TDR技术测定盐碱地土壤盐分和水分及标定研究_席琳乔

第19卷第3期2007年9月塔里木大学学报
Jou r n al ofT ari m Un i versit y
Vo.l19N o.3
Sep.2007
文章编号:1009-0568(2007)03-0006-05
TDR技术测定盐碱地土壤盐分和水分及标定研究
席琳乔1,2余建勇2张利莉1*
(1新疆生产建设兵团塔里木盆地资源保护利用重点实验室,新疆阿拉尔843300)
(2塔里木大学动物科技学院,新疆阿拉尔843300)
摘要根据TDR(T i m e Dom ain R e fletrome try,时域反射仪)测定土壤水分和土壤电导率的基本原理,使用德国生产的TR I M E 型TDR测定仪,以塔里木河上游地区盐碱地土壤为对象,进行了土壤盐分(或电导率)和土壤含水率方面的测定研究,并对其进行标定,得出了不同含水率下土壤盐分(或电导率)的半理论半经验的公式。

其目的旨在为TDR法在塔里木盆地盐碱地土壤水分和盐分测定中的应用提供理论支持。

关键词TDR;土壤全盐量;土壤电导率
中图分类号:S151.9;S152.7文献标识码:A
Calibration on M easure m ent of Soil Sali nity and W ater
U si ng T i m e Do mai n Reflectro m etry(TDR)
X i Linqiao1,2Yu Ji a nyong2Zhang L ili1*
(1Key Labo ratory of Pro tecti o n&U tilizati o n of B io l o g ical Resource in Tari m Basin of X i n jiang Production&Constructi o n G roups,Tari m U niversity,A lar,X i n jiang843300)
(2Co llege ofA ni m a l Science and Techno l o gy,Tari m U niversity,A lar,X injiang843300)
Abstrac t A ccord i ng to t he basi c pr i nciple o f TDR,and co m bini ng w it h t he TR I M E type o f TDR produced by G er m any,t he so il of the typical p l a i n was silted up i n upper T ar i m river,proceed i ng to probe to t he TDR i n aspects o fm easuri ng the so il sa linity(or electr ic conduc ti v ity)usi ng TDR.The conclusi on t hat t he tex t prov i ded can be prov ided as consu lti ng i n the pla i n silted up in the T ar i m Basi n. K ey word s TDR m ethod;so il sa linity;so il e l ec tric conducti v ity
溶液提取法是土壤盐分测定中的基础方法,其测定过程繁琐,费工费时,且破坏原样本,不适于原位监测。

由于TDR(T i m e Do m a i n Re fletro m etry,时域反射法)具有快速、容易操作、数据自动采集及保持样本原始性等优点,在土壤含水率的监测中被广泛应用。

现代测定技术表明,TDR在测定土壤含水率时,还具备测定土壤电导率的功能,运用此项功能可以推求土壤中的含盐量。

本研究以塔里木盆地盐碱地土壤为对象,用便携式盐分/水分测定仪测定土壤中的含水率及其盐分相关值,并同时取土样在室内测定其盐分、水分、电导率,根据TDR测定土壤电导率及含水率的原理拟合出半理论半经验的函数关系,其目的旨在为TDR法在塔里木盆地盐碱地土壤水分和盐分测定中的应用提供理论支持。

1实验地概况
采样地点为塔里木河上游地区,该区属暖温带荒漠干旱气候,降水稀少、蒸发强烈,温差大,多风沙、浮尘天气,日照时间长,光热资源丰富。

流域土
¹收稿日期:2006-12-15
基金项目:教育部重点项目(编号:207139);新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室开放课题(编号:BR0506)作者简介:席琳乔(1978-),男,讲师,硕士,主要从事草地农业生态的教学和科研工作。

*为通讯作者E-m ai:l zhang63lyl y@yahoo.co
第3期席琳乔等:TDR技术测定盐碱地土壤盐分和水分及标定研究
壤主要为胡杨林土、草甸土、盐土、龟裂土、风沙土。

