FDR 对不同类型土壤检测方法的研究

邓 超，李玉梅，刘满红，林 薇，苏 南

（水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012）

FDR 对不同类型土壤检测方法的研究

邓 超，李玉梅，刘满红，林 薇，苏 南

（水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012）

使用同种 FDR 对 3种不同性质土壤的率定和检测，考察现有的率定及检测方法的适用性。结果表明：不同类型土壤标准土样制备及仪器检测方法研究中所提出的率定及检测方法切实可行，3种土壤中所得出的检测数据与烘干数据对比绝对误差均小于 2%，达到规范规定要求，潮土在FDR 上所得出的检测数据要好于红土和黑土，综合以上结果，建议使用亳州潮土作为标准土壤进行实验室检测。

FDR；土壤水分传感器；土壤；烘干法； 绝对误差

水分是天然土壤的一个重要组成部分，影响土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，是构成土壤肥力的一个重要的因素；是作物赖以生存的必要条件[1]。土壤水分含量的测定方法很多，如铝盒烘干法、电阻法、电容法、中子法，以及新近发展起来的时域反射仪法（TDR）和频域反射仪法（FDR）[2]。TDR 和 FDR不但技术先进，而且可以连续监测土壤水分[3]。其中 TDR 仪器由于高昂的价格使得它只能装备于我国少数科研机构和高等院校，无法大量运用于农田土壤水分实时监测系统中；而 FDR 凭借相对低廉的价格及较多的市场来源，成为实现土壤水分自动监测经济、实用的方法。FDR 在土壤含水量的连续动态监测方面具有良好的应用前景, 是一种值得推荐的土壤水分测定设备[4]。

目前水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心（以下简称水文仪器质检中心）开展的土壤水分仪器实验室检测工作，均使用安徽亳州潮土作为标准土样进行土壤水分传感器率定和准确度检测。亳州潮土作为标准土样具有稳定、易用等特点，与现有的检测方法（《土壤水分监测仪器通用技术条件》（试行）[5]）有很好的一致性，但是我国幅员广阔，土壤种类众多，为了验证土壤水分仪器在不同土壤条件下的工作特点和现有检测方法是否具有广泛适应性，为此进行不同类型土壤标准土样制备及仪器检测方法研究，本研究拟选取全国有代表性的土壤，新增东北黑土和江西红土作为研究对象，使用现行的检测方法进行土壤水分仪器率定和准确度检测研究。

1 材料与方法

1.1 土样选取

安徽亳州潮土为砂壤土，土壤粘粒含量为13.25%，结构较为松散、均匀，孔隙度较适中，且理化性状较为稳定，一致性较好，便于实际检测时保持同一基准条件。比较适合作为介电法土壤水分传感器测量的样土。

东北黑土为砂质粘壤土，土壤粘粒含量为24.50%，在东北有地域分布广的特点，同时东北农作物种植面积大，有较强的代表性。

江西红土为砂质粘土，土壤粘粒含量为43.00%～52.00%，具有高含水率、低密度，而强度较高、压缩性较低等特性，分布于长江以南的广大丘陵地区。

1.2 土壤水分监测仪器选取

选取斯蒂文斯土壤水分传感器（FDR 插针式）作为检测仪器产品。该产品 2014年 2 月经水文仪器质检中心检测合格，已经由国家防汛抗旱总指挥部办公室在第一批土壤水分监测仪器检测合格产品目录中进行了公开发布。

1.3 率定方法

1）实验室配置 5%，10%，15%，20%，25%，30%，35% 等 7个点的体积含水量的土样，使用土壤水分传感器分别在实验室测定 3种土壤样品，得出仪器的频率（或电压值）。

2）采用烘干法分别测定 5%，10%，15%，20%，25%，30%，35% 等 7个点土壤体积含水量。

3）使用 Excel 软件作出土壤实测体积含水量与土壤水分仪器测出电压值之间的关系，得出具体的数学公式模型。

1.4 检测方法

1） 实验室配置 5%～10%，15%～20%，25%～30%，35%～40% 等 4个体积含水量区间的土样，使用土壤水分传感器对标定好的 4种不同含水量试样进行检测，每种土样定点测量 6 次。记录测量值，检查测试情况。

2） 采用烘干法分别测量并计算 4种配置土样的土壤体积含水量。

3） 比较土壤水分传感器所测定的土壤体积含水量与烘干法测定的土壤体积含水量之间的差值。

4） 将土壤水分传感器使用东北黑土、江西红土所得出的率定公式（曲线）及检测数据，与使用安徽亳州潮土所得出的率定公式（曲线）及检测数据进行比较，分析评价土壤水分仪器精确度检测方法对多种类型土壤是否具有适应性。

