CN107478681A - 一种基于时域反射仪的土壤含水量检测方法 - Google Patents

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白一茹
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Abstract

本发明公开了一种基于时域反射仪的土壤含水量检测方法，将采得的土样摊开，阴凉处风干，人工掰碎，除杂，过2mm土筛后，填入PVC圆形桶中；在PVC圆形桶内部按每隔5厘米划线，划6个刻度共计30cm，之后每个刻度逐层夯土，直至填至30cm为止；将土柱填好夯实后，土壤浸入水分饱和后将容器放在电子秤上称重，称重前需要用毛巾擦干底部水分，记录数值；称重之后将TDR插入其中，探针插入点为土柱中心，之后进行测数，每隔3‑5小时测一次，测数时同时需要称重；通过以下线性函数对所得的TDR数据加以校正：y＝0.2769x+0.0554(R2＝0.9668)；其中，x为TDR测得的含水量，y为土壤实际含水量。

Description

一种基于时域反射仪的土壤含水量检测方法
技术领域
本发明涉及土壤水分检测领域，具体涉及一种基于时域反射仪的土壤含水量检测方法。
背景技术
土壤含水量是土壤分析的常规项目，在水循环研究和农田灌溉排水管理中，更是必不可少的基本资料。农田土壤水分的动态变化直接反映作物的水分供需状况，快速、准确地测定农田土壤水分，对于探明作物生长发育期内土壤水分的盈亏，以便适时作出灌溉、施肥决策或排水措施等具有重要意义。
目前，测定土壤含水量的方法主要有烘干法、张力计法、电阻法，中子法等，各种方法都有着不同程度的应用。然而随着人们对实验要求的不断提高，时常需要获得连续、准确的数字，这些方法都存在着不同程度的缺陷。例如烘干法，我们最常用的方法，它是所有方法里面最为精确的方法，是其他方法的基准。但是它的操作十分不方便，需要采土称重，之后还要烘干6-8小时再称重，十分麻烦。在采土的过程会破坏原样本，不能用于原位监测，同时也不便于获得大量连续的数据。而中子法虽然测得数据精确迅速，但由于辐射的原因会对人的健康造成伤害，所以基本上被淘汰。
而TDR(time domain reflectometry，时域反射仪)法因为具有测量速度快速、准确、操作简单且非破坏性等特点，成为当今被广泛运用的方法。而通过王贵彦，史秀捧等对用TDR法、中子法和重量法测得的土壤水含量观测值的比较结果表明，用TDR法测定土壤含水量是可靠的。并且龚元石等对TDR、中子仪和土钻法测定的土壤含水量进行了比较，结果表明，应用TDR测定农田土壤水分要优于中子仪和土钻法。
TDR法是测定电磁波在土壤中的传播速度的一种方法。由于电磁波的传播速度与传播媒体的介电常数密切相关，而土壤颗粒、水和空气本身的介电常数差异很大，故一定容积土壤中水的比例不同时其介电常数便有明显的变化，由其电磁波的传播速度便可判断其含水量。Topp最早发展TDR法时，曾声言此法不受土壤质地、容重、温度等物理因素的影响。后来的研究表明，在测量精度要求较低时，这一结论是正确的。李道西，彭世彰等研究表明TDR测量值较烘干法明显偏小，相对偏差随着土壤含水量的减小有增加趋势。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于时域反射仪的土壤含水量检测方法，通过一条简单的线性函数对TDR测试所得的数据加以校正，校正后的TDR测量值中将有96.68％的值接近土壤含水量的真实值，从而实现了TDR对土壤含水量的精确测定。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于时域反射仪的土壤含水量检测方法，包括如下步骤：
S1、首先在采样点采用五点取样法取样后，将采得的土样摊开，放在室内阴凉处风干，人工掰碎，除去根系、杂草、砾石等，过2mm土筛后，填入PVC圆形桶中；
S2、在PVC圆形桶内部按每隔5厘米划线，划6个刻度共计30cm，之后每个刻度逐层夯土，直至填至30cm为止，每次夯土的量按如下公式计算：
已知土壤容重ρ＝1.5g/cm3，PVC管子半径r＝19.2cm，所以每5cm需加土m＝πr2h×ρ＝3.14×9.62×5×1.5×10-3＝2.17kg；30cm一共需加：M＝6×m＝13.02kg；
S3、将土柱填好夯实后，浸入水中浸泡24h，让水分充分渗透，土壤浸入水分饱和后将容器放在电子秤上称重，称重前需要用毛巾擦干底部水分，然后记录数值；
S4、称重之后将TDR插入其中，探针插入点为土柱中心，之后进行测数，每隔3-5小时测一次，测数时同时需要称重，在称重过程中不可以晃动TDR，防止探针插入孔隙过大，影响测量效果；
S5、通过以下线性函数对步骤S4所得的TDR数据加以校正：
y-0.2769x+0.0554(R2＝0.9668)；
其中，x为TDR测得的含水量，y为土壤实际含水量。
本发明具有以下有益效果：
通过一条简单的线性函数对TDR测试所得的数据加以校正，校正后的TDR测量值中将有96.68％的值接近土壤含水量的真实值，从而实现了TDR对土壤含水量的精确测定。
附图说明
