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[摘 要] GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪利用FDR原理，根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的频率不同，反演出土壤容积含水量。介绍了FDR系统的测量原理、测量方法。并对用FDR 法和重量法测得的土壤水含量观测值进行比较，结果表明随着土壤深度和测量时间的变化，FDR方法的土壤水含量观测值的时空变化和重量法具有相同的趋势，FDR 法测定的平均误差为5.13 % 。并对实际测量结果进行了校正,可以作为FDR校正的参考。总之,用FDR法测定土壤含水量与传统的烘干称重法是同样可靠的。
[关键词] GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪 FDR 法 重量法 土壤含水量 比较
土壤水分的动态变化反映了作物的水分供需状况。对土壤水分及其变化的监测是生态、农业、水文、环境和水土保持工研究工作中的一个基础工作。因此,快速、准确地测定土壤含水量对农业生产、土壤墒情监测、预测和其他相关生态环境监测预测服务及理论都具有十分重要的意义。为了提高观测质量和农业气象观测现代化水平，陕西省气象局于2008年9月在秦都区气象局布设了一套GStar-Ⅰ型频域反射土壤水分自动监测仪（FDR），开展土壤墒情动态连续自动观测业务。
土壤水分的测量有多种方法,一是直接测量土壤的重量含水量和容积含水量,如烘干称重法[1]、中子仪法、测量土壤传导性的各种方法TDR、FDR 等, 另一类是测量土壤的基质势, 如张力仪法、电阻块法、干湿计法等。FDR 频域反射仪几乎具有TDR 的所有优点,方便、快速、不扰动土壤, 可在同一地点进行多次测量, 而且具有更广的工作频率范围,测量水分的范围宽, 不受滞后影响, 准确性不受测量时间精度的影响,还可与自动记录系统和计算机连接,被越来越多地用于自动、连续地定点监测土壤的动态含水量。
1 GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪测定土壤含水量的原理
GStar-Ⅰ型频域反射土壤水分自动监测仪（FDR）传感器[2]是基于电容原理的嵌入式单片机技术设计的，检测电容是传感器的敏感元件，传感器周围水分的变化引起圆环电容的介质变化，于是电容值就会改变，从而引起LC振荡器的振荡频率变化，传感器把高频信号变换后输出到单片机，单片机根据建立的数学模型和当地土壤状态等相关系数，进行计数、转换、修正等处理，计算出当前土壤水分。
2 基本资料与分析方法
对比分析试验于秦都气象局农业气象观测的固定地段进行。所用资料取自2008年10月～2009年10月的GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪（FDR）与人工取样利用传统的烘干称重法同步测定的土壤水分含水量资料。监测仪与人工值均取自地表下10cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60cm、80cm、100 cm数据。选取全年春夏秋冬四季有代表月份的2008 年上、中旬及2009年2月上旬（代表冬季，不连续选取是由于浅层土壤有冻土生成）、4月（代表春季）、7月（代表夏季）、10月（代表秋季）月共12旬的96对数据。
具体分析方法是：在代表月份的上、中、下旬进行定时人工取土，采用烘干称重法测定土壤的重量含水量（θm），GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪（FDR）测定的是土壤容积含水量（θv），它们之间的换算关系是：，其中ρm为土壤容重。对两种方法测定的土壤含水量进行对比分析，以重量法为基准,计算相对误差。
3 分析结果
用WG 表示重量法测得的土壤含水量, WF 表示FDR 法测得的土壤含水量。从各个层次比较重量法和FDR法测定的土壤含水量，表明40cm以上层次的WG > WF ，40CM以下的层次WG < WF 。由浅层到深层选取40cm、100cm作为代表层，分析各层次用两种方法测定的土壤含水量随季节变化的趋势，见图1。
图1 用两种方法测定40cm、100cm的土壤含水量随季节变化的趋势
通过图1可以看出，用两种方法测定的土壤含水量随季节变化的趋势基本一致。浅层的土壤含水量受季节变化的影响较大，夏季日照强烈，蒸发较快，谷值出现在夏季；秋季雨水充沛，峰值出现在秋季；春冬两季相对比较稳定。深层的土壤含水量受季节变化的影响较小。
由于重量法的测定误差很小,被认为是测定土壤含水量的标准方法 。所以,以重量法为基准,计算公式如下式: ,结果见表1。并对FDR 法的可靠性做出评价。
表1 FDR法测定土壤含水量的误差 E(%)
从表1可以看出,FDR法的测定误差在0.45 %～14.06%之间,平均值为5.13%. 其土壤水分测定值无论随土壤层次还是测定时间的变化,其变化趋势均与重量法大致相同。由此可见,用FDR 法测定土壤含水量与用传统的烘干称重法是同样可靠的。
