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摘要[目的] 探讨TDR测定土壤含水量的原理，找出TDR测量土壤含水量的适合范围。[方法] 用波兰TDR/MUX/mpts水分测定仪，对不同湿度土样的体积含水量进行测定，同时用烘干法和环刀法分别测量其质量含水量和容重，然后转化成体积含水量与TDR的测量值进行比较。[结果] 对于质量含水量为0～5%之间的干燥土壤和质量含水量为22%以上的湿润土壤，TDR的测量精度较低。与烘干法相比，绝对误差均大于2%，相对误差大于10%。对于质量含水量为5%～22%之间的土壤，TDR的测量精度较高。[结论] 在湿润或半湿润地区，TDR法测量土壤体积含水量有较高的精度。
关键词TDR；湿度；土壤含水量；精度
中图分类号S152.7文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04279-03
A Comparative Study of Soil Moisture Measurement Accuracy under Different Humidity Using TDR
SUN Li，DONG Xiaohua et al（College of Hydraulic and Environment， China Three Gorges University， Yichang， Hubei 443000）
Abstract [Objective] The research aimed to study the principle of TDR measurement of soil moisture，and find out the suitable range of the determination of soil moisture. [Method] With Poland TDR/MUX/mpts moisture analyzer， the volumetric water content of soil samples was measured under different humidity in Yichang. With the drying method and the ring knife method， the quality of the soil water content and dry density of the same soil samples were measured respectively， then transferred into a volumetric water content and compared with the accuracy of the results using TDR. [Result] For dry soil whose quality of the soil water content was 0-5% and humid soil whose quality of the soil water content was above 22%， TDR measurement precision was low. Compared with the drying method， the absolute error was greater than 2%， and the relative error was greater than 10%. For the soil whose quality of the soil water content was 5%-22%， TDR measurement precision was high. [Conclusion] At moist or semihumid area， the determination of soil volumetric water content with TDR method had a higher precision.
Key words TDR； Humidity； Soil moisture； Accuracy
土壤水分是作物生长的要素之一，对于作物的生理活动起着至关重要的作用[1]。而土壤含水量的测定方法众多，如烘干称重法、中子仪法（NP）、γ射线法等[2]。但是，这些方法大多比较繁琐，所以人们发明了时域反射仪（TDR）法。TDR法是新近发展起来的测定土壤含水量的方法，具有测定快速、使用方便等优点，并且可实现数据自动采集的目的，很快被人们所接受。Topp等[3-4]使用TDR对不同类型土壤的介电常数进行大量测定，建立了土壤介电常数与土壤体积含水量的关系，证明介电常数与许多土壤类型的土壤含水量之间具有较好的相关性。这为采用TDR測定土壤含水量奠定了基础。我国从20世纪90年代开始引进TDR 技术。目前，在我国应用较广泛的TDR系统有美国Soilmoisture Equipment Corp生产的Trase系统和波兰EasyTest Ltd生产的TDR/MUX/mpts系统[5-8]。
用TDR/MUX/mpts系统，可以快速地测定土壤的体积含水量。但是，在不同土壤湿度条件下，TDR测定土壤含水量的精度分析方面的研究较少。该研究使用波兰TDR/MUX/mpts水分测定仪，对不同湿度土样的体积含水量进行了测定。烘干法被认为是测定土壤水分含量的标准方法[9]，所以用烘干法对研究结果进行校正。该研究成果对进一步研究TDR测量土壤含水量的精度研究具有一定的参考价值。
1材料与方法
1.1TDR测量原理用时域反射技术测定土壤水分含量，依据的是土壤的介电常数（K）随土壤含水量的变化而有规律地发生变化这一原则。水的介电常数为80 （20 ℃），而土壤固体介电常数为3～7，空气的介电常数为1。水的介电常数比空气或土壤的介电常数大得多，因此土壤的介电常数主要受到土壤水分含量的影响。通过测量土壤介电常数，推测土壤含水量（θ）。根据Topp等[3]研究，土壤的介电常数与土壤的容积含水量之间的关系可以很好地表达为： 在室内常温条件下，用TDR分别实时监测1～10号土样的体积含水量，将其与烘干法测量的质量含水量转换后的体积含水量进行相关分析。从图3可以看出，TDR测量土壤含水量的过程是比较稳定的，但还是有细微的波动。这可能是由仪器本身的系统误差所致的。从图4可以看出，TDR法和烘干法测量结果的R2值为0.97，具有很好的相关关系。但是，当土壤特别干燥或特别湿润时，TDR测量值偏大，反之，TDR测量值偏小。
