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详细说明：温度对FDR测量土壤体积含水量的影响pdf,温度对FDR测量土壤体积含水量的影响966 冰川冻土 32卷表3ID所测土样体积含水量(20℃) Table 3 FDR measured soil volumetric water contents values(20C) 土样编号土样1 土样2 土样3 土样4 土样5 土样6 土样7 土样8 体积含水量/%(v/v) 13.5 21.7 42.7 21.6 43.5 土样编号土样9 土样10 土样1 土样12土样13土样14土样15土样16 体积含水量/%(v/v) 38.1 33.3 38.3 33.4 12.6 13.1 12 4.2 土样编号土样17土样18土样19土样20土样21土样22土样23土样24 体积含水量/%(v/y) 12.6 12.8 10.2 11.1 从图4中可以看出,当土样体积含水量范围在土壤温湿度数据采集仪 135%~43.5%和温度范围在5~60℃之间变化数据线时,TDR3的测量值随环境温度的升高或者降低而增大或者减小.以土样5为例.初始环境温度为度 888 231℃,TDR-3的测量值保持不变,当环境温度降 PR2 ≯TDR-3 湿度低到10℃时,TDR3的测量值从22.5%(v/v)降 PPVC管 PVC管低到188%(v/v);当温度从10℃升高到20℃时, 温度传感器 TDR-3的测量值从19.1%(v/v)升高到21.6%(v/ 土样土样 ⅴ),经历一个升温过程后,降温到10℃时,TDR-3 的测量值降低到185%(v/v),基本恢复到升温前布入式高低温交变湿热实验室 10℃时的测量值.当环境温度保持长时间不变的图3试验装置示意图情况下,TDR3的测量值达到一个相对稳定的值 Fig 3 Sketchy drawing of the experiment device 更换环境温度后,TDR3的测量值将达到另一个温 30 50 60°C 30 长如15 30驾 10 土样1 土样3 (a) 土样土样4 (b) 温度 100 时间/h 时间h 70 50 长 15 土样5 30继土样一土样6 20 (c) 温度 (d) 温度 10 时间h 时间h 40 30 20瑂 20 20 土样9 土样11 10 M 土样1010 10 土样12{10 c 温度温度 010203040506070 时间h 时间h 图4TDR-3测量值随温度和时间的变化 ig. 4 Variations of TDr 3 measured soil volumetric water contents with temperature and time 5期高磊等:温度对FDR测量土壤体积含水量的影响 967 度条件下的相对稳定值.以上分析说明,基于FDR的测量值增大1%~2%(v/),故PR2的温度修正技术的TDR3测量土壤体积含水量时具有明显的系数范围为0.1%~Q.2%(v/v):℃-.同时,从温度效应试验中还可以得出,当温度在50℃升高到60℃ 在试验过程中,为了验证TDR-3测试结果的时,体积含水量较大的土样4和6采用TDR3测准确性,分别用TDR-3对空气和烘干粘性土样量时不符合以上规律,说明体积含水量较大和温度 (105℃)进行了测量,发现空气和烘干土样的测量较高时,该温度修正系数不适用值都为0%,表明TDR3的测量功能是完好的.同2.3温度效应原因分析时用TDR3对10℃和20℃时的饱和粘性土样和上述试验结果中FDR存在温度效应的原因, 纯水进行测量,发现饱和粘性土样的测量值从笔者结合FDR的原理作如下分析:FDR是利用电 584%(ⅴ/增至60.0%(ⅴ/ⅴ),而纯水的测量值从磁学原理,根据电磁波在土壤中传播频率来测量土 76.8%(v/v)降到726%(v/v).说明粘性土颗粒的壤的表观介电常数,从而得到土壤体积含水量存在,影响了TDR-3在不同温度条件下的测量值,土壤的表观介电常数受水的多少、土颗粒的比表面同时也说明TDR-3对土壤体积含水量的测量值随积、土颗粒的导电率等多因素的影响,温度是其中温度的变化不是由于仪器自身引起的重要的影响因素之一.已有大量研究表明,温度会为了对比国产和进口的基于FDR技术的传感影响土壤的表观介电常数的测量1-20.FDR技术器对温度的敏感程度,分别各用6个土样进行试通过测量土壤的表观介电常数进而得到土壤体积含验,从图5可以看出,TD3和PR2的测量值均随水量,当温度变化时,土壤的表观介电常数的测量温度的升高而增大,这表明温度明显影响TDR3值必然发生变化,FDR测量结果也就相应发生变和PR2的测量结果化.所以,基于FDR技术的TDR-3和PR2测量土 86 壤体积含水量时具有明显的温度效应对比基于FD技术的TDR3和PR2的温度长土样13 效应,可以看出国产传感器的生产工艺和技术相对 8 进口传感器的较低·仪器对温度敏感程度较高,温度修正系数较大,如果温度从10℃变化到40℃ 2 F(a)TDR-3 TDR-3的测量值将增大6%~9%(v/v),而进囗传 24 温度C 感器PR2仅增大3%~6%(v/),这说明温度对进口传感器的测量结果影响较小. 645 以上分析表明,采用基于FDR技术的土壤水为如碳一土样19 分传感器进行长时间或季节性土壤体积含水量变化监测时,必须对测量结果进行适当的温度校正,以一x 提高测量的准确性. (b)PR2 0-土样24 3结论温度/C 图5FDR测量值殖温度的变化通过开展室内试验,本文采用基于FDR技术 Fig 5 Variations of FDR measured soil volumetric temperature 的土壤水分传感器对不同温度条件下土壤体积含水量进行了测量,分析了土壤水分传感器测量结果随取18个土样在10、20、30、40、50℃温度条温度的变化规律,并得到以下结论件下的TDR-3的测量值,进行测量值与温度关系 (1)采用基于FDR技术的土壤水分传感器测分析,结合图5(a)可以得出TDR3的测量值与温量土壤体积含水量时存在明显的温度效应,测量值度基本呈线性关系.温度毎升高10℃,TDR-3的随温度的升高而线性增大,TDR3的温度修正系数测量值增大2%~3%(/),因此TDR3的温度修范围为0.2%~0.3%(v/v)·℃-,PR的温度修正系数范围为Q.2%~0.3%(√/)·℃-.对PR2正系数范围为0.1%~0.2%(v/v).℃-1 进行类似分析后,结合图5(b)得出PR2的测量值 (2)基于FDR技术的土壤水分传感器测量土与温度也基本呈线性关系,温度每升高10℃,PR2壤体积含水量时存在温度效应的原因主要有:1)温 968 冰1 冻土 32卷度的变化引起土壤表观介电常数发生变化,导致 Sciences,2008,4:367-372. FDR所测量的土壤介电常数相应改变,进而使得 9 Kizito F, Campbell S C, Campbell S G, et ai. Frequency, e- lectrical conductivity and temperature analysis of a low-cost 所测的土壤体积含水量增大或者减小;2)对比国产 capacitance soil moisture sensor[J. Journal of Hydrology 和进口两种传感器的温度修正系数,可以发现土壤 2008,352:367-378 水分传感器的生产工艺和技术水平较高将减小温度 [10 Topp C G, Davis L J, Annan P A. Electromagnetic determ nation of soil water content: measurements in coaxial trans 对仪器测量结果的影响 mission lines[J. Water