張麒昆 ,閔雷雷** ,王玉才 ,朱一丁 ,賈明磊 ,孫楷雯 ,沈彥俊

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院 蘭州 730070;2. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室 石家莊 050022;3. 河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 石家莊 050024)

土壤水是植物所需水分的重要來源[1]。土壤水分能夠直接影響作物生理活動,與植物生長關(guān)系密切,是農(nóng)作物和植物生長環(huán)境的核心要素之一[2]。土壤水分過多不僅會對作物根系呼吸造成影響,還會使土壤中的氮、磷等養(yǎng)分隨水分流失造成水體污染;水分過少將導(dǎo)致作物生產(chǎn)受到影響[3]。因此,開展土壤水分測定是農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境和水土保持等研究的基礎(chǔ)[4]。目前國內(nèi)外土壤水分測定方法主要有烘干法[5]、中子儀法[6]、介電法[7](時域反射法、頻域反射法、電容法)、宇宙射線中子法[8]、地球物理方法[9](探地雷達、高密度電阻法)、熱脈沖法[10]等?？紤]到觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和連續(xù)性、觀測過程的安全性,近年來針對土壤含水量的直接測量多采用水分傳感器[11]開展原位觀測的方式。土壤水分傳感器采用時域或頻域原理,通過測量與水分含量有關(guān)的介電常數(shù)或基質(zhì)電位來確定土壤含水量[12]。然而,由于土壤水分傳感器類型眾多,當(dāng)前國際使用較廣的土壤水分傳感器主要由國外的廠商生產(chǎn);各傳感器制造商提供的傳感器測定準(zhǔn)確度和適用條件也存在差異。如何在眾多的傳感器中篩選出區(qū)域適用性好、準(zhǔn)確度高的傳感器尤為重要。

影響傳感器測量準(zhǔn)確度的因素有土壤溫度、土壤容重、含鹽量、有機質(zhì)含量等[13-16]。目前,國內(nèi)外學(xué)者在土壤質(zhì)地對傳感器性能表現(xiàn)的影響方面開展了較多的研究,并對比了不同類型(廠家)的傳感器測量準(zhǔn)確度。Ferrarezi 等[17]對比了12 種傳感器在美國佛羅里達州砂質(zhì)土壤含水量測量中的準(zhǔn)確度;Wilson 等[18]利用美國氣候網(wǎng)觀測站評估了2 種傳感器在不同類型土壤的適用性;賀蕾[19]通過試驗對比研究了土壤溫度、土壤容重和土壤鹽分對TDR 型傳感器測量值的影響;Feng 等[20]和Singh 等[21]則重點分析了不同類型傳感器在砂土和黏土兩種土壤質(zhì)地條件下的測量準(zhǔn)確度。然而,現(xiàn)有的研究多為基于國外土壤而開展的對比試驗;對于國外廠商制造的傳感器,在國內(nèi)土壤的適應(yīng)性評價方面的研究較少;現(xiàn)有研究考慮的質(zhì)地類型較少,缺乏對更多土壤質(zhì)地類型的研究。因此,為了探究不同類型水分傳感器在河北平原典型農(nóng)田土壤中的性能表現(xiàn),本研究選擇國內(nèi)外通常使用的5 種土壤水分傳感器,分析了土壤質(zhì)地、容重對其測量準(zhǔn)確度的影響。本研究可為提高區(qū)域土壤含水量測定的準(zhǔn)確性提供科學(xué)指導(dǎo),并可為土壤含水量監(jiān)測中的傳感器選型提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤的選擇及處理

本研究選擇的土壤類型為河北平原廣泛分布的潮褐土和潮土。河北平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期以來為一年兩熟制,當(dāng)前大部分兩熟制區(qū)域的糧食年產(chǎn)量已接近甚至超過15 000 kg·hm-2,是我國重要的糧食高產(chǎn)區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地[22-23]。因此,針對該區(qū)域土壤開展水分傳感器監(jiān)測的適用性對比具有重要的科學(xué)意義和實踐價值。本研究考慮了該區(qū)域4 種典型的土壤質(zhì)地: 砂土、砂壤土、粉壤土、粉黏土,分別開展不同容重下的測量準(zhǔn)確度對比。粉壤土和砂壤土采集自中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站,砂土采集自河北省新樂市,粉黏土采集自河北省黃驊市。砂土、砂壤土、粉壤土、粉黏土的采樣深度分別為0～20 cm、40～80 cm、160～180 cm 和100～120 cm。供試土壤的主要理化性質(zhì)見表1。將土壤風(fēng)干后過篩(2 mm) 以去除石子、雜草,利用過篩后的土壤進行試驗。

