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TDR测定土壤含水量的标定研究可编辑
TDR测定土壤含水量的标定研究
第31卷第2期
冰川冻土Vol.31No.2
2009年4月
JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGYApr.2009文章编号:
10002024020090220262206
TDR测定土壤含水量的标定研究
吴月茹,王维真,晋锐,王建,车涛
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000
摘要:
探讨了TDR测定土壤含水量的原理,并对黑河上游阿柔试验样地取土样进行了土壤体积含水
量测定的室内标定试验,得出相关性较好的TDR测定土壤体积含水量的关系式.结果表明:
通过室内
土样回填建立的TDR测定的体积含水量与土壤实际含水量相关性很好,可以利用TDR精确的测定土
壤含水量,为黑河遥感项目提供精确的地面土壤水分数据,为遥感反演和验证提供基础数据.所得到
的标定结果对于具有相同土质的黑河中游土壤具有参考价值.
关键词:
土壤含水量;TDR;标定;介电常数
中图分类号:
S152.7文献标识码:
A
对这两种TDR仪器进行了室内试验标定,并认为
0引言
[3]所采用的标定方法值得借鉴.通过标定,一方面地表土壤水分是陆地和大气能量交换过程中的可以确定在特定的土壤质地下其适用的含水量范
重要因子,并对陆地表面蒸散、水分运移和碳循环围;另一方面还可确定其实际的测量精度,避免采
有很强的控制作用,在水文、气象和农业科学领域用通用标定曲线的误差估计其实际的误差.TDR
测定土壤含水量的标定其目的旨在为黑河遥感项目土壤水分含量测定是必不可少的基本资料.TDR提供精确的地面土壤水分数据,为遥感反演和验证TimeDomainReflectometry,时域反射仪法是提供基础数据,所得到的标定结果对于具有相同土近年来普遍采用的一种较精确测定土壤含水量的方质的黑河中游土壤具有参考价值.
法,具有不破坏样本、快速和容易操作等优点,并可做到讯息转换而达到数据自动采集的目的,因而
1TDR测量原理
[1][2]
很快为人们所接受Topp等使用TDR对不同
TDR测量土壤水分是基于土壤表观介电常数类型土壤的介电常数进行大量测定,建立了土壤介的测量.TDR发射的电磁脉冲波,经由同轴电缆传电常数与土壤体积含水量的关系,证明介电常数与入探头内,然后进入介质中,通过测量电磁波沿导许多土壤类型的土壤含水量之间具有较好的相关波探头在土壤介质中的传播并在其末端反射的时间性•这为通过TDR测定土壤含水量奠定了基础.电磁波在各点的反射很明确,可以很准确地测出t本研究依托于黑河流域遥感2地面观测同步试求得理论上的介电常数.当频率在1MHz~1GHz验与综合模拟平台建设项目中的子课题“黑河流域时电磁波的传播速度与传播媒体的介电常数呈如下上游寒区水文遥感2地面同步观测试验”,使用Del2关系:
taTDR和StevensTDR两种便携式TDR测定土22kc/vct/2L1壤中的含水量.TDR在测定精度要求较低时一般8不需要标定,但当误差要求很很高时,需进行标定
式中：
k为介质的介电常数；c为光速3x10m[1]-1
或校正为了更加准确地测定土壤含水量,我们s;v为电磁波的传播速度;t为电磁波的在探头
收稿日期:
2009201204;修订日期:
2009203213
基金项目:
中国科学院西部行动计划二期项目"黑河流域遥感2地面观测同步试验与综合模拟平台建设"子课题"黑河流域上游寒区水
文遥感2地面同步观测试验"KZCX22XB2209201;国家自然科学基金项目40875006资助
作者简介:
吴月茹1983?
女,内蒙古乌兰察布人,2006年毕业于内蒙古师范大学,现为硕士研究生,主要从事土壤水文学和气象环
境水文学研究.E2mail:
wuyue_qr@163.com2期吴月茹等:
TDR测定土壤含水量的标定研究
263
表2供试土壤的颗粒组成
内的传播时间s;L为TDR探头长度.