2 结果与分析

本次试验选取 FDR 的电信号值参数对土壤水分传感器分别进行率定，潮土、红土和黑土的率定曲线分别如图1，2，3所示。

2.1 潮土试验

从图1 可以看出，率定公式的 R2值均为0.998，所以对潮土样品使用一元三次公式可以很好地反映电信号值与体积含水率之间的关系。

表1 是 FDR 在潮土上使用图1 中的率定公式在4个检测区间所得出的体积含水率的数据与烘干法所得出数据的对比，从表1 中可以看出本实验中 FDR所得出的检测数据与烘干法相比，绝对误差均小于2%，符合检测要求[5]。

图1 FDR 亳州潮土率定曲线

图2 FDR 江西红土率定曲线

图3 FDR 东北黑土率定曲线

表1 FDR 亳州潮土检测数据 %

2.2 红土试验

从图2 在红土上所做的率定情况可以看出，率定公式的 R2值为0.999，与潮土一样，在红土上使用一元三次公式也可以很好地反映电信号值与体积含水率之间的关系。

表2 是 FDR 在红土上使用图2所示率定公式在4个检测区间所得出的体积含水率的数据与烘干法所得出数据的对比，从表2 可以看出本实验中 FDR所得出的检测数据与烘干法相比，绝对误差均小于2%，除 37% 的点外，其余各点所检测数据与烘干数据对比绝对误差均大于 1%。

表2 FDR 江西红土检测数据 %

2.3 黑土试验

从图3 可以看出，率定公式的 R2值为0.992，与潮土和红土一样，在黑土上使用一元三次公式也可以很好地反映电信号值与体积含水率之间的关系。

表3 是 FDR 在红土上使用图3所示率定公式在4个检测区间所得出的体积含水率的数据与烘干法所得出数据的对比，从表3 可以看出本实验中 FDR所得出的检测数据与烘干法相比，绝对误差均小于2%，符合检测要求。

表3 FDR 东北黑土检测数据 %

为便于综合对比，将 3种土壤率定曲线综合绘制在一张图上，如图4所示。从图4 中 3种率定曲线发现，在潮土上 4个点的检测数据要明显好于红土和黑土，而且与其他 2种土壤相比，潮土具有一致性好、易操作的特点，所以认为，使用潮土作为土壤水分传感器检测用土壤具有广泛的适应性和代表性。

3 结语

通过对性质差异较大的潮土、红土和黑土 3种土壤的率定和检测试验的研究得出以下结论：

图4 FDR 3种土壤率定公式

1）本研究实施方案中所提出的率定及检测方法切实可行。

2）使用本研究实施方案中所提出的率定及检测方法所得出的率定公式可以很好地反映介电常数（电信号值）与体积含水率之间的关系。

3）本研究中所使用的检测方法，在3种土壤中所得出的检测数据与烘干数据对比绝对误差均小于2%，达到规定要求。

4）与红土和黑土相比，潮土在FDR 上所得出的检测数据要好于红土和黑土，所以使用亳州潮土作为标准土壤进行实验室检测较为适合。

[1] 邓英春，许永辉. 土壤水分测量方法研究综述[J]. 水文，2007，27 (4): 20-24.

[2] 王贵彦，史秀棒，张建恒，等. TDR 法、中子法、重量法测量土壤含水量的比较研究[J]. 河北农业大学学报，2003，23 (3): 23-26.

[3] MILLER J D, GASKIN G J, ANDERSON H A. From drought to flood: Cat chment processes revealed using novel soil water probes[J]. Hydrological Processes, 1997 (11) : 533-541.

[4] 龚元石，李子忠，李春友. 利用时域反射仪测定的土壤水分估算农田蒸散量[J]. 应用气象学报，1998，9 (1): 72-78.

[5] 国家防汛抗旱总指挥办公室. 关于印发土壤水分监测仪器通用技术条件（试行）的通知（办旱一[2012]32 号）[A]. 北京：国家防汛抗旱总指挥办公室，2012.

Research on different types of soil moisture using FDR

DENG Chao, LI Yumei, LIU Manhong, LIN Wei, SU Nan
(Hydrological Instruments and Geotechnical Instrumentation for Quality Supervision and Testing Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

The article inspects the applicability of the proposed method for calibration and detection, using of the same FDR for the calibration and detection of three different types of soils. The results show that: Calibration and detection method for different types of standard soil sample preparation and testing methods is feasible; The absolute error of the data obtained from the three soils compared with the drying data is less than 2%, meeting the specified requirements; The test data of Fluvo-aquic soil in the FDR is better than laterite and black soil. The above results show that the use of Bozhou fluvo-aquic soil as the standard soil for laboratory testing is advised.

FDR; soil moisture sensor; soil; drying method; absolute error

S152.7

A

1674-9405(2017)01-0041-03

10.19364/j.1674-9405.2017.01.010

2016-09-29

水利部公益性行业科研专项经费项目“基于物联网的智能农业灌区关键技术研究”（201301014）

邓 超（1983-），男，安徽合肥人，工程师，主要研究方向为土壤水分及土壤水分测定仪器。