CN109425551A - 一种fdr频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法，它涉及气象探测技术领域；它的方法如下：步骤一：原状土壤反射频率测量样本制作：设计贯入式取土器，直接取得大体积原状土壤样本，样本在取土过程中直接置入到圆柱形丙烯酸材质容器，能够将土壤样本的扰动程度减少至最低，用隔板定位法将测量套管精确的安装在土壤样本中央；步骤二：大体积原状土壤湿度‑频率测量；步骤三：大体积原状土壤样本含水量精确测定；本发明使原状土壤既能采用EnviroSMART多点位置可调土壤水分传感器测定大体积原状土壤反射频率，同时又能精确测定质量来反演大体积原状土壤含水量；以质量测定为标准，来确定实地土壤含水量与反射频率模型。

Description

一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法

技术领域：

本发明涉及一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法，属于气象探测技术领域。

背景技术：

由于实际土壤物理化学结构的复杂多样性、以及变异性等的影响，使得土壤电导率各不相同，土壤电导率主要取决于土壤孔隙的数量及大小、土壤水电导率(或孔隙水电导率)和土壤颗粒。对于不同的土壤，由于电导率的影响，特别是土壤的酸碱度影响，不能使用通用的标定方程，需要对具体的土壤进行标定及数据标定，以获得正确的土壤含水量。

目前一般针对土壤湿度传感器一般采用两种标定方法：实验室标定是在安装的自动土壤水分站附近取土，土壤经过研磨、去除杂质、晾干等处理后，按照质量配比控制加水量制作成不同体积含水量的样本，来对传感器进行标定，此种方法每次只能制作一个湿度值样本点，要获得多个样本点需要反复处理、加水，程序繁琐、工作量极其大；田间标定在自动观测设备传感器周围进行人工取土烘干称重观测，同时记录仪器自动观测数据，获得一系列人工和自动观测体积含水量数据，用人工数据对仪器进行订正，此方法对土壤质地分布均匀的站点可以获得较好的效果，订正后的自动土壤体积含水量数据可用性高，但对于土壤环境复杂、土壤分布不均匀变异性大或受气候条件制约，订正对比样本数据不能覆盖土壤低中高湿度区间的站，得到的订正方程容易出现与实际土壤墒情不符情况。

现有的方法为采用特殊设计的贯入式厚壁取土器采集不同测站不同土壤剖面深度原状土壤样本；在实验室对原状土模拟自然状态下降水、蒸发过程，测量原状土壤湿度的电磁反射频率；用多组数据覆盖样本的湿度变化全量程；建立准确的原状土壤含水量频率模型。在实验精度范围内，用原状土壤能够代替大工程量传统野外实地标定和未能保持土壤原状物理特性的实验室标定以及由于实地土壤变异性导致的不合理的田间标定。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法。

本发明的一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法，它的方法如下：

它的方法如下：

步骤一：原状土壤反射频率测量样本制作：

设计贯入式取土器，取得大体积原状土壤样本；用隔板定位法将测量套管精确的安装在土壤样本中央；

步骤二：大体积原状土壤湿度-频率测量：

原状土壤样本表面覆盖滤纸，进行模拟降水加湿，使其达到饱和状态(田间持水量)，在自然蒸发状态下，通过测定原状土壤样本质量来确定全程湿度的体积含水量和对应的电磁频率；用非线性拟合得到土壤的频率-体积含水量(湿度)关系；用高精度的100cm³标准环刀取得小原状土样本进行进一步的订正；得到测站实地土壤湿度频率测量模型；

步骤三：大体积原状土壤样本含水量精确测定：

大体积原状样本保持了土壤的孔隙数量和大小、质地、密度、酸碱度等物理化学特性；多个100cm³标准环刀原状土壤来精确测定大体积原状土壤样本的含水量及湿度、容重的不均匀度。

作为优选，所述步骤一中大体积原状土壤样本是直径为29cm，高度不少于10cm，最大为13cm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：使原状土壤既能采用EnviroSMART多点位置可调土壤水分传感器测定大体积原状土壤反射频率，同时又能精确测定质量来反演大体积原状土壤含水量；

