陳海波，陳 濤，胡錦濤，趙國強，師麗魁

（1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點實驗室,鄭州 450003；2.河南省氣象科學研究所,鄭州 450003；3.中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州 450047）

0 引 言

土壤水分是植物所需水分的重要來源，是土壤的重要參量，在農(nóng)業(yè)、氣象、水利和生態(tài)等領域的服務與研究工作中必不可少，土壤水分觀測為農(nóng)田節(jié)水抗旱提供了重要保障，及時掌握土壤水分分布情況和變化規(guī)律，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實時服務和理論研究具有重要意義。目前，國內(nèi)外自動土壤水分觀測的方法有很多種，其中利用土壤的介電特性來測量土壤含水量是一種科學、簡便且可靠的方法，F(xiàn)DR 頻域反射法和TDR（Time Domain Reflectometry）時域反射法都屬于基于土壤介電特性的土壤水分測量方法，并在農(nóng)業(yè)、水利等領域得到了廣泛應用[1,2]。我國氣象部門在各?。▍^(qū)、市）都建設了自動土壤水分觀測網(wǎng)絡，能提供實時土壤水分觀測服務，其中采用FDR 水分傳感器的設備布設2 000余套，在實際應用中發(fā)現(xiàn)，自動土壤水分觀測數(shù)據(jù)會隨著晝夜溫度變化而出現(xiàn)不同程度的日波動，而人工觀測數(shù)據(jù)并未有此類現(xiàn)象，通過對影響儀器觀測精度的各種原因進行分析發(fā)現(xiàn)，自動土壤水分觀測精度受溫度影響，并具有一定的相關性，通過溫度補償算法處理后，可降低由于地溫變化引起的土壤水分測量誤差。

當前，關于土壤水分測量傳感器和地溫測量傳感器的研究較多，在土壤溫度對土壤水分傳感器觀測影響并進行數(shù)據(jù)修正方面也有部分學者進行了研究，曹美[3]（2015年）、張健[4]（2018年）等在實驗室條件下進行了溫度對土壤水分影響的修正試驗，通過二元回歸法進行補償，測試數(shù)據(jù)可更接近真實值，但對土壤水分和地溫雙參數(shù)融合測量的傳感器研究并進行實地應用則較為少見，本文將FDR 技術和半導體測溫技術相結合，土壤水分測量基于FDR 高頻電子技術，通過測量土壤的介電常數(shù)實現(xiàn)對土壤水分的觀測，利用半導體測溫技術為土壤水分觀測儀增加了地溫測量要素，并在鄭州農(nóng)業(yè)氣象觀測試驗站的土壤水分試驗場安裝運行，進行土壤水分觀測的溫度補償試驗及驗證，以期提高自動土壤水分觀測儀的溫度適用性，降低土壤水分觀測精度受地溫變化的影響，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)研究等領域提供更為精準的數(shù)據(jù)支持。

1 測量原理

1.1 土壤水分測量原理

多年來，科研人員不斷探索土壤水分的自動觀測方法，Topp 等人提出土壤體積含水量與其相對介電常數(shù)之間存在著確定性的單值多項式關系，通過測量土壤的相對介電常數(shù)即可實現(xiàn)精確測定土壤的體積含水量[5,6]。

本文設計的土壤水分傳感器基于FDR 頻域反射原理工作，利用LC 振蕩電路產(chǎn)生的電磁波受到其周圍介質(zhì)變化的影響，振蕩頻率會隨之發(fā)生明顯的變化的現(xiàn)象，進行土壤水分的反演。在常溫（20 ℃）狀態(tài)下，空氣的介電常數(shù)為1，干土約3～7，純水為80.4，由此可見，在非凍土狀態(tài)下，土壤中水分含量的變化對整體介電常數(shù)影響最大，因此，利用此特性，通過大量對比試驗，進行對比標定，能對土壤水分進行精確測量。FDR 土壤水分傳感器由一對圓環(huán)狀極板構成，形成LC振蕩回路[7]，如圖1所示。

圖1 FDR土壤水分傳感器感應示意圖Fig.1 Schematic diagram of FDR soil moisture sensor sensing

傳感器工作時可產(chǎn)生振蕩信號，信號頻率變化范圍在100～150 MHz之間。振蕩頻率F為：

當土壤中水分含量發(fā)生變化時，土壤的介電特性也隨之會發(fā)生變化，即振蕩頻率公式中的土壤電容C發(fā)生變化，進而引起LC振蕩回路的頻率發(fā)生變化，傳感器在土壤中的振蕩頻率信號經(jīng)過分頻處理，再通過對比試驗得到的標定參數(shù)轉換，即可得到土壤體積含水量θv

