基于V-TDR工作原理的SOILTOP-200土壤墒情测定仪的实际应用

傅建文，王 勇，颜 坤

（天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300061）

基于V-TDR工作原理的SOILTOP-200土壤墒情测定仪的实际应用

傅建文，王 勇，颜 坤

（天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300061）

现代农业中，能否对土壤水分进行有效测量与控制是实现“精细农业”与“精细灌溉”的关键。SOILTOP-200墒情测定仪采用频域频率步进式（V-TDR）探测方案，应用连续波在频域进行测试，通过傅立叶变换转换到时域，反演得到平行探测传输线周围的土壤介电常数，进而通过Topp经验公式得到体积含水率。试验表明，SOILTOP-200仪器在未经率定的前提下运行稳定，测量数据准确、可靠。

V-TDR；土壤墒情；SOILTOP-200；Topp经验公式

1 背景综述

随着现代农业的快速发展，如何提高土壤保墒、散墒等状况的技术作业精度是实现农作物“精耕细作”的关键。土壤是由固、液、气三相组成的混合介质，内部结构极为复杂；其中，空气介电常数为1，大多数土壤颗粒介电常数在2～4[1]，自由水介电常数为80.36（20℃）[2-4]；由于自由水的介电常数明显高于其它两项介质，因此在非饱和土壤中，土壤含水量是土壤介电常数的主要影响因子，土壤绝对介电常数的变化能很好地反映土壤含水量的变化[5]。土壤绝对介电常数Ka和含水量θ实际定量关系的确定是发展基于高频电磁波理论的土壤含水量测定技术的重要基础，其中最受关注的是高频电磁法，由于实际测量过程中不破坏被测土壤的内部结构，因而其成为研究连续原位测定土壤含水量的常规仪器方法。

1965年，Looynega提出具有物理基础的土壤介电常数混合介质模型[6]，首次将土壤介电常数Ka和含水量θ的实际关系进行了定位研究，建立了Ka－θ关系概念模型。随后，各国众多科研学者对Ka－θ关系模型展开了大量的研究[7-9]，其中应用最广泛的关系模型是加拿大科学家Topp的完全经验公式和美国研究学者Herkelrath的半理论半经验公式。Topp公式是根据不同区域不同时段多种典型土壤的大量试验数据拟合而成的三次多项式方程，即θ=-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka2+4.3×10-6Ka3。由上述方程可知，只需土壤绝对介电常数Ka一个参量就能确定实际被测土壤的体积含水率θ，尤其适用于高频率信号（1.5 GHz以上）对土壤实际含水量的测量[10]，故被大量学者研究应用。

2 SOILTOP-200土壤墒情测定仪介绍

2.1 TDR技术理论

TDR技术被认为是一种快速、安全地测定土壤含水量和电导率的方法。其测量原理为信号发生器所激发的电脉冲以电磁波的形式沿着传输线系统传播，当传输线阻抗发生变化时就形成反射，反射波形被接收器所记录。反射波与入射波之间所包含的信息反映了土壤的电介质特性。

土壤的绝对介电常数Ka=Ka'+jKa″，影响因子较多。Ka'对应电磁波在土壤里的传导时间，Ka″对应电磁波在波导中的损耗，主要受土壤类型、质地、容重、温度、含盐量等因素影响。由于高频载波技术存在突破瓶颈，国内外几乎所有产品无法将电磁载波信号进行分解，所以在实际测量中很难得到绝对介电常数值Ka。

2.2 SOILTOP-200土壤墒情测定仪工作原理

SOILTOP-200土壤墒情测定仪采用步进式矢量扫频（V-TDR）探测方案，信号源利用频率调制技术（DDS数字式频率合成器）步进式矢量信号发射，通过对信号相位差的变化，合成新的信号频率，实现信号扫频；接收机采用VNA矢量接收技术（Vector Network Analyzer），应用连续波在频域内进行测试，通过数字运算转换到时间域，经数据分析、反演得到平行传输线（土壤探针）周围土壤介电常数及其土壤体积含水率。该产品区别于国内SWR、FDR等产品，采用步进式矢量扫频信号，最高频率可达4 GHz；由于采用了矢量高频信号，它有效地将电磁信号的实部虚部进行了分解，得到土壤绝对介电常数，实现了实际测量过程中基本不受土壤电导率、类型、容重、温度等多种因素的影响，不需要提前率定，即可准确测量土壤体积含水率，是国内首台无需率定的土壤墒情测定仪。