Table2Particlecompositionofthetestedsoils
水的介电常数是8020°C时,而土壤固体介
电常数是2~5,空气的介电常数为1.水的介电常粘土
沙0.05mm粉沙0.002~0.05mm
0.002mm
数比空气或土壤的介电常数大的多,因此,土壤的
29.45%69.3%1.25%
介电常数主要受土壤水分含量的影响.可以通过测
量土壤介电常数K来推测土壤含水量9,表1为
[2]
主要土壤成分的介电常数.Topp等用TDR对大试验中使用的TDR仪器为英国Delta公司生
部分土壤体积含水量进行了测定,给出了土壤体积产的水分探测器和Stevens公司生产的便携式土壤
[2]
含水量和介电常数之间关系的经验公式:
水分传感器.Delta水分探测器由HH2手持式水分
-2-2-42
读数表和ThetaProbe探头型号为ML2组成图
9
-5.3X10+2.92X10K-5.5X10K
-631其中,探头为4根不锈钢探针,探针长6cm,
+4.3X10K
其测量范围为0%~100%,测量精度为±1%标定
9
<0.62
后,工作温度范围为-10~70C.
9
式中:
K为土壤的介电常数;为土壤的体积含水
量.
[2]
自从Topp等对TDR做出关键性的发展后,
[5-6]
便开始了大量使用TDR测定土壤水分的时期Topp最早发展TDR法时曾认为此法不受土壤质
[2]
地、容重、温度等物理因素的影响,但后来的研
[7]
究表明,在测量精度要求较低时这一结论是正确
-1
的.对矿质土壤,当其误差要求为0.05cm?
cm
图1Delata2TDR水分探测器示意图
时,可用同一的标定曲线确定各种土壤的含水量关
Fig.1Schematicdiagramforthe
系,但当要求误差更小时,它们的关系受质地、容
Delta2TDRW.E.Tsensor
重以至温度等物理因素的影响.对于质地粘土占较
大比重的土壤,当含水量较高时,由于输入电磁波
Stevens公司生产的便携式土壤水分传感器为
的能量耗散较大,导致反射讯息模糊,容易造成失
频率反射仪,工作频率为50MHz.通过测量土壤
准.因此,对于待测土壤,预先标定其含水量与介
的介电常数来获得其它参数.仪器由POGOporta2
电常数的关系仍然是必要的.
blesoilsensor便携式土壤传感器、StevensHydra
2试验仪器和标定方法
probe探针和掌上电脑PDA等3部分组成图2仪器各主要参数的测量范围见表3.
供试土壤取自黑河上游青海省海北藏族自治州
表3StevenHydraprobe探头技术规范说明境内阿柔乡的大片广袤草场地区,其土壤颗粒组成
Table3ThetechnicalspecificationsofHydraprobe如表2所示.
测量参数测量范围精度
[4]
表1主要土壤成分的介电常数
介电常数1~80±1.5%或0.2
Table1Dielectricconstantofthe
[4]非有机质&primarysoilcomponent0~饱和±0.03矿质土土壤水分
物质介电常数
空气1电导率0.1~15dS?
m±2.0%或0.05dS?
m
水80at20C
土壤温度-10~+65C±0.1C
冰3at-5C
玄武岩12
2008年3月,在阿柔草场的试验样地内采集具
花岗岩7~9
有代表性的土样0~20cm,将土样带回兰州实验
砂岩9~11
干壤土3.5
室内进行标定.过程如下:
1首先将土样自然风
干沙2.5
2分别在各
干,捣碎,搅匀,过筛后分成若干份冰川冻土31卷
264
在回填土之前应根据容重及容器体积计算好所需的土样重量计算方法见下,逐层进行填塞.每加一定的土量需要人工压实棒槌敲打等,直到将计算好的土样全部填塞到测量容器中,并与容器顶部保持相平.在填土过程中需要注意的是,体积含水量较小以及体积含水量较大情况下的土样填塞:
含水量小时会出现容器已满但计算填充量的土样仍有剩
余情况;而含水量较大时则出现土样填完后但并未达到所要求的体积,即未填满所用的容器.这两种情况都会造成土壤容重的改变.
在回填土之前计算所需土样重量的计算方法:
1假设土壤容重为p,进行TDR标定容器
d
的体积为V,需要配置的土样的体积含水量为n
图2StevensTDR示意图%.
Fig.2SchematicdiagramforStevensTDR
2容器中需要填装的土水样中,干土重量为
MVXp,水量为MVXn%.