图1为本发明实施例中TDR法含水量校正曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，所使用的仪器为美国Spectrum TDR300型土壤水分速测仪，仪器规格和具体性能如下：仪器净重为1.36kg，长度90cm；土壤体积含水量测量范围为0-100％；TDR300的测量精度为±3％，分辨率1.0％；探针的直径为0.5cm，长20cm，两根探针间距为3.3cm，读数表尺寸为10.5cm×7cm×1.8cm，如图1。开机启动3秒后即可读数，之后每1秒均可读出一个数据。
重置土容器由PVC圆形桶，底座和纱布三项构成，PVC圆柱桶测量直径为19.2cm，高度为50cm(加土样至30cm处)；本次实验中土壤主体为砂质土壤，土壤容重为1.50g/cm3，环境温度在15-25℃左右。
用于称量的电子秤为美国双杰公司生产的TC30KH型电子秤，其最大量程为30kg，精度1g。
实施例
此次试验采样点位于宁夏引黄灌区，采用室内标定，“由湿到干”土柱实验。试验具体步骤如下：
S1、首先在采样点采用五点取样法取样后，将采得的土样摊开，放在室内阴凉处风干，人工掰碎，除去根系、杂草、砾石等，过2mm土筛后，填入PVC圆形桶中；
S2、在PVC圆形桶内部按每隔5厘米划线，划6个刻度共计30cm，之后每个刻度逐层夯土，直至填至30cm为止，每次夯土的量按如下公式计算：
已知土壤容重ρ＝1.5g/cm3，PVC管子半径r＝19.2cm，所以每5cm需加土m＝πr2h×ρ＝3.14×9.62×5×1.5×10-3＝2.17kg；30cm一共需加：M＝6×m＝13.02kg；
S3、将土柱填好夯实后，浸入水中浸泡24h，让水分充分渗透，土壤浸入水分饱和后将容器放在电子秤上称重，称重前需要用毛巾擦干底部水分，然后记录数值；
S4、称重之后将TDR插入其中，探针插入点为土柱中心，之后进行测数，每隔3-5小时测一次，测数时同时需要称重，在称重过程中不可以晃动TDR，防止探针插入孔隙过大，影响测量效果；
实验数据
此次实验于2015年四月初开始进行，实验过程中一共测定了41组数据，每隔3-5小时测定一次。表1为实验所测得的数据。
表1：TDR测量值和湿土重
数据分析
通过实验得到的41组数据可绘制成如图1所示的曲线。通过曲线我们可以看出，TDR测量的结果比采用烘干法测得的数据普遍要大。但是，TDR法测得的含水量和烘干法测得结果的变化趋势是一致的，TDR的测量值于真实值之间有极高的相关性，可以用一个线性函数加以校正：y＝0.2769x+0.0554(R2＝0.9668)
其中，x为TDR测得的含水量，y为土壤实际含水量。相关系数R2表明，通过函数校正后的TDR测量值中将有96.68％的值接近土壤含水量真实值。
另根据表2给出的数据可以看出，TDR的测量值较烘干法测得的数值显著偏大，绝对偏差范围0.25-0.45cm3/cm3，平均绝对偏差0.318cm3/cm3，相对偏差范围58％-64％，平均偏差61.3％。同时根据表中数据可以看出其相对偏差随着土壤含水量的减小有减小的趋势，但是它的平均相对偏差高达61.3％。所以，在使用TDR前，标定是必要的。
表2 TDR法与烘干法测量结果对照
实验结论
通过此次试验，可以得出TDR在测量土壤水分的试验中具有良好的应用性，但是在使用之前必须进行进一步校正。通过此次试验，我们发现使用TDR测量土壤水有以下优点：(1)实验用的土样可以反复使用，工作量小；(2)土壤是经过充分搅拌，夯实的，土壤中水分分布也较均匀，所以不存在TDR在测量过程中出现的土壤水分空间异变的问题；(3)实验简单易操作，通过实验校正后，可以用于土壤水分的原位测定，避免了对土壤的扰动。
此次试验表明，在使用TDR法测量宁夏引黄灌区的含水量时，TDR的测量值较烘干法测得的数值显著偏大，绝对偏差范围0.25-0.45cm3/cm3，平均绝对偏差0.318cm3/cm3，TDR的相对标准偏差随着土壤含水量减少有减小的趋势但是它的平均相对偏差高达61.3％。因此需对实验数据进行校正，其函数表达式为：y＝0.2769x+0.0554(R2＝0.9668)，校正后的TDR测量值中将有96.68％的数值接近土壤含水量真实值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于时域反射仪的土壤含水量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、首先在采样点采用五点取样法取样后，将采得的土样摊开，放在室内阴凉处风干，人工掰碎，除去根系、杂草、砾石，过2mm土筛后，填入PVC圆形桶中；
S2、在PVC圆形桶内部按每隔5厘米划线，划6个刻度共计30cm，之后每个刻度逐层夯土，直至填至30cm为止，每次夯土的量按如下公式计算：
已知土壤容重ρ＝1.5g/cm3，PVC管子半径r＝19.2cm，所以每5cm需加土m＝πr2h×ρ＝3.14×9.62×5×1.5×10-3＝2.17kg；30cm一共需加：M＝6×m＝13.02kg；
S3、将土柱填好夯实后，浸入水中浸泡24h，让水分充分渗透，土壤浸入水分饱和后将容器放在电子秤上称重，称重前需要用毛巾擦干底部水分，然后记录数值；
S4、称重之后将TDR插入其中，探针插入点为土柱中心，之后进行测数，每隔3-5小时测一次，测数时同时需要称重，在称重过程中不可以晃动TDR，防止探针插入孔隙过大，影响测量效果；
S5、通过以下线性函数对步骤S4所得的TDR数据加以校正：
y＝0.2769x+0.0554(R2＝0.9668)；
其中，x为TDR测得的含水量，y为土壤实际含水量。
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