4 FDR法测定值的校正
一般认为,传统的烘干称重法测得的土壤土壤含水量是可信的,可以作为其他土壤含水量测量方法的校正标准。因此,在校正中用烘干称重法测得的土壤水分值作为标准值,与FDR 测定值共96 对数据对,进行回归分析[3]。重量法与FDR 测定值之间的相关系数R = 0. 9587 , 自由度f = n - 1 =95 , 经检验α < 0. 001 , 达到极显著相关水平。回归分析结果如图2所示，校正方程为:
其中, y为重量法测得的土壤含水量, x为FDR测定值, R2为模型拟合优度。R2= 0.9191说明校正以后的土壤水分值与采用传统的烘干称重法测得的值相符,能很好地反映实地土壤水分的状况,说明系统的运行和获得的结果是可靠的。
从校正结果来看[4], FDR 的土壤校正简单,在测量范围内近似线性输出,相对于校正过程复杂而繁琐的其它测量系统而言,是一个显著的优势。
图2 FDR 测量值的校正结果
5 讨论与结论
重量法虽然被认为是测定土壤含水量较准确的方法之一,但它不能进行土壤水分的原位测定,给试验者带来一定的不便。测定误差的主要来源是土壤湿度的空间变异[5] (位置因素)或质地的不均匀，人为因素等。
FDR法和重量法相比也存在一定的误差，其测定值受到电极附近土壤孔隙和水分的影响 ,探头、探管、土壤三者是否接触良好等因素。仪器因素和标定因素在大多数情况下所带来的误差占总误差的比例很小,并且可以通过采取一定的措施来减小这些误差 ，安装土壤水分监测仪之前，对当地的土壤常数必须准确测定 。FDR能同时进行多个土壤剖面的水分测量，能获得土壤水分变化的连续曲线,能灵敏地反映土壤水分的变化;具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。尤其是测量土壤含水量的工作量极大,若要反映精细的时间尺度土壤含水量的变化,烘干称重法几乎不可能实现,而且烘干称重法取样破坏土壤也会带来误差,妨碍工作的持续开展。
参考文献:
[1] 陈家宙,陈明亮,何圆球.各具特色的当代土壤水分测量技术[J]. 湖北农业学,2001, 3:25-28.
[2] GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪安装使用说明书[M].河南：河南省气象科学研究所,2008.
[3] 黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].第3版.北京：气象出版社，2004：28-36.
[4] 郭卫华,李波,张新时,王仁卿.FDR 系统在土壤水分连续动态监测中的应用[J]. 干旱区研究,2003，20（4）：40-45.
[5] 王贵彦, 史秀捧, 张建恒, 梁卫理.TDR 法、中子法、重量法测定土壤含水量的比较研究[J].河北农业大学学报，2000，23（3）39-44.
[关键词] GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪 FDR 法 重量法 土壤含水量 比较
土壤水分的动态变化反映了作物的水分供需状况。对土壤水分及其变化的监测是生态、农业、水文、环境和水土保持工研究工作中的一个基础工作。因此,快速、准确地测定土壤含水量对农业生产、土壤墒情监测、预测和其他相关生态环境监测预测服务及理论都具有十分重要的意义。为了提高观测质量和农业气象观测现代化水平，陕西省气象局于2008年9月在秦都区气象局布设了一套GStar-Ⅰ型频域反射土壤水分自动监测仪（FDR），开展土壤墒情动态连续自动观测业务。
土壤水分的测量有多种方法,一是直接测量土壤的重量含水量和容积含水量,如烘干称重法[1]、中子仪法、测量土壤传导性的各种方法TDR、FDR 等, 另一类是测量土壤的基质势, 如张力仪法、电阻块法、干湿计法等。FDR 频域反射仪几乎具有TDR 的所有优点,方便、快速、不扰动土壤, 可在同一地点进行多次测量, 而且具有更广的工作频率范围,测量水分的范围宽, 不受滞后影响, 准确性不受测量时间精度的影响,还可与自动记录系统和计算机连接,被越来越多地用于自动、连续地定点监测土壤的动态含水量。
1 GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪测定土壤含水量的原理
GStar-Ⅰ型频域反射土壤水分自动监测仪（FDR）传感器[2]是基于电容原理的嵌入式单片机技术设计的，检测电容是传感器的敏感元件，传感器周围水分的变化引起圆环电容的介质变化，于是电容值就会改变，从而引起LC振荡器的振荡频率变化，传感器把高频信号变换后输出到单片机，单片机根据建立的数学模型和当地土壤状态等相关系数，进行计数、转换、修正等处理，计算出当前土壤水分。
2 基本资料与分析方法