3 野外数据测量及分析

3.1 试验土壤

天津水文水资源勘测管理中心自然土壤测试地点为天津市静海区西钓台墒情站，对土壤体积含水率进行试验测量。自然条件下的土壤颗粒大小不均，有些土层还含有较大石块，并且土壤类型复杂未知。

3.2 试验方案

针对静海区西钓台墒情站的自然土样进行土壤墒情的分层测量，分别将3根平行探针埋设于10、20、40 cm的土层内，埋设完毕后回填土样，保留野外自然条件下土层的容重；回填完毕后，应用SOIL⁃TOP-200土壤墒情测定仪对各土层进行定时测量，每天测量自然条件下各土层的土样6次，各土层体积含水率为其平均值，测量时间为2015年11月3—15日。

3.3 测量比对

采用人工法进行对比测定，各土层烘干法数据为3次取得的平均值；自然土壤绝对介电常数应用天津特利普尔科技有限公司的SOILTOP-200土壤墒情测定仪进行测定，进而应用Topp公式推算得到所测量自然土样的实际体积含水率。

（1）数据重复性。天津市静海区西钓台墒情站重复性测量监测数据，见表1。从表1可以看出，SOILTOP-200土壤墒情测定仪每天测量的6组墒情数据几乎没有变化，标准偏差几乎为0，这充分证明了SOILTOP-200土壤墒情测定仪自身的稳定性良好。

表1 天津市静海墒情站各土层体积含水率测量数据

（2）数据准确性。11月3—5日实测地点天气为晴天，前3 d的数据整体含水率在28%左右，数据整体相对稳定；11月5日后半夜开始降小雨，阵性降雨一直持续到7日下午。SOILTOP-200土壤墒情测定仪测量数值与人工重量法测量数值的比对情况，见表2。从表2可以看出，11月6、7日所测土壤体积含水率在10 cm深度明显增加，20、40 cm深度含水率增加幅度不大，可见，由于降雨时间不够长，雨水并未完全渗透到20、40 cm的深度；11月8—13日天气为阴天，从测量数据中可以看出，经过几天雨水的渗透，雨水已经到达土层的各个深度，并且所测自然土样在各个深度的含水率差别不大，比较7 d的数据，10 cm深度的含水率变化不大，20、40 cm深度的含水率明显增加；11月14—15日天气为晴天，各个深度的土层含水率在逐渐减少，但整体含水率差别不大。

表2 SOILTOP-200土壤墒情测定仪测量数值与人工重量法测量数值的比对

经过两种方法测量数据的比对，可以看出SOILTOP-200土壤墒情测定仪测量数据整体变化趋势的合理性，且与人工重量法所测数据的相对误差在±2.5%以内，满足《土壤墒情监测规范》（SL364-2006）中的有关要求，充分证明了SOILTOP-200土壤墒情测定仪所测数据具有良好的准确性。

4 结论

SOILTOP-200土壤墒情测定仪采用步进式矢量扫频（V-TDR）探测方案，有效地将土壤绝对介电常数进行实部与虚部的分解，推算得到土壤绝对介电常数，进而求得土壤真实含水量。静海区西钓台墒情站实验测量所得的体积含水率与人工重量法相比，测量数据相对误差在±2.5%以内；并且仪器测量的重复性数据标准偏差几乎为0，证明了SOILTOP-200土壤墒情测定仪良好的测量精度和很好的测量稳定性。

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S152.7

A

1004-7328（2017）05-0061-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.020

2017—05—02

傅建文（1968—），男，高级工程师，主要从事水文业务管理和水环境监测管理工作。