图3TDR测量体积含水量图4TDR法与烘干法测量值对比分析3结论
通过TDR/MUX/mpts水分测定仪对不同湿度土壤进行测量，同时用烘干法测量相同土样的质量含水量，转换成体积含水量后对比两者的结果并进行分析。时域反射仪法是速测土壤水分常用的方法之一。该方法具有快速、使用方便等优点，但其使用有一定的局限性。当土壤特别干燥时，由于土壤间空隙较大，TDR测量精度低，因此在一些干旱地区不便于推广应用。在湿润或半湿润地区，TDR法测量土壤体积含水量有较高的精度。该研究表明，当沙壤土含水量介于5%～22%之间时，将测量结果与烘干法进行对比，绝对误差在2%以内，相对误差在10%以内。在此范围内，用TDR测量得到的土壤含水量精度较高。
参考文献
[1] 陈家宙，陈明亮，何圆球.各具特色的當代土壤水分测量技术[J].湖北农业科学，2001（3）：25- 28.
[2] 张学礼，胡振琪，初士立.土壤含水量测定方法研究进展[J].土壤通报，2005， 36（1）：118-123.
[3] TOPP G C，DAVIS J L，ANNAN A P. Electromagnetic determination of soil water content： measurement in coaxial transmission lines[J].Water Resourecs Research， 1980， 16：574-582.
[4] TOPP G C，DAVIS J L，ANNAN A P. Measurement of soil water content using timedomain reflectrometry （TDR）： Afield evaluation[J]. Soil Sci Soc Am，1985， 49（3）：19-24.
[5] 高国治.时域反射仪（TDR）测定红壤含水量的精度[J].土壤，1998（1）：48-50.
[6] 龚元石.TDR探针两种埋设方式下土壤水分的测定及其比较[J].农业工程学报，1997，13（2）：242-244.
[7] 张书函.时域反射仪的测量精度及其与中子仪的对比[J].西北农业大学学报，1996，24（3）：98-101.
[8] 姜小三，倪绍祥，潘剑君，等. 温度条件对TDR测定土壤水分的影响[J].江苏农业科学，2004，4（3）：102-104.
[9] 华孟.土壤物理学[M].北京：北京农业大学出版社，1993：44-50.
关键词TDR；湿度；土壤含水量；精度
中图分类号S152.7文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04279-03
A Comparative Study of Soil Moisture Measurement Accuracy under Different Humidity Using TDR
SUN Li，DONG Xiaohua et al（College of Hydraulic and Environment， China Three Gorges University， Yichang， Hubei 443000）
Abstract [Objective] The research aimed to study the principle of TDR measurement of soil moisture，and find out the suitable range of the determination of soil moisture. [Method] With Poland TDR/MUX/mpts moisture analyzer， the volumetric water content of soil samples was measured under different humidity in Yichang. With the drying method and the ring knife method， the quality of the soil water content and dry density of the same soil samples were measured respectively， then transferred into a volumetric water content and compared with the accuracy of the results using TDR. [Result] For dry soil whose quality of the soil water content was 0-5% and humid soil whose quality of the soil water content was above 22%， TDR measurement precision was low. Compared with the drying method， the absolute error was greater than 2%， and the relative error was greater than 10%. For the soil whose quality of the soil water content was 5%-22%， TDR measurement precision was high. [Conclusion] At moist or semihumid area， the determination of soil volumetric water content with TDR method had a higher precision.
