TRIME—T3管式TDR在測(cè)量土壤水分時(shí)的誤差及校正

摘要：TRIME-T3管式TDR （Time domain reflectometry）系統(tǒng)線路簡(jiǎn)單、能耗小、價(jià)格便宜、可實(shí)現(xiàn)非擾動(dòng)定位瞬時(shí)剖面觀測(cè)，廣泛用于測(cè)量土壤水分。但是，在安裝和使用過(guò)程中，受土壤空隙、溫度、類型、電導(dǎo)率、含水量等因素的影響，測(cè)定土壤水分會(huì)產(chǎn)生誤差。為提高土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果和筆者實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，提出了經(jīng)驗(yàn)公式、室內(nèi)校正、野外校正和其他校正等方法。

關(guān)鍵詞：TRIME-T3管式TDR；土壤水分；誤差；校正

中圖分類號(hào)：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）13-3015-03

土壤水分是土壤的一個(gè)重要物理參數(shù)，測(cè)定土壤水分的方法很多，傳統(tǒng)的測(cè)定土壤水分的方法如烘箱法、石膏電阻塊法、張力計(jì)法和中子儀法[1]等具有過(guò)程繁冗、受環(huán)境影響大、不能連續(xù)監(jiān)測(cè)、表層含水量不易測(cè)定且具有輻射性等不足[2，3]。TDR（Time domain reflectometry）因其快速、準(zhǔn)確、便攜、易操作、能自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分及其變化等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多地被用于土壤水分的測(cè)量工作中[4，5]。作為TDR 家族中的新秀，TRIME-T3管式TDR又以其能耗小、線路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、可實(shí)現(xiàn)非擾動(dòng)定位瞬時(shí)剖面水分監(jiān)測(cè)[6]等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到越來(lái)越多地應(yīng)用。然而，在使用TRIME-T3管式TDR測(cè)定土壤水分的過(guò)程中尚有不少容易產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)，必須充分了解所有誤差的來(lái)源并對(duì)其進(jìn)行校正，才能盡量減少誤差，提高土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境和水土保持等研究工作的準(zhǔn)確度和可靠性。

1 TRIME-T3管式TDR的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理

德國(guó)IMKO公司的專利產(chǎn)品TRIME-T3管式TDR系統(tǒng)包括FM3讀數(shù)表、T3探頭和探管等配置，表層含水量可選配P3系列表層探頭配合使用。TRIME-T3管式TDR的安裝使用方法與中子儀相近，所不同的是可實(shí)現(xiàn)非擾動(dòng)定位瞬時(shí)觀測(cè)，TRIME-T3管式TDR采用TECANAT制成的透明塑料管代替中子儀的鋁管，只需移動(dòng)圓柱式探頭（外包PVC外殼，4個(gè)反向彈性鋁條為TDR波導(dǎo)體）在塑料管中的位置，就可以從FM水分表離線式讀出探頭水分測(cè)量值，即不同深度土壤的體積含水率，測(cè)量深度可達(dá)3 m。

該儀器的測(cè)量原理為：TDR發(fā)射頻率為1 MHz～1 GHz的電磁脈沖，經(jīng)過(guò)同軸電纜進(jìn)入波導(dǎo)探針進(jìn)行傳播，遇到障礙物后產(chǎn)生反射并返回到儀器，通過(guò)測(cè)量電磁脈沖沿波導(dǎo)探針在土壤介質(zhì)中傳播并在其末端反射所需時(shí)間就可以計(jì)算出被測(cè)物質(zhì)含水量的大小[7]。

2 TRIME-T3管式TDR的誤差來(lái)源

1980年Topp等[8]對(duì)各類不同粒級(jí)土壤的研究表明，土壤的介電常數(shù)強(qiáng)烈地依賴土壤中液態(tài)水含量，而對(duì)土壤類型、密度和溫度（>0 ℃）的依賴性很小。但后來(lái)的研究表明，在測(cè)量精度要求較高時(shí)這一結(jié)論是不正確的[9-11]。TRIME-T3管式TDR系統(tǒng)作為TDR的一種，在安裝和使用過(guò)程中受多種因素影響，且各因素間可能相互作用。下面就各個(gè)因素分別進(jìn)行論述。