[8]為：

式中：a、b 為待定參數(shù)；SF為土壤水分傳感器采集的信號經(jīng)處理后得到的歸一化頻率。

1.2 地溫測量原理

溫度是用來表征物體冷熱程度的物理量，地溫指的是土壤的溫度，它的變化主要受到氣溫、地熱、太陽輻射等因素的影響。土壤溫度可以通過與其接觸的物體隨溫度變化而表現(xiàn)出的一些特性（如電阻、膨脹系數(shù)等）來間接測量。目前應用較為廣泛的測溫方法為鉑（Pt）電阻法，它的阻值隨溫度的變化具有很好的規(guī)律性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性可制成鉑電阻溫度傳感器。本文試驗采用的土壤溫度傳感器為鉑電阻傳感器，具有測量精度高，穩(wěn)定性好，測量范圍廣等特點，鉑電阻溫度傳感器在零度時表現(xiàn)出的電阻值為100 Ω，隨著溫度的上下波動，其電阻的變化率約為1.385 1 Ω/℃[9]。

1.3 溫度補償原理

通過對土壤樣本在不同溫度下進行取樣烘干測量發(fā)現(xiàn)，土壤溫度的變化對土壤樣本含水量并無較大影響，但對土壤水分儀觀測數(shù)據(jù)則有一定影響，由土壤水分自動觀測原理可知，當土壤溫度發(fā)生變化時，土壤的相對介電常數(shù)發(fā)生了變化，從而導致FDR水分傳感器的振蕩頻率發(fā)生變化[3]。為降低溫度變化對土壤水分傳感器測量結果的影響，建立特定的溫度修正模型對傳感器振蕩頻率進行修正，可降低非凍土狀態(tài)下土壤溫度波動對土壤水分傳感器測量精度的影響。

2 系統(tǒng)設計

2.1 結構設計

由于采用填埋方式安裝的傳感器，維修或更換時需將土層挖開，操作較為復雜，因此，本文設計的傳感器采用插管式結構，可方便進行維護更換。傳感器由一個提環(huán)、一個異形槽、一個控制處理電路板（LY0105）和若干節(jié)傳感節(jié)點組成，傳感器結構為插桿多層式，傳感器外部使用PVC 保護套管，電磁波對PVC 材質(zhì)具有良好的穿透性，既能對傳感器進行有效保護，又不影響傳感器對套管外部土壤水分觀測，套管頂部有防水帽，底部有防水堵頭。圖2即為插管式土壤水分溫度傳感器上部的結構圖，傳感器的數(shù)量可根據(jù)測量需要進行調(diào)整，最多可安裝16 組，默認為8 組，每一組傳感器由兩個銅環(huán)電容、半導體溫度傳感器、電路板（LY0102）和片選電路板（LY0101）組成。傳感器外部為一下端密閉的PVC 保護套管，套管通過安裝工具緊密的垂直插入在土壤中[10,11]。

圖2 插管式土壤水分溫度傳感器結構圖Fig.2 Structure diagram of intubation type soil moisture temperature sensor

傳感器的圓環(huán)形電容外徑與套管內(nèi)徑相同，可以插入套管中并與管壁無縫緊密接觸。傳感器芯材為兩片拼接的圓柱型，在芯材上等間距開孔便可放入鉑電阻，維修時將傳感器拔出，打開拼接的芯材，即可維修或更換相應的鉑電阻傳感器[12,13]。電阻外部包裹材料為導熱性能好的金屬片并緊貼套管壁，鉑電阻與金屬片緊密接觸，可最大程度降低土壤溫度測量時因熱量傳導過慢引起的滯后性。

2.2 電路設計

插管式土壤水分溫度傳感器主要由控制處理單元、頻率采集單元、溫度采集單元、片選單元等四部分組成[14]。傳感器各部分組成如圖3所示。

圖3 插管式土壤水分溫度傳感器原理圖Fig.3 Schematic diagram of intubation soil moisture temperature sensor