Key words TDR； Humidity； Soil moisture； Accuracy
土壤水分是作物生长的要素之一，对于作物的生理活动起着至关重要的作用[1]。而土壤含水量的测定方法众多，如烘干称重法、中子仪法（NP）、γ射线法等[2]。但是，这些方法大多比较繁琐，所以人们发明了时域反射仪（TDR）法。TDR法是新近发展起来的测定土壤含水量的方法，具有测定快速、使用方便等优点，并且可实现数据自动采集的目的，很快被人们所接受。Topp等[3-4]使用TDR对不同类型土壤的介电常数进行大量测定，建立了土壤介电常数与土壤体积含水量的关系，证明介电常数与许多土壤类型的土壤含水量之间具有较好的相关性。这为采用TDR測定土壤含水量奠定了基础。我国从20世纪90年代开始引进TDR 技术。目前，在我国应用较广泛的TDR系统有美国Soilmoisture Equipment Corp生产的Trase系统和波兰EasyTest Ltd生产的TDR/MUX/mpts系统[5-8]。
用TDR/MUX/mpts系统，可以快速地测定土壤的体积含水量。但是，在不同土壤湿度条件下，TDR测定土壤含水量的精度分析方面的研究较少。该研究使用波兰TDR/MUX/mpts水分测定仪，对不同湿度土样的体积含水量进行了测定。烘干法被认为是测定土壤水分含量的标准方法[9]，所以用烘干法对研究结果进行校正。该研究成果对进一步研究TDR测量土壤含水量的精度研究具有一定的参考价值。
1材料与方法
1.1TDR测量原理用时域反射技术测定土壤水分含量，依据的是土壤的介电常数（K）随土壤含水量的变化而有规律地发生变化这一原则。水的介电常数为80 （20 ℃），而土壤固体介电常数为3～7，空气的介电常数为1。水的介电常数比空气或土壤的介电常数大得多，因此土壤的介电常数主要受到土壤水分含量的影响。通过测量土壤介电常数，推测土壤含水量（θ）。根据Topp等[3]研究，土壤的介电常数与土壤的容积含水量之间的关系可以很好地表达为： 在室内常温条件下，用TDR分别实时监测1～10号土样的体积含水量，将其与烘干法测量的质量含水量转换后的体积含水量进行相关分析。从图3可以看出，TDR测量土壤含水量的过程是比较稳定的，但还是有细微的波动。这可能是由仪器本身的系统误差所致的。从图4可以看出，TDR法和烘干法测量结果的R2值为0.97，具有很好的相关关系。但是，当土壤特别干燥或特别湿润时，TDR测量值偏大，反之，TDR测量值偏小。
图3TDR测量体积含水量图4TDR法与烘干法测量值对比分析3结论
通过TDR/MUX/mpts水分测定仪对不同湿度土壤进行测量，同时用烘干法测量相同土样的质量含水量，转换成体积含水量后对比两者的结果并进行分析。时域反射仪法是速测土壤水分常用的方法之一。该方法具有快速、使用方便等优点，但其使用有一定的局限性。当土壤特别干燥时，由于土壤间空隙较大，TDR测量精度低，因此在一些干旱地区不便于推广应用。在湿润或半湿润地区，TDR法测量土壤体积含水量有较高的精度。该研究表明，当沙壤土含水量介于5%～22%之间时，将测量结果与烘干法进行对比，绝对误差在2%以内，相对误差在10%以内。在此范围内，用TDR测量得到的土壤含水量精度较高。
参考文献
[1] 陈家宙，陈明亮，何圆球.各具特色的當代土壤水分测量技术[J].湖北农业科学，2001（3）：25- 28.
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[3] TOPP G C，DAVIS J L，ANNAN A P. Electromagnetic determination of soil water content： measurement in coaxial transmission lines[J].Water Resourecs Research， 1980， 16：574-582.
[4] TOPP G C，DAVIS J L，ANNAN A P. Measurement of soil water content using timedomain reflectrometry （TDR）： Afield evaluation[J]. Soil Sci Soc Am，1985， 49（3）：19-24.
[5] 高国治.时域反射仪（TDR）测定红壤含水量的精度[J].土壤，1998（1）：48-50.
[6] 龚元石.TDR探针两种埋设方式下土壤水分的测定及其比较[J].农业工程学报，1997，13（2）：242-244.
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[8] 姜小三，倪绍祥，潘剑君，等. 温度条件对TDR测定土壤水分的影响[J].江苏农业科学，2004，4（3）：102-104.
[9] 华孟.土壤物理学[M].北京：北京农业大学出版社，1993：44-50.