能够客服田间标定受实际土壤湿度变化的限制，难以得到小于10％、10％-15％、15％-20％、20％-25％、25％-30％、30％-35％和大于35％等不同土壤体积含水量区间分布，特别是下层土壤，常年处于较稳定湿度状态的限制。

土壤样本保留了土壤的质地、容重、孔隙等物理状态未受到破坏，保留了野外实地标定的土壤环境；避免了实验室标定时因除去土样中根系，砾石以及风干，过孔筛，逐层夯实得到的土样与实际的环境土壤不符的缺陷。

能够人为控制样本含水量区间，获得体积含水量为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％等均匀的样本湿度分布区间；避免了人工对比观测受到当地气候限制影响无法获得低湿样本的缺点；避免了在野外营造低湿环境所需的长周期。

能够克服因为人工对比观测人员素质不齐、观测时间长、取土劳动强度大等缺陷。

以质量测定为标准，来确定实地土壤含水量与反射频率模型。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明中原状土壤样本取样的结构示意图；

图2为本发明中标准环刀样本取样的结构示意图；

图3为本发明中大体积原状土壤中测量套管定位安装结构示意图；

图4为本发明中用验对比数据对传感器进行标定的数据图；

图5为本发明中用线性方程对传感器进行一般性的订正图；

图6为本发明中用对数方程对传感器进行一般性的订正图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1至图6所示，本具体实施方式采用以下技术方案它的方法如下：

步骤一：原状土壤反射频率测测量样本制作：

设计贯入螺杆推出式取土器，取得大体积原状土壤样本；置入圆柱形丙烯酸材质容器，用隔板定位法将测量套管精确的安装在土壤样本中央；

步骤二：大体积原状土壤湿度-频率测量：

在自然蒸发状态下，测定原状土壤全程湿度的体积含水量和对应的电磁频率；用非线性拟合得到土壤的频率-湿度关系；用高精度的小原状土样本进行进一步的订正；得到测站实地土壤湿度频率测量模型；

步骤三：大体积原状土壤样本含水量精确测定：

大体积原状样本保持了土壤的孔隙数量和大小、质地、密度、酸碱度等物理化学特性；多个100cm³标准环刀原状土壤来精确测定大体积原状土壤样本的含水量及湿度、容重的不均匀度。

进一步的，所述步骤一中大体积原状土壤样本是直径为29cm，高度不少于10cm，最大为13cm。

进一步的，如图1所述，图中1为测量套管，2为丙烯酸容器，3为分体式顶盖，4为保护垫片；5为套筒；6为高硬度合金钻头。

本具体实施方式具体的方法为：按照农业气象观测规范田间持水量的测定方法，使土壤达到高湿状态；在对应土壤水分传感器深度挖开土壤剖面，将特殊设计的内直径29厘米、高度10-13厘米的取样设备贯入土壤中；完全贯入土壤中后，用四个标准体积100cm³的环刀在钢筒周围按照测定土壤容重的方法取4个小样本，用电子天平测量其质量；将大型原状土壤样本取出，用电子天平测量其质量。

在大体积原状土壤样本上覆盖滤纸，模拟自然降水，对其进行进一步加湿，使其达到饱和状态。

用传感器测量反射频率，样本置于常规实验室环境下，由于土壤样本水分蒸发，导致土壤样本湿度不断下降，每隔一段时间进行一次质量和频率测量；

用烘干称重法测定四个小样本的重量含水量，取其平均值为w₀，根据大型原状土壤样本对环刀小样本土壤的质量比值，来推算大样本土壤中干土质量，从而得到大样本每次质量测定时的体积含水量值，具体计算如下：