2.1 土壤空隙產(chǎn)生的誤差

TRIME-T3管式TDR的探管和土壤之間不能存在空隙，因?yàn)榭諝饩哂凶畹偷慕殡姵?shù)。如果存在空隙，TDR測(cè)出的水分含量就比實(shí)際的土壤水分含量要低得多，且土壤含水量越高時(shí)空隙造成的誤差越大。1 mm的空隙，在土壤體積含水量為15%時(shí)，誤差±（1%～2%）；土壤體積含水量為25%時(shí)，誤差 ±5%；在更高體積含水量下，誤差可高達(dá)±10%[12]。另外，空隙對(duì)于具有膨脹和收縮性質(zhì)的土壤產(chǎn)生的誤差更大[6]。

2.2 土壤溫度產(chǎn)生的誤差

應(yīng)用TDR野外測(cè)定土壤水分時(shí)會(huì)受土壤溫度的影響，并且土壤各層次的影響程度和大小各不相同。姜小三等[13]研究表明，在溫度23～31 ℃下，對(duì)黃土高原土壤用TDR所測(cè)土壤含水量比土鉆法所測(cè)值偏高；溫度低于23 ℃或高于31 ℃時(shí)，TDR所測(cè)土壤含水量比土鉆法所測(cè)值偏低；而在23 ℃和31 ℃附近時(shí)，這兩種方法測(cè)得的土壤含水量的差異不顯著。

2.3 土壤類型產(chǎn)生的誤差

土壤類型對(duì)測(cè)值影響不大，通常情況下，如若對(duì)精度要求不高，可直接使用其出廠標(biāo)定。但對(duì)于一些特殊的土壤，測(cè)值就不夠準(zhǔn)確[5，14]，如黏土（土壤體積含水量>40%，尤其是膨脹性黏土）和有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤（黑泥土、腐殖質(zhì)、無(wú)土栽培基質(zhì)等），當(dāng)含水量較高時(shí)，由于輸入電磁波的能量耗散較大，導(dǎo)致反射訊息模糊，容易造成失準(zhǔn)。周凌云等[7]利用Steven TDR在室內(nèi)分別測(cè)定了沙土、壤土、粉沙土和黏土4種土壤類型的土壤含水量，結(jié)果表明沙土和黏土的TDR測(cè)量值與烘箱法測(cè)量值之間的偏差較大，壤土和粉沙土的測(cè)量偏差相對(duì)較小。李道西等[15]的研究表明，在黏壤質(zhì)土中，TDR法的土壤含水量測(cè)值較烘箱法顯著偏小，絕對(duì)偏差范圍在0.02～0.09 cm3/cm3，相對(duì)偏差范圍4.1%～44.0%。

2.4 土壤電導(dǎo)率產(chǎn)生的誤差

土壤電導(dǎo)率作為土壤鹽分的一個(gè)指標(biāo)反映了土壤中離子的含量。最初的一些研究認(rèn)為土壤電導(dǎo)率不對(duì)TDR測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響[8]，但后來(lái)的一些研究者對(duì)此持不同意見(jiàn)。Dalton等[16]認(rèn)為，當(dāng)土壤孔隙水溶液電導(dǎo)率接近或大于8 dS/m時(shí)會(huì)使土壤含水率的測(cè)量值偏高。曹玉鵬等[17]研究了電導(dǎo)率為20～66 dS/m的海相淤泥，結(jié)果表明Topp等[8]建立的土體介電常數(shù)與體積含水率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式不適用于含鹽量為1.5%～4.5%、質(zhì)量含水率為120%～320%的海相淤泥。譚秀翠等[18]的研究也表明，在同一含水率條件下，TDR測(cè)量得到的含水率與烘箱法得到的含水率之間的差值隨土體中鹽分質(zhì)量濃度的增加而增加。當(dāng)鹽分含量過(guò)高時(shí)還會(huì)導(dǎo)致儀器測(cè)量結(jié)果異常，出現(xiàn)負(fù)值或是無(wú)法讀取數(shù)據(jù)。

2.5 土壤密度產(chǎn)生的誤差

TRIME-T3管式TDR在出廠前已通過(guò)密度為1.4 g/cm3的石英砂進(jìn)行了標(biāo)定，一般情況下，當(dāng)土壤密度在1.1～1.7 g/cm3范圍內(nèi)時(shí)，土壤密度對(duì)TRIME水分測(cè)量的影響可以不予考慮，無(wú)需再次標(biāo)定[3]。但是如果土壤密度過(guò)大（>1.7 g/cm3），測(cè)量的結(jié)果就會(huì)偏高；密度過(guò)小（<1.1 g/cm3），則結(jié)果偏低[6]。這是因?yàn)橥馏w密度很大時(shí)，就意味著土體基質(zhì)增加，土體空氣減少，而土體基質(zhì)的介電常數(shù)大于空氣的介電常數(shù)就導(dǎo)致測(cè)出的水分含量高出了實(shí)際的水分含量[19]。