控制處理單元板包括1 個CPU，1 個電源轉換單元，一個8路電子開關，1個4芯插座，1個20芯排線端子。CPU負責各種控制信號的控制、頻率溫度信號的處理計算、數(shù)據(jù)的存儲；1個電源轉換單元實現(xiàn)+12 V 到+5 V 轉換；1個8路電子開關接收CPU 的控制信號，實現(xiàn)對8 路頻率采集單元的分時供電。4芯插座接收上位機的+12 V 供電，實現(xiàn)控制處理單元與上位機的485 通訊；20 芯排線端子主要包括GND、+12 V、+5 V、8路分時供電控制信號端口、頻率信號端口和溫度信號端口。

2.3 設計指標

土壤水分和溫度傳感器采用模塊化設計，可任意組合，傳感器測量深度可根據(jù)需求確定，測量深度可為10 cm 倍數(shù)。傳感器測量的土壤水分分辨率為0.1%，經(jīng)標定后體積含水量誤差±5%；溫度測量范圍為-55～85 ℃，測量精度±0.5 ℃，能滿足農(nóng)業(yè)、水利、氣象等領域?qū)ν寥浪旨皽囟葴y量精度的要求[15,16]。

3 試驗與分析

3.1 實驗室測試

對土壤水分和溫度傳感器進行改造，為與外場試驗站點人工取土數(shù)據(jù)層次一致，傳感器的觀測層次設置為5層，在實驗室進行標準土柱法測試檢驗，利用200目石英砂和蒸餾水進行配比，制作模擬土壤樣本，通過專用工具壓制成標準土柱，如圖4所示，測量傳感器土壤水分觀測值，水分值選取烘干法為標準，器測值與烘干法對比結果見表1，體積含水量平均絕對誤差為2.01%，各層的絕對誤差均能夠控制在2.5%以內(nèi)。

表1 器測值與烘干法體積含水量絕對誤差Tab.1 The absolute error of the measured value of the instrument and the volumetric water content of the drying method

圖4 石英砂模擬土壤樣本Fig.4 Quartz sand simulated soil sample

溫度對比試驗在實驗室進行，利用高低溫檢測箱，設置多個標準溫度值對傳感器進行檢測，在每個溫度檢測點穩(wěn)定1 h，確保傳感器和檢測箱內(nèi)環(huán)境溫度一致，盡量降低由于熱量傳導引起的溫度滯后誤差。傳感器測量值與實驗室標準值對比結果見表2，設備測量值和標準值之間最大誤差在0.2 ℃以內(nèi)。

表2 溫度測量值與標準值對比Tab.2 Comparison of temperature measurement value and standard value

3.2 外場試驗

2018年1月至2019年5月，F(xiàn)DR自動土壤水分觀測儀的標定和結果驗證在鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗觀測站進行，該站位于113°39′E，34°43′N，海拔110.4 m，屬溫帶大陸性季風氣候，冷暖氣團交替頻繁，春夏秋冬四季分明，試驗區(qū)冬季干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多風；夏季比較炎熱，降水高度集中；秋季氣候涼爽，時間短促。該試驗站全年平均氣溫14.8 ℃，年平均降雨量641.3 mm，年日照時間約2 015.5 h，土壤類型為粉壤土（見表3）。本文使用的分析資料為人工觀測及FDR 自動觀測獲得的土壤水分數(shù)據(jù)。人工和傳感器所測土層深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40 和40～50 cm，共5層。試驗儀器安裝在大型水分試驗場，地表農(nóng)作物為冬小麥—夏玉米輪作。取樣點在傳感器安裝點2 m 開外呈圓環(huán)形均勻分布，每次取4 個重復并做好標記，以免在同一測定重復取樣。

表3 鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗觀測站不同土層土壤物理性質(zhì)Tab.3 Soil physical properties of different soil layers in Zhengzhou agricultural meteorological experimental observation station

2018年1月，改造完成后的FDR 自動土壤水分觀測儀通過專用安裝工具在鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗觀測站進行了安裝，如圖5所示，傳感器安裝深度為50 cm，設備采用太陽能板和蓄電池組合的供電方式，可每天24 h 不間斷運行，每10 min 采集一次數(shù)據(jù)，獲取不同深度土層的水分和溫度值，觀測數(shù)據(jù)通過移動通信網(wǎng)絡自動上傳至專用數(shù)據(jù)庫，以便提取分析。一般認為，傳統(tǒng)的人工取土烘干稱重測得的土壤水分值是可信的，可以作為其它各種土壤含水量測量方法的校正標準[17-19]。因此，本試驗以人工取土烘干法測得的土壤水分值作為標準值，與器測值進行對比分析。

