孫立等

摘要[目的] 探討TDR測(cè)定土壤含水量的原理，找出TDR測(cè)量土壤含水量的適合范圍。[方法] 用波蘭TDR/MUX/mpts水分測(cè)定儀，對(duì)不同濕度土樣的體積含水量進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)用烘干法和環(huán)刀法分別測(cè)量其質(zhì)量含水量和容重，然后轉(zhuǎn)化成體積含水量與TDR的測(cè)量值進(jìn)行比較。[結(jié)果] 對(duì)于質(zhì)量含水量為0～5%之間的干燥土壤和質(zhì)量含水量為22%以上的濕潤(rùn)土壤，TDR的測(cè)量精度較低。與烘干法相比，絕對(duì)誤差均大于2%，相對(duì)誤差大于10%。對(duì)于質(zhì)量含水量為5%～22%之間的土壤，TDR的測(cè)量精度較高。[結(jié)論] 在濕潤(rùn)或半濕潤(rùn)地區(qū)，TDR法測(cè)量土壤體積含水量有較高的精度。

關(guān)鍵詞TDR；濕度；土壤含水量；精度

中圖分類號(hào)S152.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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

土壤水分是作物生長(zhǎng)的要素之一，對(duì)于作物的生理活動(dòng)起著至關(guān)重要的作用[1]。而土壤含水量的測(cè)定方法眾多，如烘干稱重法、中子儀法（NP）、γ射線法等[2]。但是，這些方法大多比較繁瑣，所以人們發(fā)明了時(shí)域反射儀（TDR）法。TDR法是新近發(fā)展起來(lái)的測(cè)定土壤含水量的方法，具有測(cè)定快速、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并且可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的目的，很快被人們所接受。Topp等[3-4]使用TDR對(duì)不同類型土壤的介電常數(shù)進(jìn)行大量測(cè)定，建立了土壤介電常數(shù)與土壤體積含水量的關(guān)系，證明介電常數(shù)與許多土壤類型的土壤含水量之間具有較好的相關(guān)性。這為采用TDR測(cè)定土壤含水量奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)TDR 技術(shù)。目前，在我國(guó)應(yīng)用較廣泛的TDR系統(tǒng)有美國(guó)Soilmoisture Equipment Corp生產(chǎn)的Trase系統(tǒng)和波蘭EasyTest Ltd生產(chǎn)的TDR/MUX/mpts系統(tǒng)[5-8]。

用TDR/MUX/mpts系統(tǒng)，可以快速地測(cè)定土壤的體積含水量。但是，在不同土壤濕度條件下，TDR測(cè)定土壤含水量的精度分析方面的研究較少。該研究使用波蘭TDR/MUX/mpts水分測(cè)定儀，對(duì)不同濕度土樣的體積含水量進(jìn)行了測(cè)定。烘干法被認(rèn)為是測(cè)定土壤水分含量的標(biāo)準(zhǔn)方法[9]，所以用烘干法對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行校正。該研究成果對(duì)進(jìn)一步研究TDR測(cè)量土壤含水量的精度研究具有一定的參考價(jià)值。

1材料與方法

1.1TDR測(cè)量原理用時(shí)域反射技術(shù)測(cè)定土壤水分含量，依據(jù)的是土壤的介電常數(shù)（K）隨土壤含水量的變化而有規(guī)律地發(fā)生變化這一原則。水的介電常數(shù)為80 （20 ℃），而土壤固體介電常數(shù)為3～7，空氣的介電常數(shù)為1。水的介電常數(shù)比空氣或土壤的介電常數(shù)大得多，因此土壤的介電常數(shù)主要受到土壤水分含量的影響。通過(guò)測(cè)量土壤介電常數(shù)，推測(cè)土壤含水量（θ）。根據(jù)Topp等[3]研究，土壤的介電常數(shù)與土壤的容積含水量之間的關(guān)系可以很好地表達(dá)為：

在室內(nèi)常溫條件下，用TDR分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1～10號(hào)土樣的體積含水量，將其與烘干法測(cè)量的質(zhì)量含水量轉(zhuǎn)換后的體積含水量進(jìn)行相關(guān)分析。從圖3可以看出，TDR測(cè)量土壤含水量的過(guò)程是比較穩(wěn)定的，但還是有細(xì)微的波動(dòng)。這可能是由儀器本身的系統(tǒng)誤差所致的。從圖4可以看出，TDR法和烘干法測(cè)量結(jié)果的R2值為0.97，具有很好的相關(guān)關(guān)系。但是，當(dāng)土壤特別干燥或特別濕潤(rùn)時(shí)，TDR測(cè)量值偏大，反之，TDR測(cè)量值偏小。

圖3TDR測(cè)量體積含水量圖4TDR法與烘干法測(cè)量值對(duì)比分析3結(jié)論

通過(guò)TDR/MUX/mpts水分測(cè)定儀對(duì)不同濕度土壤進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)用烘干法測(cè)量相同土樣的質(zhì)量含水量，轉(zhuǎn)換成體積含水量后對(duì)比兩者的結(jié)果并進(jìn)行分析。時(shí)域反射儀法是速測(cè)土壤水分常用的方法之一。該方法具有快速、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但其使用有一定的局限性。當(dāng)土壤特別干燥時(shí)，由于土壤間空隙較大，TDR測(cè)量精度低，因此在一些干旱地區(qū)不便于推廣應(yīng)用。在濕潤(rùn)或半濕潤(rùn)地區(qū)，TDR法測(cè)量土壤體積含水量有較高的精度。該研究表明，當(dāng)沙壤土含水量介于5%～22%之間時(shí)，將測(cè)量結(jié)果與烘干法進(jìn)行對(duì)比，絕對(duì)誤差在2%以內(nèi)，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，用TDR測(cè)量得到的土壤含水量精度較高。

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