积含水量与人工取土烘干法数据相比，95%的数据符合土壤墒情监测规范[6]要求，取得了很好的室外土壤含水量长期监测的效果。

本研究说明NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)，安装在南京市水利部南京水利水文自动化研究所院内，未经调整，其测量的土壤含水量数据及时准确，其在江苏南京地区的应用效果要远超FDR传感器。

本研究由于时间和经费的限制在南京地区仅安装了1个站点、2种型号的土壤含水量传感器，在将来还需要更多地安装使用NSY-TDR-1型土壤水分在线监测仪器(TDR)，以期获得更多的实验数据来验证TDR土壤水分在线监测仪器在本地区的适应性和实用性。