1d2
个土样中加水,配制不同含水量的土样试品土样
3容器中填筛的水土总量为:
MM1+M2试品的体积含水量从3%开始,按3%的梯度增加,
为保证填充土样的均匀性,应该事先在比较宽
一直到45%;3样品经过24h的密封放置,使土敞的仪器中将土样配制好,如大的塑料袋,然后将样与水分均匀混合,将土样以接近实地土壤的容重其拌匀并密封.为了防止意外的损失,配制土样均匀的填装于比较规整的具有一定体积的塑料容器时,所需的干土量M3应该多于用于容器填装的干
p
土量M1,即M3M1,所需的含水量M4M3/d
中,以减少填塞土壤的非均质所产生的标定误差.
xn%.将配制好的土样按土壤的实际容重p填
d
填土的时候一定要确保接近真实的土壤容重,所以
图3StevenTDR标定曲线
Fig.3CalibrationcurvesofStevenTDR2期吴月茹等:
TDR测定土
壤含水量的标定研究
265
装于标定容器中时,填装量应该符合计算结果,即在4月29日和5月7日对于DeltaTDR的标定中,
容器中填装的土样总量为M.两种土壤类型前后两次的标定曲线几乎重合,说明
4分别将DletaTDR和StevensTDR垂直插试验标定中的人为误差还是比较小的.土壤类型为
入配制好的土样中,测量其体积含水量,对不同含Mineral时的标定曲线更接近真实值,其变化趋势
水量的土样进行多点测试,取其平均值以确保结果和StevenTDR的基本一致,含水量较低时偏小,
的准确性.测得两组数据,与实际配制的土壤的体含水量较高时偏大
土壤类型为Organic时测得的
积含水量进行回归分析,求得各自的标定公式,以含水量值普遍偏大.根据两次标定方程的相关系数
22
此校正TDR的野外实际测量数据.标定不同的土Rmineral,5月7日0.9872和Rmineral,4
样时,标定前都需将TDR探头插入水中进行清洗月29日0.9951,决定采用4月29日土壤类型
并擦干.为Mineral的标定曲线校正DeltaTDR测得的土壤体积含水量.图5为两种TDR的标定结果,可以
3试验结果分析
用两个简单的线形函数表示:
2
通过上述标定方法,我们在2008年4月29日
DeltaTDR:
y0.961x+1.8129,R0.995
单独对DeltaTDR进行了一次标定,在5月7日对
3
StevenTDR和DeltaTDR又进行了标定,并对仪
2
StevensTDR:
y0.8502x+5.1074,R0.9868器可供选用的不同土壤类型参数都进行了标定.
Delta提供了两种土壤类型参数,分别为Organic
式中:
y为土壤实际体积含水量%;x为TDR测有机土和Mineral矿物土;StevenTDR提供了量值%
4种土壤类型参数,分别为sand沙土、loam壤土、silt粉沙土和clay粘土StevenTDR的标定结果如图3,DeltaTDR的标定结果如图4.图5配制的土壤样品体积含水量与TDR测定值的关系图
Fig.5Therelationofsoilspecimens'volumetric
watercontentsbetweenpreparedandmeasuredbyTDR
图4DeltaTDR标定结果
Fig.4CalibrationcurvesoftheDeltaTDR
表4给出了DeltaTDR和StevensTDR测量的土壤含水量与实际土壤含水量的对比结果,可以
从图3可以看出,对于StevenTDR提供的4看出,在不同土壤含水量测量中,TDR测定的土壤种土壤类型参数的标定方程的变化趋势大致相同,含水量普遍偏小.其中,DeltaTDR测定的绝对偏含水量较低时,TDR测得的值偏小;含水量较高
差范围为0.1~3.3,平均绝对偏差1.1,相对偏差
时,测得的值偏大.土壤类型为Sand和Clay时偏范围0.3%~22%,平均相对偏差6.9%.当含水
差更大,土壤类型为Loam和Silt时偏差相对较
22量极低的情况下,TDR的误差达到54.4%,甚至
小.根据它们的相关系数Rloam0.9868,R
100%.不考虑这两个极端值,其测定的土壤含水
silt0.9795以及土样的颗粒组成分析,决定采量绝对偏差范围为0.1%~5.5%,平均绝对偏差为用土壤类型为Loam的标定曲线来校正Steven
2.8%,相对偏差范围为0.3%~30.4%;平均相对
TDR测得的土壤体积含水量.从图4可以看出,冰川冻土31卷
266
偏差为14.3%.在土壤含水量较低的情况下,TDR值；含水量较高时,TDR测量的体积含水量与校正
的相对偏差比较大.由此看来,TDR测量粘壤质后的含水量之间的差别不大,可以说明,TDR更适
土壤含水量的偏差还是不容忽视的,使用前的标定宜用在含水量较高的地方.经过校正,使土壤水分
也是非常必要的.数据更符合实际情况,从而使地面土壤水分数据质量得到保障.两种TDR测量数据的明显区别是由表4TDR法测定土壤体积含水量的偏差
于TDR型号不同,更主要是因为测量的并非同一
Table4Deviationsofthesoilvolumetric
个样点,StevenTDR测量样地内的样带2样点,watercontentsmeasuredbyTDR
DeltaTDR测量样带3的样点.