表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 對比的傳感器類型

本文選擇國內(nèi)外常用的5 種傳感器(可同時測量含水量和電導(dǎo)率的傳感器)為研究對象,分別為TDR315H (Acclima Inc.)、CS655 (Campbell Scientific Inc.)、5TE (Decagon Devices)、Teros12 (Meter Group)和Hydra Probe Ⅱ (Stevens Water Monitoring Systems Inc.)。為敘述方便,上述5 種類型傳感器在下文中分別記作T315、CS655、5TE、T12、HP2。數(shù)據(jù)收集使用CR1000X 型數(shù)據(jù)采集器。傳感器相關(guān)的主要參數(shù)見表2。需要指出的是,盡管5TE 傳感器已經(jīng)停產(chǎn),并且已經(jīng)由T12 取代,但市面上仍有大量的5TE在繼續(xù)使用,因此本研究依然針對5TE 的測試準(zhǔn)確度進行了測試,并將其與另外4 種傳感器的測試結(jié)果進行了對比。

表2 試驗測試的5 種類型傳感器的探針數(shù)、探針長度、分辨率和測量范圍Table 2 Probes number,probe length,resolution and measurement range of the 5 types of sensors in the experiment

1.3 試驗方法

試驗在室內(nèi)進行,主要試驗步驟如下:

1)考慮到不同傳感器的探針長度和影響半徑特性(表2),制作了3 個高25 cm、直徑35 cm 的有機玻璃土柱。

2)根據(jù)華北平原潮土根系層(0～2 m)的土壤容重變化范圍[25],設(shè)定5 組土壤容重,分別為1.40 g·cm-3、1.45 g·cm-3、1.50 g·cm-3、1.55 g·cm-3、1.60 g·cm-3。

3)根據(jù)風(fēng)干土含水量和目標(biāo)容重,計算不同容重試驗下需要填充的土壤質(zhì)量。

4)設(shè)定好目標(biāo)體積含水量,稱取需要的土壤樣品,用噴霧器進行灑水,邊灑水邊攪拌,同時用天平記錄所添加水的質(zhì)量,攪拌均勻后,將全部土壤填入有機玻璃土柱,每填入5 cm 深用同樣半徑的鋼板進行按壓,直至將目標(biāo)質(zhì)量的土壤全部填充完成。

5)將5 種土壤水分傳感器小心地垂直插入土樣中,考慮到官方手冊中的傳感器測量半徑,為了保持每個傳感器之間不發(fā)生互相影響及邊壁效應(yīng)造成試驗誤差,每個傳感器距邊壁7 cm,傳感器之間間隔至少為6 cm。每次測量約20 min,并對穩(wěn)定后的測定值計算平均值,作為傳感器測量值。本研究重點關(guān)注傳感器采用默認(rèn)參數(shù)或方程情形下的測量準(zhǔn)確度,因此未對傳感器進行標(biāo)定或修正。所有傳感器均連接至CR1000X 數(shù)據(jù)采集器,利用LoggerNet 4.7 軟件采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)記錄間隔為10 s。

6)測定結(jié)束后,從土柱里隨機選擇3 處挖取土樣,利用烘干法,測定土壤質(zhì)量含水量,結(jié)合容重確定土壤的真實體積含水量。

7)重復(fù)步驟3)～6),從低含水量段開始試驗,直至土壤接近飽和。

由上述試驗步驟不難看出,土柱內(nèi)土壤含水量的空間均勻性是影響試驗效果的關(guān)鍵因素。本研究針對土柱填充方法進行了土壤含水量均勻性的檢驗:在土柱填充完成后,利用T315 傳感器在土柱上隨機選取5 個位置(間隔至少6 cm,保證每一次測量不受上一次測量形成的插孔的影響)進行均勻性測量,發(fā)現(xiàn)土柱內(nèi)不同區(qū)域和位置的土壤含水量變化均不超過1%。為了進一步減少試驗誤差,本研究在每個容重和含水量水平下都設(shè)置3 個重復(fù)。因此,通過上述步驟可在最大程度上消除土壤水分空間非均勻性對研究結(jié)果的干擾。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤質(zhì)量含水量的真實值以烘干法得出的值為準(zhǔn),見公式(1);土壤體積含水量的真實值由式(2)計算得到:

式中: θm為土壤質(zhì)量含水量(g·g-1),M為濕土質(zhì)量(g),M1為干土質(zhì)量(g),θv為土壤體含水量(cm3·cm-3),BD 為土壤容重(g·cm-3)。

將傳感器測定的土壤體積含水量測量值與土壤體積含水量真實值(θv)進行對比,選用均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)評價土壤含水量的測量準(zhǔn)確度[26-27]。

均方根誤差(RMSE,cm3·cm-3)是測量值(yi)與真實值(y)偏差的平方和與測量次數(shù)(m)比值的平方根,用來衡量測量值同真實值之間的偏差,見公式(3):

平均絕對誤差(MAE,cm3·cm-3)是測量值(yi)與真實值(y)的絕對偏差的平均值,見公式(4):

除上述兩個指標(biāo)外,本研究還利用單因素方差分析來探討土壤質(zhì)地和容重對傳感器測量準(zhǔn)確性的影響。單因素方差分析在SPSS 21.0 軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地對測量結(jié)果的影響

圖1 為5 種類型傳感器在不同土壤質(zhì)地條件下土壤含水量的測量值與真實值比較的散點圖。從圖1中可以看出,5 種土壤水分傳感器對質(zhì)地變化的響應(yīng)呈現(xiàn)出顯著的差異性。土壤質(zhì)地對T315 測量值影響最小,絕大部分測量值均勻地分布在1∶1 線上;土壤質(zhì)地對測量值的影響僅體現(xiàn)在高含水量段(＞0.3 cm3·cm-3),其中砂土中的測定值偏高(最大誤差為0.056 cm3·cm-3),而粉黏土中的測量值偏低(0.044 cm3·cm-3),但在這兩種土壤質(zhì)地中偏離的幅度大致相當(dāng)。T12 的測量值對土壤質(zhì)地變化的響應(yīng)與T315 顯著不同(圖1): 土壤質(zhì)地對T12 測量值的影響整體上大于T315;在粉黏土和砂壤土中的測量值偏高,而在砂土和粉壤土中測量值則與真實值吻合得較好;此外,T12 在較低含水量段(低于0.3 cm3·cm-3)受質(zhì)地的影響明顯大于高含水量段。

圖1 土壤質(zhì)地對5 種類型傳感器含水量測量值的影響Fig.1 Influence of soil texture on water content measured by five types of sensors

當(dāng)含水量低于0.3 cm3·cm-3時,CS655 在4 種土壤質(zhì)地下的測量值均低于真實值,且在砂土中的偏差最大;當(dāng)含水量高于0.3 cm3·cm-3時,測量值則高于真實值,但偏離程度小于低含水量段。與T12 和CS655 類似,HP2 在低含水量段的測量值受土壤質(zhì)地的影響更明顯。不同的是,HP2 的測量值在粉壤土和砂壤土中明顯高于真實值,而在砂土和粉黏土中明顯低于真實值。5TE 在4 種土壤質(zhì)地條件下的測量值與真實值均存在較大的誤差,其中砂土的測量值誤差最大,可達0.215 cm3·cm-3。

表3 統(tǒng)計了不同土壤質(zhì)地、從干燥至飽和情況下各傳感器測量值與真實值的平均絕對誤差和均方根誤差?？梢钥闯鯰315 在4 種土壤質(zhì)地條件下均保持了較高準(zhǔn)確度,測量誤差均不超過0.017 cm3·cm-3;T12 在砂壤土的測量誤差較大(0.041 cm3·cm-3),在其他3 種土壤質(zhì)地下的誤差均不超過0.021 cm3·cm-3。CS655 在砂土的測量準(zhǔn)確度最差,測量誤差為0.054 cm3·cm-3,在其他3 種質(zhì)地類型下的測量誤差均不超過0.024 cm3·cm-3。HP2 在4 種土壤質(zhì)地類型下的測量準(zhǔn)確度相當(dāng),測量誤差均介于0.02～0.032 cm3·cm-3;5TE 的測量誤差則基本超出0.05 cm3·cm-3,這表明在未經(jīng)標(biāo)定的情況下,該傳感器的測定結(jié)果幾乎無法反映真實情況?？傮w而言,在4 種土壤質(zhì)地條件下,T315 的測量誤差均最小,且誤差變幅最小,表明T315 的測量結(jié)果最為可靠(圖2)。