对比分析试验于秦都气象局农业气象观测的固定地段进行。所用资料取自2008年10月～2009年10月的GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪（FDR）与人工取样利用传统的烘干称重法同步测定的土壤水分含水量资料。监测仪与人工值均取自地表下10cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60cm、80cm、100 cm数据。选取全年春夏秋冬四季有代表月份的2008 年上、中旬及2009年2月上旬（代表冬季，不连续选取是由于浅层土壤有冻土生成）、4月（代表春季）、7月（代表夏季）、10月（代表秋季）月共12旬的96对数据。
具体分析方法是：在代表月份的上、中、下旬进行定时人工取土，采用烘干称重法测定土壤的重量含水量（θm），GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪（FDR）测定的是土壤容积含水量（θv），它们之间的换算关系是：，其中ρm为土壤容重。对两种方法测定的土壤含水量进行对比分析，以重量法为基准,计算相对误差。
3 分析结果
用WG 表示重量法测得的土壤含水量, WF 表示FDR 法测得的土壤含水量。从各个层次比较重量法和FDR法测定的土壤含水量，表明40cm以上层次的WG > WF ，40CM以下的层次WG < WF 。由浅层到深层选取40cm、100cm作为代表层，分析各层次用两种方法测定的土壤含水量随季节变化的趋势，见图1。
图1 用两种方法测定40cm、100cm的土壤含水量随季节变化的趋势
通过图1可以看出，用两种方法测定的土壤含水量随季节变化的趋势基本一致。浅层的土壤含水量受季节变化的影响较大，夏季日照强烈，蒸发较快，谷值出现在夏季；秋季雨水充沛，峰值出现在秋季；春冬两季相对比较稳定。深层的土壤含水量受季节变化的影响较小。
由于重量法的测定误差很小,被认为是测定土壤含水量的标准方法 。所以,以重量法为基准,计算公式如下式: ,结果见表1。并对FDR 法的可靠性做出评价。
表1 FDR法测定土壤含水量的误差 E(%)
从表1可以看出,FDR法的测定误差在0.45 %～14.06%之间,平均值为5.13%. 其土壤水分测定值无论随土壤层次还是测定时间的变化,其变化趋势均与重量法大致相同。由此可见,用FDR 法测定土壤含水量与用传统的烘干称重法是同样可靠的。
4 FDR法测定值的校正
一般认为,传统的烘干称重法测得的土壤土壤含水量是可信的,可以作为其他土壤含水量测量方法的校正标准。因此,在校正中用烘干称重法测得的土壤水分值作为标准值,与FDR 测定值共96 对数据对,进行回归分析[3]。重量法与FDR 测定值之间的相关系数R = 0. 9587 , 自由度f = n - 1 =95 , 经检验α < 0. 001 , 达到极显著相关水平。回归分析结果如图2所示，校正方程为:
其中, y为重量法测得的土壤含水量, x为FDR测定值, R2为模型拟合优度。R2= 0.9191说明校正以后的土壤水分值与采用传统的烘干称重法测得的值相符,能很好地反映实地土壤水分的状况,说明系统的运行和获得的结果是可靠的。
从校正结果来看[4], FDR 的土壤校正简单,在测量范围内近似线性输出,相对于校正过程复杂而繁琐的其它测量系统而言,是一个显著的优势。
图2 FDR 测量值的校正结果
5 讨论与结论
重量法虽然被认为是测定土壤含水量较准确的方法之一,但它不能进行土壤水分的原位测定,给试验者带来一定的不便。测定误差的主要来源是土壤湿度的空间变异[5] (位置因素)或质地的不均匀，人为因素等。
FDR法和重量法相比也存在一定的误差，其测定值受到电极附近土壤孔隙和水分的影响 ,探头、探管、土壤三者是否接触良好等因素。仪器因素和标定因素在大多数情况下所带来的误差占总误差的比例很小,并且可以通过采取一定的措施来减小这些误差 ，安装土壤水分监测仪之前，对当地的土壤常数必须准确测定 。FDR能同时进行多个土壤剖面的水分测量，能获得土壤水分变化的连续曲线,能灵敏地反映土壤水分的变化;具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。尤其是测量土壤含水量的工作量极大,若要反映精细的时间尺度土壤含水量的变化,烘干称重法几乎不可能实现,而且烘干称重法取样破坏土壤也会带来误差,妨碍工作的持续开展。
参考文献:
[1] 陈家宙,陈明亮,何圆球.各具特色的当代土壤水分测量技术[J]. 湖北农业学,2001, 3:25-28.
[2] GStar-Ⅰ型土壤水分监测仪安装使用说明书[M].河南：河南省气象科学研究所,2008.
[3] 黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].第3版.北京：气象出版社，2004：28-36.
[4] 郭卫华,李波,张新时,王仁卿.FDR 系统在土壤水分连续动态监测中的应用[J]. 干旱区研究,2003，20（4）：40-45.
[5] 王贵彦, 史秀捧, 张建恒, 梁卫理.TDR 法、中子法、重量法测定土壤含水量的比较研究[J].河北农业大学学报，2000，23（3）39-44.