FDR土壤水分传感器标定中几种田间持水量测定比较

摘要：在FDR式自动土壤水分传感器使用中，土壤持水量常数测定自动观测数据有着重要的影响，直接关系到土壤相对湿度、土壤有效水分贮存量等的计算。由于南方特殊的气候和地址条件，业务运行中发现，仅使用田间持水量对田间持水量有一定的局限性，相当的一部分站点得到的土壤相对湿度过于偏高。本文具体分析了田间持水量和全持水量测定结果的差异，以及在FDR土壤水分传感器应用导致的结果差异，表明一些站点用全持水量能够使得站点观测数据更加合理。

关键词：田间持水量；全持水量；FDR土壤水分传感器；比较

1自动土壤观测数据算法

1.1测量原理

FDR自动土壤水分观测仪是基于频域反射法（FrequencyDomainReflectometry）原理而设计，传感器由一对电极(平行排列的金属棒或圆形金属环)组成一个电容，电容与振荡器组成一个调谐电路，用100MHz正弦曲线信号扫描土壤，电容量的变化与两极间被测介质（土壤）的介电常数成正比。因水的介电常数比一般介质的介电常数要大，所以当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大。根据电容量与土壤水分之间的对应关系，即可测出土壤体积含水量。

1.2自动土壤水分仪生成的各种土壤湿度数据

利用传感器在水和空气中测得的频率定义归一化频率

                                                 （1）

Fa、Fw、Fs分别为传感器放置于空气、水、土壤中所测得的频率。

在不同土壤样本的基础上建立归一化频率SF与土壤体积含水量θvA之间的经验关系：

Θ=0.40                                             （2）

由于安装站点土壤质地、物理结构、化学成分等的不同，到此所得到的体积含水量θv并不能在直接用在正式业务应用上，还需进一步根据一定时间内的自动、人工对比观测数据来对自动观测值θv来进行修订，所用的方法为用自动人工两组数据做线性拟合，得到业务化自动土壤体积含水量值θvy

Θ=A0+A1Θ                                                   （3）

联合(2)(3)式得到最终体积含水量Θ与归一化频率SF的关系为：

                                       （4）

以0.1为步长的归一化频率与体积含水量的关系见表（1）所示。

表1：归一化频率SF与体积含水量。对应表

2土壤相对湿度数据分析

2.1资料来源

在全省的60个站点土壤水分观测仪中，对原始归一化频率值、体积含水量值、土壤相对湿度值进行历史序列分析，时间为逐各站点2020年1月至2024年3月，取其中道县固定地段（57867）、吉首固定地段（57554）的归一化频率和相对湿度，如图1和图2所示；原状土壤对比数据利以上2个站的原状土壤样本得到。

可以看出原始设备采集到的原始归一化频率值处于正常的范围内，但是由于土壤常数的差异导致得到的土壤相对湿度过于偏大，一般说来土壤相对湿度是能够而且允许超出100%的限制，特别是在连续降水出现时，土壤的含水量可能大于持水量的状态，但是不应出现比100%大的过多的情况；在无连续降水时，不应长期出现土壤相对湿度超出100%的现象。据此判断可知道县固定地段和吉首固定地段2站的土壤相对湿度数据明显比其实际墒情值偏高。

图1道县固定地段归一化频率和相对湿度列

图2吉首固定地段归一化频率和相对湿度列

2.2土壤持水量类型

2.1.1三种土壤持水量概念

土壤空隙包括非活性空隙[1]（也成为无效空隙、束缚水空隙或微空隙，是土壤中最细的空隙，空隙的当量直径为0.002mm，根毛和微生物不能进入此空隙）、毛管空隙（空隙的当量直径为0.002-0.06mm）此种空隙的毛管作用非常明显）、通气空隙（空隙的大量直径大于0.06mm，水分在重力作用下迅速排除土体，或下渗补充地下水，成为通气的通道）。田间持水量[2]：是当饱和的土体中的重力水完全排除后，毛管所保持的水量。田间持水量受土壤质地、结构和地下水位的影响，是适合植物生长的水分范围上限，是确定灌溉定额和排水量的依据。毛管持水量[3]：又称最大毛管持水量，是指土壤所有毛管空隙充满水分时的含水量，可以根据其数值换算土壤的毛管孔隙度和通气孔隙度。全持水量[4]：饱和含水量，是指土壤所有空隙全部充满水分时的含水量，常作为表示土壤水分饱和度的标准。由图1所示的东安固定地段和桑植固定地段的土壤相对湿度历史序列可以看出，此2站在使用田间持水计算相对湿度时导致其值异常偏高，最高值达到220%。

2.1.2田间持水量和全持水量测定比较

田间持水量的测定按照农业气象观测规范的方法进行[5]，全持水量用环刀在站点取样后实验室进行测定，如图2所示，利用道县固定地段站的样本进行，田间持水量与全持水量的测定结果见表2所示。

表2道县固定地段40cm层次田间持水量和全持水量测定比较

3全持水量下的土壤相对湿度情况

3.1.1体积含水量标定

利用站点取得的原状土壤样本[6]，进行称重和自动对比观测，对传感器体积含水量-归一化频率关系进行标定，对比观测数据如图3所示。

图3道县固定地段与吉首固定地段原状土壤样本对比数据序列

3.1.2全持水量得到的土壤相对湿度

得到标定的体积含水量后，利用式4、5、6可以根据归一化频率值计算土壤相对湿度值，用土壤全持水量代替式6中的田间持水量，得到的土壤相对湿度值，计算道县固定地段2018年7月11日至2019年3月30日的序列，如图4所示。

利用全持水量计算得到的土壤相对湿度：道县固定地段在10cm层次在雨季期间出现超出100%的现象，持续时间约为30天，其他层次均未出现超出100%；吉首固定地段10cm层次在有较大降水时出现土壤相对湿度超出100%的现象，其他层次均未出现超出100%值。对比用田间持水量得到的土壤相对湿度，全持水量计算的土壤相对湿度更加合理，这由图1、2和图4、5之间的对比可以明显看出。

图4道县固定地段全持水量得到的土壤相对湿度序列

图5吉首固定地段全持水量得到的土壤相对湿度序列

由以上的分析，可以看出：以全持水量代替田间持水量计算土壤相对湿度更加合理，能够消除在长时间无降水期间自动观测土壤相对湿度长期大于100%的现象，全持水量值较田间持水量值的升高，有利于将土壤相对湿度值拉低，这对于解决湖南地区自动土壤水分观测站普遍土壤湿度长期大于100%的现象有重要意义。但由表2的测定数据值看到，有的环刀原状样本田间持水量与全持水量之间的差值并不是明显，且此次试验只在2个站的基础上进行，每个不同站点之间不同土壤质地的田间持水量与全持水量的差值是否能够普遍明显，还有待于进一步的检验。

参考文献

[1]程东娟，张亚丽.土壤物理试验指导[M].北京：中国水利水电出版社，2012

[2]中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上海科学技术出版社，1983

[3]中国科学院南京土壤研究所土壤物理实验室.土壤物理性质的测定[M].北京：科学出版社，1978

[4]依艳丽.土壤物理研究方法[M].北京：北京大学出版社，2009

[5]中国气象局综合观测司.自动土壤水分观测规范（试行）

[6]王黎明，张雪芬.FDR土壤水分传感器原状土壤标定方法研究[J].气象科技，2016，Vol.44(3)

作者简介：陈珊（1983.03）女，汉族，湖南省常德市人，硕士研究生学历，工程师，从事研究方向或职业：综合气象观测。