圖2 5 種類型傳感器在4 種土壤質(zhì)地下含水量的測量誤差箱式圖Fig.2 Boxcharts of water content measurement errors by 5 types of sensors under 4 soil textures

表3 5 種類型傳感器在不同質(zhì)地類型土壤中的含水量測量準(zhǔn)確性[平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)]Table 3 Mean absolute error (MAE) and root-mean-square error (RMSE) between water contents measured by 5 types of sensors and true values of different types of soil cm3·cm-3

方差分析結(jié)果表明,除T315 外,土壤質(zhì)地對其余4 種傳感器測量結(jié)果的影響均為極顯著(P＜0.01)。

2.2 容重對測量結(jié)果的影響

圖3、圖4 分別給出了粉黏土和砂土中不同容重對含水量測量值的影響。從圖中可以看出,對不同類型的土壤水分傳感器而言,容重對土壤含水量測量值的影響微弱,僅對T12 傳感器測量結(jié)果有一定的影響。當(dāng)容重為1.4 g·cm-3時,T12 在粉黏土中的測量值低于真實值;當(dāng)容重大于1.4 g·cm-3時,其測量值則高于真實值。實際上,針對其他兩種質(zhì)地類型(粉壤土和砂壤土),容重對測量結(jié)果的影響也比較微弱。方差分析結(jié)果顯示: 在4 種質(zhì)地類型土壤中,容重變化對5 種傳感器的測量準(zhǔn)確度無顯著影響。

圖3 容重(BD)對5 種類型傳感器測定粉黏土含水量的影響Fig.3 Effects of bulk density (BD) on water content of silty clay soil measured by 5 types of sensors

圖4 容重(BD)對5 種類型傳感器測定砂土含水量的影響Fig.4 Effects of bulk density (BD) on water content of sand measured by 5 types of sensors

2.3 含水量對測量結(jié)果的影響

在前文中已經(jīng)提到,土壤水分傳感器在低含水量段和高含水量段的性能表現(xiàn)存在差異。圖5 反映了各傳感器測量絕對誤差隨真實含水量的變化趨勢。如圖5 所示,在粉黏土中,隨著真實含水量的增加,T12 的測量誤差逐漸降低,從最大為0.044 cm3·cm-3幾乎下降至零,而T315、CS655 和5TE 呈現(xiàn)增大的趨勢,而HP2 呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,但大部分情況下,誤差最大值不超過0.03 cm3·cm-3。在粉壤土中,除5TE 外,在不同的含水量下,僅有個別傳感器的絕對誤差偶爾超過0.05 cm3·cm-3,且T315、CS655、HP2 及T12 的絕對誤差隨含水量的增大沒有明顯的變化趨勢。在砂壤土中,在低含水量段T12 的測量誤差明顯大于0.03 cm3·cm-3,但其隨含水量的增加誤差呈顯著下降趨勢;在個別含水量條件下,CS655 的測量誤差也超過了0.03 cm3·cm-3。除CS655 外,其余4 種傳感器在砂土中的測量誤差均隨含水量增加而呈增加的趨勢。由此可見,在不同的土壤質(zhì)地條件下,土壤含水量也極有可能影響傳感器的測量誤差;不論何種質(zhì)地的土壤,影響傳感器測量誤差的含水量閾值為0.03 cm3·cm-3。

圖5 不同土壤類型含水量對5 種類型傳感器測定含水量誤差的影響Fig.5 Influence of water content of different soil types on soil water measurement errors by 5 types of sensors