安装套管后，大样本土壤体积为：

V₀＝π(R²-r²)H

大样本中初始土壤质量为：

M₁＝M-M_套管-M_容器

其中：M为容器、土壤、套管总质量，既通过电子天平直接测得的质量，M_套管为测量套管质量，M_容器为容器质量，两者均事先已测定；

大型原状土壤样本中含有的干土质量M_soil，计算：

由于大样本中水分蒸发，引起样本质量减少，假设第n次测量大样本的质量为M_n(n＝1，2，3··)，则大样本第n次测定时的体积含水量Q_n为：

每次对比观测以质量测定体积含水量Q_n为人工观测值，传感器测定归一化频率值为SF_n，用能够体现土壤高湿、中湿、低湿的多组Q_n、SF_n值来对传感器进行标定；

在大量实验的基础上，可以得到对均匀性较好的土壤代表性的标定方程，一般其形式为：

θ_v＝aSF^b+c

其中a、b、c为确定常数，SF为归一化频率，Θ_v为体积含水量；

在精度要求不是很高的情况下，用线性方程对多组Q_n、Θ_v(传感器未标定前的默认值)，以Q_n为标准，对传感器进行订正，线性方程一般适合于轻质土壤。或用对数方程对多组Q_n、Θ_v，以Q_n为标准，对传感器进行订正，对数方程一般适合于容重较大的粘性土壤。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法，其特征在于：它的方法如下：

步骤一：原状土壤反射频率测量样本制作：

设计贯入式取土器，取得大体积原状土壤样本；用隔板定位法将测量套管精确的安装在土壤样本中央；

步骤二：大体积原状土壤湿度-频率测量：

原状土壤样本表面覆盖滤纸，进行模拟降水加湿，使其达到饱和状态，在自然蒸发状态下，通过测定原状土壤样本质量来确定全程湿度的体积含水量和对应的电磁频率；用非线性拟合得到土壤的频率-体积含水量关系；用高精度的100cm³标准环刀取得小原状土样本进行进一步的订正；得到测站实地土壤湿度频率测量模型；

步骤三：大体积原状土壤样本含水量精确测定：

大体积原状样本保持了土壤的孔隙数量和大小、质地、密度、酸碱度等物理化学特性；多个100cm³标准环刀原状土壤来精确测定大体积原状土壤样本的含水量及湿度、容重的不均匀度。

2.根据权利要求1所述的一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法，其特征在于：所述步骤一中大体积原状土壤样本是直径为29cm，高度不少于10cm，最大为13cm。

3.根据权利要求1所述的一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法，其特征在于：具体的方法为：按照农业气象观测规范田间持水量的测定方法，使土壤达到高湿状态；在对应土壤水分传感器深度挖开土壤剖面，将特殊设计的内直径29厘米、高度10-13厘米的取样设备贯入土壤中；钢筒完全贯入土壤中后，用四个标准体积100cm³的环刀在钢筒周围按照测定土壤容重的方法取4个小样本，用电子天平测量其质量；将大型原状土壤样本取出，用电子天平测量其质量。

在大体积原状土壤样本上覆盖滤纸，模拟自然降水，对其进行进一步加湿，使其达到饱和状态。

用传感器测量反射频率，样本置于常规实验室环境下，由于土壤样本水分蒸发，导致土壤样本湿度不断下降，每隔一段时间进行一次质量和频率测量；

用烘干称重法测定四个小样本的重量含水量，取其平均值为w₀，根据大型原状土壤样本对环刀小样本土壤的质量比值，来推算大样本土壤中干土质量，从而得到大样本每次质量测定时的体积含水量值，具体计算如下：

安装套管后，大样本土壤体积为：

V₀＝π(R²-r²)H

大样本中初始土壤质量为：

M₁＝M-M_套管-M_容器

其中：M为容器、土壤、套管总质量，既通过电子天平直接测得的质量，M_套管为测量套管质量，M_容器为容器质量，两者均事先已测定；

大型原状土壤样本中含有的干土质量M_soil，计算：

由于大样本中水分蒸发，引起样本质量减少，假设第n次测量大样本的质量为M_n(n＝1，2，3··)，则大样本第n次测定时的体积含水量Q_n为：

每次对比观测以质量测定体积含水量Q_n为人工观测值，传感器测定归一化频率值为SF_n，用能够体现土壤高湿、中湿、低湿的多组Q_n、SF_n值来对传感器进行标定；

在大量实验的基础上，可以得到对均匀性较好的土壤代表性的标定方程，一般其形式为：

θ_v＝aSF^b+c

其中a、b、c为确定常数，SF为归一化频率，Θ_v为体积含水量；

在精度要求不是很高的情况下，用线性方程对多组Q_n、Θ_v，以Q_n为标准，对传感器进行订正，线性方程一般适合于轻质土壤。或用对数方程对多组Q_n、Θ_v，以Q_n为标准，对传感器进行订正，对数方程一般适合于容重较大的粘性土壤。