配制Delta绝对偏差相对偏差Stevens绝对偏差相对偏差/%/%/%/%/%/%/%
4结论与讨论
32.60.413.30.03.0100.0本试验采取人工配制土壤溶液的方法代替传统
65.80.23.32.73.354.4
的烘干称重法,土壤溶液样品中土、水质量精度都
97.91.112.26.32.730.4
控制到0.01g,改善了烘干法由于烘箱温度、烘烤
1210.21.815.08.73.327.3
时间长短带来的测量误差,提高了测量精度.试验
1511.73.322.011.13.926.0
标定过程中,当含水量较低时TDR测得的值偏小,
1815.82.212.213.94.122.8含水量较高时测得的值偏大,这种偏差可能是由于
2119.11.99.015.55.526.0自由水和结合水的介电特性差异导致的.含水量较
2423.40.62.519.94.116.9
低时结合水占主导地位,其介电常数低于自由水介
2725.61.45.222.64.416.4电常数,所以测得的值偏低.含水量较高时测定的
3029.70.31.029.90.10.3值偏高的原因可能是因为土壤水分空间变异的影
3332.80.20.632.90.10.4
响,即在制备土壤样品时,虽然力图使其湿度均
3635.90.10.335.80.20.6
匀,但实际仍不可避免有局部的差异,使得自由水
3937.61.43.641.42.46.1占主导地位的土壤样品的含水量表现出高于实际含
4242.70.71.745.23.27.7
水量的特点.但总的来说,本标定试验的结果较
4545.40.40.947.42.45.4
2
好,标定曲线的R均大于98%在标定过程中,由于仪器本身的误差以及测
量时探针插孔对容重的影响,以及前、后期插孔位置重叠都会影响测量结果.实际上,如果把探头固
[8]
定在一点上做多次测量,其重现性是非常好的;
对田间土壤也是如此.因此,可以认为经过室内实验标定的函数关系,误差较小,能够满足要求.利用所标定的函数关系,将TDR测定的体积含水量进行修正,使其更加符合实际情况.标定公式与TDF探头、土壤容重、土壤的电导率EC、有机图6TDR测量值与校正后的土壤水分数据对比图质含量、土壤的湿润状况有关,而且土壤在地理分Fig.6SoilwatercontentsmeasuredbyTDR布上有很大的变异性,所以本试验所得的标定公式andcorrectedbycalibrationequation不可能对所有地区和所有土质都适用.
参考文献References:
将试验中得到的TDR标定方程应用于2008年4月1日在阿柔草场实地测量的土壤水分数据[1]ZhouLingyun,ChenZhixiong,LiWeimin.CalibrationonmeasurementofsoilwatercontentusingTimeDomainReflec2中,得到TDR测量值与TDR校正值之间的关系如trometryTDR[J]ActaPedologicaSinica,2003,401:
图6.图6中可以看出,校正后的土壤水分数据质59?
64.[周凌云,陈志雄,李卫民.TDR法测定土壤含水量量得到了明显的改善:
含水量较低时TDR测得的
的标定研究[J]土壤学报,2003,401:
59?
64.]
值偏低，经过校正后，土壤体积含水量高于测量[2]ToppGC,Davis
JL,AnnanAP.Electromagneticdetermi2
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