3 討論

土壤質(zhì)地是影響傳感器測量結(jié)果的因素之一,大量研究表明土壤質(zhì)地對傳感器的測量結(jié)果有顯著的影響。本研究主要對比了常見的5 種傳感器(T315、T12、CS655、HP2 和5TE)在不同質(zhì)地條件下的性能表現(xiàn)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在5 種傳感器中,T315 的綜合表現(xiàn)更好、準(zhǔn)確度更高。Ferrarezi 等[17]和Wilson等[18]的研究結(jié)果也表明: TDR315L (本研究中T315傳感器的同族產(chǎn)品)比Hydra Probe (本研究中HP2傳感器的上一代產(chǎn)品)的測量準(zhǔn)確度更高。但與本研究結(jié)果不同的是,Ferrarezi 等[17]發(fā)現(xiàn)5TE 的測量精度也優(yōu)于Hydra Probe。Feng 等[20]發(fā)現(xiàn)TDR315、CS655 在砂壤土中的測量值比黏土中的測量值更接近土壤含水量,但測量結(jié)果都普遍偏大;Singh 等[21]也發(fā)現(xiàn)TDR315 和CS655 在砂土中測量的結(jié)果更接近真實值,而在黏土中TDR 測量值偏低、CS655 測量值則偏高。然而,本研究結(jié)果則發(fā)現(xiàn)CS655 在砂土中的測量準(zhǔn)確度差于黏土,這可能與試驗條件的不同有關(guān)。本研究的試驗條件為室內(nèi)控制,檢查了土壤含水量的均勻性,并且設(shè)置了重復(fù),可以保障研究結(jié)果更具有代表性。此外,針對高鹽度的土壤,劉鵬等[28]則發(fā)現(xiàn)5TE、Teros12、Hydra Probe Ⅱ、TDR315H、CS655 的測量值均呈現(xiàn)不同程度的偏高,與本研究結(jié)果明顯不同,可能與本研究所采取的供試土壤含鹽量遠低于劉鵬等[28]研究采用的土壤有關(guān)。

本研究所對比的容重(1.40 g·cm-3、1.45 g·cm-3、1.50 g·cm-3、1.55 g·cm-3、1.60 g·cm-3)均在1.40 g·cm-3以上,并發(fā)現(xiàn)容重對土壤水分傳感器測量結(jié)果的影響不顯著。楊海等[29]研究發(fā)現(xiàn)在埋深為60 cm 以后土壤容重對測量值影響較小;唐玉邦等[30]也研究發(fā)現(xiàn)在同一土壤水分含量下,土壤容重達1.40 g·cm-3后測量值趨于平穩(wěn)[30]。由此可見,當(dāng)土壤容重低于1.40 g·cm-3時,容重對不同類型傳感器測量準(zhǔn)確度的影響尚需要開展深入的研究。

綜上所述,受多種因素的綜合影響,土壤條件不同可能也會導(dǎo)致同一類型傳感器的測量準(zhǔn)確度存在較大的差異,這也更加凸顯了在不同類型土壤地區(qū)開展傳感器適用性評價的重要性。

4 結(jié)論

本文分析了國內(nèi)外常用的5 種土壤水分傳感器在河北平原典型農(nóng)田土壤中的適用性,考慮了土壤質(zhì)地和容重兩個因素對傳感器測量準(zhǔn)確性的影響,得到結(jié)論如下:

1)在使用未標(biāo)定的土壤水分傳感器的前提下,5TE 的測量準(zhǔn)確度較差,T12 和CS655 分別在砂壤土和砂土中的表現(xiàn)不夠理想;但總體來看,T315、HP2、CS655 和T12 傳感器的綜合測量誤差基本不大于0.03 cm3·cm-3。

2)土壤質(zhì)地對傳感器測量準(zhǔn)確度的影響遠大于容重,未來研究需要充分重視土壤質(zhì)地的影響,當(dāng)土壤容重大于1.4 g·cm-3時,可忽略對容重影響的研究。

3)土壤含水量對傳感器的測定值也會產(chǎn)生顯著影響,當(dāng)含水量在0.3 cm3·cm-3左右,傳感器測量精度發(fā)生明顯變化,但不同傳感器的測量精度在閾值上下的變化態(tài)勢并不一致。

需要說明的是,本研究僅考慮了容重和質(zhì)地兩種因素對傳感器測量準(zhǔn)確度的影響,而對土壤有機質(zhì)、含鹽量等因素未加考慮;也未對造成上述結(jié)果的原因進行深入探討。因此,多重因素的綜合作用下的傳感器測試性能對比和機理研究需進一步加強。