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TRIME—T3管式TDR在测量土壤水分时的误差及校正

摘要：TRIME-T3管式TDR〔Timedomainreflectometry〕系统线路简洁、能耗小、价格廉价、可实现非扰动定位瞬时剖面观测，广泛用于测量土壤水分。但是，在安装和使用过程中，受土壤空隙、温度、类型、电导率、含水量等因素的影响，测定土壤水分会产生误差。为提高土壤水分数据的准确性，系统总结国内外争论成果和笔者实际操作阅历，提出了阅历公式、室内校正、野外校正和其他校正等方法。

关键词：TRIME-T3管式TDR；土壤水分；误差；校正

土壤水分是土壤的一个重要物理参数，测定土壤水分的方法很多，传统的测定土壤水分的方法如烘箱法、石膏电阻块法、张力计法和中子仪法[1]等具有过程繁冗、受环境影响大、不能连续监测、表层含水量不易测定且具有辐射性等缺乏[2，3]。TDR〔Timedomainreflectometry〕因其快速、准确、便携、易操作、能自动监测土壤水分及其变化等优点越来越多地被用于土壤水分的测量工作中[4，5]。作为TDR家族中的秀，TRIME-T3管式TDR又以其能耗小、线路简洁、价格廉价、可实现非扰动定位瞬时剖面水分监测[6]等优点在国内外得到越来越多地应用。然而，在使用TRIME-T3管式TDR测定土壤水分的过程中尚有不少简洁产生误差的环节，必需充分了解全部误差的来源并对其进展校正，才能尽量削减误差，提高土壤水分数据测量的准确性，进而保证农业、水文、环境和水土保持等争论工作的准确度和牢靠性。

TRIME-T3管式TDR的根本构造和测量原理

德国IMKO公司的专利产品TRIME-T3管式TDR系统包括FM3读数表、T3探头和探管等配置，表层含水量可选配P3系列表层探头协作使用。TRIME-T3管式TDR的安装使用方法与中子仪相近，所不同的是可实现非扰动定位瞬时观测，TRIME-T3管式TDR承受TECANAT制成的透亮塑料管代替中子仪的铝管，只需移动圆柱式探头〔外包PVC外壳，4个反向弹性铝条为TDR波导体〕在塑料管中的位置，就可以从FM水分表离线式读出探头水分测量值，即不同深度土壤的体积含水率，测量深度可达3m。

该仪器的测量原理为：TDR放射频率为1MHz～1GHz的电磁脉冲，经过同轴电缆进入波导探针进展传播，遇到障碍物后产生反射并返回到仪器，通过测量电磁脉冲沿波导探针在土壤介质中传播并在其末端反射所需时间就可以计算出被测物质含水量的大小[7]。

TRIME-T3管式TDR的误差来源

1980年Topp等[8]对各类不同粒级土壤的争论说明，土壤的介电常数猛烈地依靠土壤中液态水含量，而对土壤类型、密度和温度〔0℃〕的依靠性很小。但后来的争论说明，在测量精度要求较高时这一结论是不正确的[9-11]。TRIME-T3管式TDR系统作为TDR的一种，在安装和使用过程中受多种因素影响，且各因素间可能相互作用。下面就各个因素分别进展论述。

土壤空隙产生的误差

TRIME-T3管式TDR的探管和土壤之间不能存在空隙，由于空气具有最低的介电常数。假设存在空隙，TDR测出的水分含量就比实际的土壤水分含量要低得多，且土壤含水量越高时空隙造成的误差越大。1mm的空隙，在土壤体积含水量为15%时，误差±〔1%～2%〕；土壤体积含水量为25%时，误差±5%；在更高体积含水量下，误差可高达±10%[12]。另外，空隙对于具有膨胀和收缩性质的土壤产生的误差更大[6]。

土壤温度产生的误差

应用TDR野外测定土壤水分时会受土壤温度的影响，并且土壤各层次的影响程度和大小各不一样。姜小三等[13]争论说明，在温度23～31℃下，对黄土高原土壤用TDR所测土壤含水量比土钻法所测值偏高；温度低于23℃或高于31℃时，TDR所测土壤含水量比土钻法所测值偏低；而在23℃和31℃四周时，这两种方法测得的土壤含水量的差异不显著。

土壤类型产生的误差

土壤类型对测值影响不大，通常状况下，如假设对精度要求不高，可直接使用其出厂标定。但对于一些特别的土壤，测值就不够准确[5，14]，如黏土〔土壤体积含水量40%，尤其是膨胀性黏土〕和有机质含量较高的土壤〔黑泥土、腐殖质、无土栽培基质等〕，当含水量较高时，由于输入电磁波的能量耗散较大，导致反射讯息模糊，简洁造成失准。周凌云等[7]利用StevenTDR在室内分别测定了沙土、壤土、粉沙土和黏土4种土壤类型的土壤含水量，结果说明沙土和黏土的TDR测量值与烘箱法测量值之间的偏差较大，壤土和粉沙土的测量偏差相对较小。李道西等[15]的争论说明，在黏壤质土中，TD