Resources Research, 1980(3):574 (3)研究表明,在昼夜或者季节温差变化较大的土壤中,采用FDR测量土壤体积含水量时,必 [11 Persson M, Berndtsson R. Texture and electrical conductivity cffccts on tcmpcraturc dependency in Time Domain Reflecto- 须对测量结果进行适当的温度修正,以提高测量结 metry j. Soil Science Society of America Journal, 1998(4) 果的可靠性 887-893 [12 Wraith M J, Or D. Temperature effects on soil bulk dielectric 参考文献( References): permittivity measured by time domain reflectometry: Experi mental evidence and hypothesis development J. Water Re- [1 Guo Weihua, Li Bo, Zhang Xinshi, et aL. FDR system and its ource Research, 1999(2):361-369 application in the sequential dynamical measurement of soil [13] Or D. Wraith MJ. Temperat ure effects on soil bulk dielectric moisture contentLJJ. Arid Zone Research, 2003(4): 247 permittivity measured by time domain reflectometry: A Phys 251.[郭卫华,孪波,张新时,等.FDR系统在土壤水分连续 ical modcl[J. Water Rcsourcc Rcscarch, 1999(2):371- 动态监测中的应用[J.干旱区研究,2003(4):247-251. 383 L2J Li Yuanshou, Wang Genxu, Cheng Yufei, et al. Field cali- [13] Gong Yuanshi, Cao Qiaoheng. Huang Manxiang. A labora- bration of FDR probe and its application in measuring soil wa tory experiment of time domain reflectomet ry for soil water ter content in alpine meadow [ J. A: id Land Geography, 2006 m:casurcment including cffccts of bulk density and tempera (4):543-547.[李元寿,王根绪,程玉菲,等.FDR在高寒 turel J. Acta Pedolcgica Sinica,1992):145-153.「龚元草地土壤水分测量中的标定及其应用[J].干旱区地理,2006 石,曹巧红,黄满滩.土壤容重和温度对时域反射仪测定土 (4):543-547.] 壤水分的影响[].土壤学报,199(2):145-1 [3 Lu Guohua, Li Zizhong, Zhao Bingxiang. et al. Calibration 14 Gorg YS, Cao Q H, Sun ZJ. The effects of soil bulk dens and verification of Frequency Domain Reflectometry to meas- ty, water content and tcmpcrature on soil watcr content ure soil water content[J. Agricultural Research in the Arid I:easurenent using time-do:nain reflectometry[J1. Hydro areas,2008(4):33-37.吕国华,李子忠,赵炳祥,等,频 Process,2003,17:3601-3614. 率域反射仪测定土壤含水量的校正与田间验证J.千早地151 Olmanson o K, Ochsner t e. Comparing ambient temper 区农业研究,2008(4):3337.] ture cffccts on hcat pulsc and timc domain reflectometry soil [4 Yang Zhiyi, Fan Jun. Determination soil water content using water contert measurements[J. Vadose Zone Journal, 200 IDR and FDR in the Loess Plateau [j]. Chinese Journal of 5:751-756. Soil scienco,2009(4):74c-742.L杨直毅,樊军.TD和[16 Seyfried S M, Grant E i. Temperature effects on soil dielec rD测定黄绵土土壤含水量的标定「J.土壤通报,2009 tric properties measured at 50 Mhz. LJ. Vadose Zone Jour- (4):740-742.] nal,2007,6:759-765 [5 Whalley R W, Dean J T, Izzard P. Evaluation of the capac [17 Bittelli M, Salvatorelli F, Pisa R P. Correction of TDR-based tance tcchniquc as a ethod for dynamically mcasuring soil soil water content measurements in conductive soils J]. Geo- water content[J. 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The temperature cor- were measured by two soil moisture sensors of rection coefficient of TdR 3 is 0.2%--0.3 %(m FDR (TDR-3 and PR2), under different tempera- m 3).C, and that of TDR-3 is 0. 1%--0.2% turc conditions(560C). Thc rcsults show that m·m ).C. Thc rcscarch is uscful for impro- there is a pronounced temperature effect on the soil ving the reliability of fdr measurement results moisture sensors during the FDR measuring volu- Key words: FDR; temperalure effect; soil; soil volumetric water conltenlt

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