2.6 土壤含水量產(chǎn)生的誤差

當(dāng)土壤含水量較低時(shí)TDR測(cè)得的值偏小，含水量較高時(shí)測(cè)得的值偏大，這種偏差可能是由于自由水和結(jié)合水的介電特性差異導(dǎo)致的。含水量較低時(shí)結(jié)合水占主導(dǎo)地位，其介電常數(shù)低于自由水介電常數(shù)，所以測(cè)得的值偏低。含水量較高時(shí)測(cè)定的值偏高的原因可能是因?yàn)橥寥浪挚臻g變異的影響。周凌云等[7]的研究表明，在土壤含水量較低的情況下，TDR的相對(duì)偏差比較大。當(dāng)含水量極低的情況下，TDR的誤差可以達(dá)到54.4%，甚至100.0%。

2.7 其他原因產(chǎn)生的誤差

1）TRIME-T3管式TDR不能很好地反映固態(tài)水含量，因而測(cè)量?jī)鐾了玫降闹祵?shí)際上并不是真正的含水量，而僅僅是土壤孔隙中貯存的液態(tài)水含量。

2）由于TDR是在出廠時(shí)連同電纜、探針等裝置在內(nèi)進(jìn)行了嚴(yán)格標(biāo)定的，標(biāo)定后的參數(shù)被專門的軟件寫在探針連接器里面，所以用戶對(duì)其延長(zhǎng)電纜、更換探針等會(huì)導(dǎo)致儀器產(chǎn)生誤差。

3）實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，不同層次土壤密度不同，管壁與周圍土壤之間的空隙大小也不同，都會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

4）在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)測(cè)管內(nèi)壁有小水珠，可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

3 TRIME-T3管式TDR的校正方法

首先，采用正確的安裝方法可以盡可能地減少誤差。安裝時(shí)要使用TRIME配套的專用工具精細(xì)操作，TRIME-T3管式TDR中的探管埋入土壤中并不能馬上使用，需在管壁與土壤空隙處做灌漿處理，約4周后方能正常使用[12]。

其次，在使用前進(jìn)行必要的標(biāo)定。雖然TRIME-T3管式TDR在出廠前連同電纜、探針、探頭等裝置已進(jìn)行了標(biāo)定[3]，但是當(dāng)要求誤差更小時(shí)，仍需預(yù)先標(biāo)定，標(biāo)定方法有[7，14]：

1）經(jīng)驗(yàn)公式。校正水分=實(shí)測(cè)水分+（12.12×密度-17.05）。

2）室內(nèi)校正方法。①取土。從試驗(yàn)區(qū)采回表層土，將取來(lái)的土樣充分風(fēng)干、粉碎，過(guò)篩（篩孔2 mm），并將土樣充分混勻2～3次，使含水量均勻一致。②回填。在標(biāo)定土桶（直徑60 cm，高100 cm）的中部放好TDR探管后逐層回填土，每加一定量的土樣，人工壓實(shí)至接近田間容重值（1.35 g/cm3）。每層保持相同的裝土厚度和壓實(shí)重量，使測(cè)管周圍的容重與其他地方保持一致。當(dāng)土樣達(dá)到一定高度時(shí)，將表面夯實(shí)、刮平。③測(cè)定。分別在10、15、20、30、40、50、60 cm土壤深處進(jìn)行TDR讀數(shù)，然后在讀數(shù)深度處用環(huán)刀取土樣4～6個(gè)，為避免因蒸發(fā)引起的土壤含水量減少，及時(shí)將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稱重、烘干，并計(jì)算體積含水量。④加水。為了得到6組從干土到濕土的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過(guò)程中共需加5次水，直至土壤體積含水量接近最大值（約40%）。為了使各層的土壤含水量均勻一致，每次加水時(shí)，都需要從桶內(nèi)倒出標(biāo)定土壤并攤開(kāi)，每攤開(kāi)一層，一邊用噴水壺灑水，一邊攪拌。⑤每次加水后重復(fù)步驟②、③，這樣便得到一組相應(yīng)的體積含水量與TDR讀數(shù)記錄，進(jìn)而作出回歸曲線。

3）野外校正方法。在使用TRIME-T3管式TDR逐層進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后原深度旋轉(zhuǎn)探頭，每層測(cè)3次取其平均值；同時(shí)，用環(huán)刀（體積為100 cm3）在探頭埋設(shè)地點(diǎn)周圍相同深度取原狀土樣，每次取3個(gè)，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用烘箱法測(cè)定相應(yīng)的體積含水量，取平均值與TDR測(cè)值進(jìn)行標(biāo)定。野外校正同樣需要用烘箱法和TDR測(cè)定從凋萎濕度到飽和含水量的數(shù)據(jù)對(duì)。