圖5 試驗儀器安裝效果圖Fig.5 Installation effect drawing of test instrument

3.3 分析與處理

3.3.1 溫度影響分析

通過跨年度的對比觀測試驗，試驗區(qū)環(huán)境歷經(jīng)四季變化，安裝FDR 自動土壤水分觀測儀的土壤環(huán)境溫度也經(jīng)歷了一個完整的高低溫周期變化，收集人工與器測土壤水分對比觀測資料[20]，對傳感器體積含水量誤差和地溫之間的關系進行分析，結果表明：FDR 型土壤水分傳感器與人工測量的差值（烘干值減器測值）和地溫呈負相關關系（見表4），且這種負相關隨土壤深度增加、土壤環(huán)境中干擾因素的減少愈加顯著[21,22]。各層傳感器與人工觀測差值受溫度影響如圖6所示，地溫越高差值越小，反之，地溫越低差值越大。通過分析發(fā)現(xiàn)，差值最小時的地溫T為20 ℃，地溫高于20 ℃時差值為負，傳感器測量土壤水分值大于實際值，低于20 ℃時差值為正，傳感器測量土壤水分值小于實際值。

圖6 各層土壤水分觀測誤差值與溫度關系Fig.6 The relationship between the observation error value of soil moisture in each layer and the temperature

表4 各層土壤水分測量誤差與地溫相關性Tab.4 Correlation between soil moisture measurement errors of each layer and ground temperature

3.3.2 修正模型構建與驗證

由土壤水分觀測原理可知，土壤介電常數(shù)是土壤水分測量的關鍵，溫度對土壤水分的影響的實質(zhì)是土壤介電常數(shù)隨溫度的變化而變化[23-25]。因此，對FDR傳感器來說，分析溫度對其在土壤中測量頻率的影響，建立土壤頻率與溫度之間的關系模型[26]，對傳感器測量頻率進行修正，降低地溫變化對傳感器振蕩頻率的影響，即可提高土壤水分測量的準確性。

通過試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，土壤溫度與以20 ℃為基準的頻率的相對變化率之間存在線性關系，為保持在土壤溫度變化時傳感器頻率的穩(wěn)定，建立基于溫度變化的頻率修正模型為：

式中：f為修正后的頻率；fs為傳感器測量頻率；t為土壤溫度。

為驗證模型效果，對不同地溫條件下的土壤水分抽樣數(shù)據(jù)進行修正，修正前后土壤水分對比曲線如圖7所示，可直觀看出，修正前土壤水分隨地溫變化趨勢明顯，修正后的土壤水分受土壤溫度影響較小。

圖7 基于溫度修正模型修正前后的土壤水分對比分析圖Fig.7 Comparison analysis graph of soil moisture before and after correction based on temperature correction model

4 結論與討論

（1）通過試驗發(fā)現(xiàn)，地溫影響FDR 型土壤水分傳感器測量精度的本質(zhì)是溫度變化引起了傳感器振蕩頻率的偏移，在土壤含水量不變的情況下，出現(xiàn)了傳感器觀測值波動，利用對比觀測數(shù)據(jù)構建傳感器測量頻率基于溫度的修正模型，可降低土壤水分觀測數(shù)據(jù)受地溫變化的影響，提升觀測精度。

（2）在非凍土狀態(tài)下，地溫變化對FDR 型土壤水分儀精度有一定影響，傳感器與人工觀測差值和地溫呈負相關關系；土壤溫度20 ℃時，對傳感器測量精度影響最小，高于20 ℃時傳感器測量值會偏大，低于20 ℃時則會偏小，這一發(fā)現(xiàn)對精細化的自動土壤水分觀測研究在環(huán)境溫度的選取方面具有一定指導意義。

本文著重分析了土壤溫度對土壤水分的影響，但傳感器的PVC 材質(zhì)保護套管導熱較慢會造成地溫數(shù)據(jù)存在一定的滯后性，除此之外，保護套管與土壤的緊密度、土壤質(zhì)地的均一性、土壤植被種類等因素也會對試驗結果造成一定影響，因此，還需對各影響因子進一步研究以提升模型修正效果。