土壤水分测定仪的运用以及分析水分的变化过程

　　土壤水是地表水与地下水的纽带，在水资源的形成、转化及消耗过程中有重要作用。土壤含水率是土壤的重要物理参数，对降雨径流、蒸腾发及生态环境下垫面植被生态系统的影响等具有重要意义，土壤含水率也是农业生产条件中的一项关键指标，对农作物的生长有至关重要的作用。土壤中有机养分的分解矿化离不开水分，施入土壤中的化学肥料只有在水中才能溶解，养分离子向根系表面迁移，以及作物根系对养分的吸收都必须通过水分介质来实现，因此有效地测量和控制土壤水分含量是现代农业生产的基础。
　　多年来，科研人员对土壤水分测量的研究从来都没有停止过，各种测量技术层出不穷。目前土壤水分的测量方法有很多种：有烘干称重法，如恒温箱烘干、酒精燃烧法、红外线烘干等，有射线法，如中子仪法、γ射线法、计算机断层扫描法，有介电特性法，时域反射法（TDR），探地雷达法，有核磁共振法，遥感法（RS）。在国家*编定的《农业气象观测规范》中规定的是中子仪法和烘干称重法测定土壤湿度。随着电子技术的发展，近年来，部分台站陆续布设了一些土壤水分测定仪进行测量。河南省气象科学研究所和中国华云技术开发公司研制的基于FDR的土壤水分监测仪，通过了*监网司的考核。浙江省从2010年开始也采用了该仪器。自2007年3月开始浙江省在全省所有气象台站进行人工取土观测土壤水分（烘干法），2010年9月开始在全省农气站及区域代表站布置自动土壤水分观测站（FDR），测量深度为1米，分为：0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、70～80cm、90～100cm（以下分别称10cm、20cm、30cm……100cm）。2011年3月开始对部分台站进行室内标定，并开始实施人工对比观测。至2011年12月底对误差较大的土层进行经验系数订正。本文主要对安装在大气观测场比较近的台站进行分析。各层土壤3小时含水量变化量与对应3小时雨量具有良好的相关在平时（没有降水时）土壤水分变化不大（体积含水率每小时变化不到1%），降水的下渗也需要一定的时间，我们通过各小时各种组合计算，3小时土壤水分变化与降水量的相关呈一峰值，之后由于水分的渗透、蒸发等相关性有所影响,可以看绝大部分台站和层次都达到极显着水平。
　　随着雨势大小的不同，各层体积含水率响应时间不同土壤具有一定的储水能力，在降水量没有达到土壤过饱和时，上层土壤并不向下层渗透水分。据对一年来各次降水的土壤水分变化的分析，土壤通透性较好时，一般在过饱和达110%时向下层渗透较快（即下雨时常能测量到土壤水分相对湿度110%的含水量），雨停后有较明显的湿度下降现象，逐渐降至田间持水量。图1、图2为在雨势不强（每小时降水量在2.5毫米以下）时各层土壤含水量的变化情况。从图1可以看出：2月10日3时开始降水，前3小时降水全部储存在10cm层中，从6时开始，10cm出现过饱和，渗入20cm层，再过3小时，20cm层也出现过饱和，开始渗入30cm层，直至降水结束，由于整个过程雨量不大，没有渗入40cm及以下层。从11时开始，随着雨势的减弱，10cm层湿度出现下降，逐渐靠近饱和含水量,14时开始20cm湿度也出现下降。由于3月19、20日均有中等降水（10毫米以上），土壤各层均处于饱和状态，21日4时开始，随着降水强度，首先是上面3层湿度依次出现增大峰值，第2次小过程后，第4层以下湿度也依次出现了峰值，而且到zui后雨势减弱后各层都出现湿度下降现象。
　　土壤水分测定仪测定值有一定的差距，通过2011年3月至9月土壤水分的对比观测分析，发现存在一定的差距，统一换算成体积含水率后进行回归分析，拟合出一元回归方程，定出订正系数，于2011年12月底代入，2012年1月继续对比观测。通过对代入订正系数前后各层均值分析，可以看出，订正前后均值有较大的差别。人工烘干法测定的土壤水分也具有一定的误差根据农业气象观测规范，测定土壤水分应取4个重复，并要有一定的距离。根据仙居县*2011年3月至2012年1月做对比观测的11个月65次观测，各层的平均误差均方差分别为1.85、2.33、2.35、2.24、2.57、2.25、2.52、2.76。所以，在对比观测期间土壤湿度变化不大，有极大部分次数比各次重复内的变化还小，利用方差分析，会出现组间的变化不显着。直接以人工观测为标准，并与人工观测值进行线性拟合，将存在极大的随机性：会出现相关极小，导致回归系数小，甚至为零（结果以后体积含水率永远是个常数）或为负值（显示的数值与所测的土壤体积含水率有相反的变化规律），这显然是不合理的。
　　土壤水分测定仪能较好地监测到土壤含水量的变化。所测土壤上下各层湿度变化具有很好的相关，与同期降水量也有极显着的相关关系；在降水强度较小时，湿度增大从上层逐层下移，而且过饱各相对湿度可达110%左右；各层土壤水分含量的快慢与降水强度、土壤质地均有一定的关系。通过大量的试验研究，土壤水分测定仪具有一定的理论依据和实用价值，体积含水率的误差和相对误差在1%和6%以内，远远小于业务化检验标准误差≤5%的要求。但在推广过程中操作远没有试验阶段的精细，如有的安装套管与土壤接触程度很差等，订正前后的平均值之差基本都超过业务化检验标准，所以安装时一定要注意仔细操作。在对比观测期间，土壤湿度变化较小，不能忽略人工取土造成的误差，这样做出的订正系数缺乏代表性，甚至出现违反常规的变化规律。《自动土壤水分观测规范（试行）》中规定田间标定以仪器观测的10cm土层体积含水量变化为判断标准，在小于10%、10%-15%、15%-20%、20%-25%、25%-30%、30%-35%和大于35%等七个不同土壤水分体积含水量区间进行相应的人工对比观测。原则上每一个土壤体积含水量等级样本数不少于4个，总样本数不少于30个。如果按照上面要求，对比观测期间的体积含水率的均方差应该在9%以上，这样人工取土造成的影响就能减少到zui小。