4）結(jié)合筆者實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他原因造成的誤差進(jìn)行相應(yīng)地處理。①在冬季適當(dāng)增加凍土層土壤含水率的烘箱法測(cè)定頻率，以解決TDR不能很好地反映固態(tài)水含量的問(wèn)題。②按照要求使用TDR出廠時(shí)的原裝電纜、探針等裝置。③采用依照實(shí)際情況分層標(biāo)定的辦法，把同一測(cè)管規(guī)律一致的相鄰層次放在一起用同一方程標(biāo)定。④用細(xì)繩拴住裝了干燥變色硅膠的布袋置入TDR測(cè)管中以干燥測(cè)管，并定期取出變色硅膠烘干再用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李玉琪.負(fù)壓計(jì)在測(cè)定土壤水分中的應(yīng)用與分析[J].人民黃河，1998，20（12）：30-31.

[2] 張書函，康紹忠，張富倉(cāng)，等.6050X1型時(shí)域反射儀的測(cè)定原理與靈敏性[J].西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，24（3）：10-15.

[3] 龔元石，李子忠.應(yīng)用時(shí)域反射儀測(cè)定農(nóng)田土壤水分[J].水科學(xué)進(jìn)展，1997，8（4）：329-334.

[4] HEIMOVAARA T J， BOUTEN W. A computer-controlled 36-channel time domain reflectometry system for monitoring soil water contents[J]. Water Resource Research，1990，26（10）： 2311-2316.

[5] 王紹令，楊梅學(xué).時(shí)域反射儀在監(jiān)測(cè)青藏高原活動(dòng)層水分變化過(guò)程中的應(yīng)用[J].冰川凍土，2000，22（1）：78-84.

[6] 張智慧，康爾泗，金博文，等.TRIME-TDR 技術(shù)在黑河流域觀測(cè)試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].冰川凍土，2003，25（5）：574-579.

[7] 周凌云，陳志雄.TDR 法測(cè)定土壤含水量的標(biāo)定研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2003，40（1）：59-64.

[8] TOPP G C， DAVIS J L， ANNAN A P. Electromagnetic determination of soil water content： Measurements in coaxial transmission lines[J]. Water Resour Res，1980，16（3）：574-582.

[9] SKIERUCHA W， WILCZEK A， ALOKHINA O. Calibration of a TDR probe for low soil water content measurements[J]. Sensors and Actuators A： Physical，2008，147（2）：544-552.

[10] TOPP G C， DAVIS J L. Measurement of soil water content using time-domain reflectrometry （TDR）： A field evaluation [J]. Soil Science Society of America Journal，1985，49（1）：19-24.

[11] 楊直毅，樊 軍.TDR和FDR測(cè)定黃綿土土壤含水量的標(biāo)定[J].土壤通報(bào)，2009，40（4）：740-742.

[12] 李笑吟，畢華興，刁銳民，等.TRIME-TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)的原理及其在黃土高原土壤水分監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2005，3（1）：112-115.

[13] 姜小三，倪紹祥，潘劍君，等.溫度條件對(duì)TDR測(cè)定土壤水分的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004（4）：102-104.

[14] 鄭茹梅，李子忠，龔元石，等.基于相位差的時(shí)域反射儀測(cè)定土壤含水量的標(biāo)定和田間驗(yàn)證[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011， 16（1）：100-104.

[15] 李道西，彭世彰，丁加麗，等.TDR在測(cè)量農(nóng)田土壤水分中的室內(nèi)標(biāo)定[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26（1）：249-252.

[16] DALTON F N， HERKELRATH W N， RAWLINS D S， et al. Time-domain reflectometry： Simultaneous measurement of soil water content and electrical conductivity with a single probe[J]. Science，1984，224：989-990.

[17] 曹玉鵬，鄧永鋒，洪振舜.高鹽分環(huán)境下TDR測(cè)試高含水率方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（12）：1916-1921.

[18] 譚秀翠，楊金忠，查元源.土壤含鹽量對(duì)TDR含水率測(cè)試結(jié)果的影響及校正方法[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2010，29（6）：1-6.

[19] 潘宗俊，謝永利，文明勇，等.基于TDR 技術(shù)的水分測(cè)量系統(tǒng)量測(cè)膨脹土含水量偏差分析[J].公路交通科技，2009，26 （7）：59-63.