摘要：TRIME-T3管式TDR （Time domain reflectometry）系统线路简单、能耗小、价格便宜、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，系统总结国内外研究成果和笔者实际操作经验，提出了经验公式、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不足[2，3]。TDR（Time domain reflectometry）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 家族中的新秀，TRIME-T3管式TDR又以其能耗小、线路简单、价格便宜、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
容易产生误差的环节，必须充分了解所有误差的来源并对其进行校正，才能尽量减少误差，提高土壤水分数据测量的准确性，进而保证农业、水文、环境和水土保持等研究工作的准确度和可靠性。
1 TRIME-T3管式TDR的基本结构和测量原理
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系列表层探头配合使用。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采用TECANAT制成的透明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3 m。
该仪器的测量原理为：TDR发射频率为1 MHz～1 GHz的电磁脉冲，经过同轴电缆进入波导探针进行传播，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锚杆垫板[7]。
2 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研究表明，土壤的介电常数强烈地依赖土壤中液态水含量，而对土壤类型、密度和温度（>0 ℃）的依赖性很小。但后来的研究表明，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切筋的一种，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行论述。
2.1 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，因为空气具有最低的介电常数。如果存在空隙，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。1 mm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]。
2.2 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
各不相同。姜小三等[13]研究表明，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 ℃附近时，这两种方法测得的土壤含水量的差异不显著。
2.3 土壤类型产生的误差
土壤类型对测值影响不大，通常情况下，如若对精度要求不高，可直接使用其出厂标定。但对于一些特殊的土壤，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，容易造成失准。周凌云等[7]利用Steven TDR涡轮压缩机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，结果表明沙土和黏土的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]的研究表明，在黏壤质土中，TDR法的土壤含水量测值较烘箱法显著偏小，绝对偏差范围在0.02～0.09 cm3/cm3，相对偏差范围4.1%～44.0%。
2.4 土壤电导率产生的误差
土壤电导率作为土壤盐分的一个指标反映了土壤中离子的含量。最初的一些研究认为土壤电导率不对TDR测定结果产生影响[8]，但后来的一些研究者对此持不同意见。Dalton等[16]认为，当土壤孔隙水溶液电导率接近或大于8 dS/m时会使土壤含水率的测量值偏高。曹玉鹏等[17]研究了电导率为20～66 dS/m的海相淤泥，结果表明Topp等[8]建立的土体介电常数与体积含水率的经验关系式不适用于含盐量为1.5%～4.5%、质量含水率为120%～320%的海相淤泥。谭秀翠等[18]的研究也表明，在同一含水率条件下，TDR测量得到的含水率与烘箱法得到的含水率之间的差值随土体中盐分质量浓度的增加而增加。当盐分含量过高时还会导致仪器测量结果异常，出现负值或是无法读取数据。2.5 土壤密度产生的误差
TRIME-T3管式TDR在出厂前已通过密度为1.4 g/cm3的石英砂进行了标定，一般情况下，当土壤密度在1.1～1.7 g/cm3范围内时，土壤密度对TRIME水分测量的影响可以不予考虑，无需再次标定[3]。但是如果土壤密度过大（>1.7 g/cm3），测量的结果就会偏高；密度过小（<1.1 g/cm3），则结果偏低[6]。这是因为土体密度很大时，就意味着土体基质增加，土体空气减少，而土体基质的介电常数大于空气的介电常数就导致测出的水分含量高出了实际的水分含量[19]。
2.6 土壤含水量产生的误差
当土壤含水量较低时TDR测得的值偏小，含水量较高时测得的值偏大，这种偏差可能是由于自由水和结合水的介电特性差异导致的。含水量较低时结合水占主导地位，其介电常数低于自由水介电常数，所以测得的值偏低。含水量较高时测定的值偏高的原因可能是因为土壤水分空间变异的影响。周凌云等[7]的研究表明，在土壤含水量较低的情况下，TDR的相对偏差比较大。当含水量极低的情况下，TDR的误差可以达到54.4%，甚至100.0%。
罗口袜2.7 其他原因产生的误差
1）TRIME-T3管式TDR不能很好地反映固态水含量，因而测量冻土所得到的值实际上并不是真正的含水量，而仅仅是土壤孔隙中贮存的液态水含量。
2）由于TDR是在出厂时连同电缆、探针等装置在内进行了严格标定的，标定后的参数被专门的软件写在探针连接器里面，所以用户对其延长电缆、更换探针等会导致仪器产生误差。
3）实际应用过程中，不同层次土壤密度不同，管壁与周围土壤之间的空隙大小也不同，
都会产生测量误差。
4）在实际应用过程中，经常发现测管内壁有小水珠，可能会影响测量结果。
3 TRIME-T3管式TDR的校正方法
首先，采用正确的安装方法可以尽可能地减少误差。安装时要使用TRIME配套的专用工具精细操作，TRIME-T3管式TDR中的探管埋入土壤中并不能马上使用，需在管壁与土壤空隙处做灌浆处理，约4周后方能正常使用[12]。
其次，在使用前进行必要的标定。虽然TRIME-T3管式TDR在出厂前连同电缆、探针、探头等装置已进行了标定[3]，但是当要求误差更小时，仍需预先标定，标定方法有[7，14]：
1）经验公式。校正水分=实测水分+（12.12×密度-17.05）。
2）室内校正方法。①取土。从试验区采回表层土，将取来的土样充分风干、粉碎，过筛（筛孔2 mm），并将土样充分混匀2～3次，使含水量均匀一致。②回填。在标定土桶（直径60 cm，高100 cm）的中部放好TDR探管后逐层回填土，每加一定量的土样，人工
压实至接近田间容重值（铲雪机1.35 g/cm3）。每层保持相同的装土厚度和压实重量，使测管周围的容重与其他地方保持一致。当土样达到一定高度时，将表面夯实、刮平。③测定。分别在10、15、20、30、40、50、60 cm土壤深处进行TDR读数，然后在读数深度处用环刀取土样4～6个，为避免因蒸发引起的土壤含水量减少，及时将土样带回实验室进行称重、烘干，并计算体积含水量。④加水。为了得到6组从干土到湿土的数据，试验过程中共需加5次水，直至土壤体积含水量接近最大值（约40%）。为了使各层的土壤含水量均匀一致，每次加水时，都需要从桶内倒出标定土壤并摊开，每摊开一层，一边用喷水壶洒水，一边搅拌。⑤每次加水后重复步骤②、③，这样便得到一组相应的体积含水量与TDR读数记录，进而作出回归曲线。
3）野外校正方法。在使用TRIME-T3管式TDR逐层进行测量，测量后原深度旋转探头，每层测3次取其平均值；同时，用环刀（体积为100 cm3）在探头埋设地点周围相同深度取原状土样，每次取3个，将样品带回实验室用烘箱法测定相应的体积含水量，取平均值与TDR测值进行标定。野外校正同样需要用烘箱法和TDR测定从凋萎湿度到饱和含水量的数据对。
4）结合笔者实际操作经验，对其他原因造成的误差进行相应地处理。①在冬季适当增加冻土层土壤含水率的烘箱法测定频率，以解决TDR不能很好地反映固态水含量的问题。②按照要求使用TDR出厂时的原装电缆、探针等装置。③采用依照实际情况分层标定的办法，把同一测管规律一致的相邻层次放在一起用同一方程标定。④用细绳拴住装了干燥变硅胶的布袋置入TDR测管中以干燥测管，并定期取出变硅胶烘干再用。
参考文献：
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