年平均降水量仅为42mm~76mm,而年平均蒸发量(潜势)却达1900mm~2800mm。

全年日照时数2556.3h~2991.8h,年平均气温8.9e~11.4e,无霜期183d~221d[1~2]。

2材料与方法
2.1取样和原位测定
在每一样点0~20c m土层内,用TDR(探头长20c m)测定土壤VOL(体积含水率)和LEVEL(盐分相关值)值,在同一点位10c m处用土钻取土样(约10~15g),装入铝盒,每样3个重复,带回室内用烘干法测定土壤重量含水率、电导率及全盐量,同时测定土壤容重。

2.2土壤含水量和容重的测定
土壤重量含水率采用烘干法;土壤容重采用环刀法。

2.3土壤浸提液的制备
水土比5:1,称取通过1mm筛孔的土样50g,放入500m l的大口三角瓶中,加入250m l无CO2蒸馏水。

将瓶口塞紧,在振荡机(150rp m/m in)上振荡5m i n,过滤,用干燥的三角瓶盛接,待滤液已明显澄清后继续过滤至完,用塞子塞紧贮存滤液的三角瓶以备用[3]。

2.4土壤电导率测定
吸取待测液50m,l放在100m l塑料烧坏中,先测定溶液温度,然后用电导仪测定待测液的电导度,计算土壤浸出液电导率[4]。

2.5全盐测定
取待测液50m,l放入蒸发皿中于水浴上蒸干,加入15%H2O2,继续加热以去除有机质,反复处理至残渣发白、蒸干,将蒸发皿放入105e烘箱内烘8h[4]。

2.5TDR测定土壤电导率及盐分测定
试验采用德国生产的便携式土壤盐分/水分测定仪测定土壤含水率(TDR-VOL,简称VOL),同时得出土壤电导率相关值(TDR-LE VEL,简称LEV-EL),通过函数关系拟合得到土壤盐分和含水率之间的相关曲线。

3结果与分析3.1水分盐分测量和化验结果
根据田间50c m土壤剖面特性,标定时将土壤视为均质土壤(容重 1.46g/c m3)。

需标定的观测值与取土样测定值(土壤含盐量),野外测定是选择在不同水质灌溉的土地上分层进行,用TDR测定土壤含水率以及不同含盐量下的LE VEL和VOL值。

具体实测数据见表1。

表1不同盐碱地测量和化验结果
编号
电导率值
(m s/c m)
TDR-
LEV EL(X)
TDR-
VOL(%)
含水量
(%)
全盐量
(%)(Y) 1105918.911.17.31.623
23255011.117.50.668
3796561410.10.6
45443016.490.154
53.3715.7516.96102.0054
6764.93219.710.70.18
7576.193620.29.70.156
86793720.412.90.2
94444520.418.40.974
10911152110.50.368
112863021.410.80.69
123484021.612.60.172
132.2512.6321.6191.868
14557.692622.113.20.136
15706.322922.213.10.14
16851.762822.213.80.306
17622.42823.113.40.218
181584723.3173.984
194153123.417.80.202
20315.34223.811.80.12
21846.91825.814.10.286
225732526180.592
2314631026.212.81.93
2496322.3826.23161.0006
25746142717.90.96
261350.5728.117.50.454
2711121428.2150.43
281424.516.528.9140.8086
291640122917.41.636
303412329.8170.792
313922830170.3514
322293930.220.50.812
33679.53432.09220.4874
3480016.332.417.31.34
35935132.5200.2263
36137.247.535.64270.106
7
塔里木大学学报第19卷
3.2数据分析
3.2.1TDR-LEVEL与全盐量相关性分析
TDR所测LEVEL值与土壤含水率及土壤含盐
量有密切的关系(图1),但由于不同的含水率与含
盐量对LEVEL值的影响不同,故可初步建立含水率
一定(或变化不大)时含盐量与LE VEL值的函数关
系式,通过TDR所测的LEVEL值,求得土壤含盐
量。

图1TDR-level与全盐量的关系
表2TDR-leve l与土壤全盐量的一元线性回归分析表
土壤容重(cm3/c m3)土壤含水率(%)a b R2回归方程显著水平(a)全盐回归方程
10~20-0.03272.38760.96610.05Y=-0.0327X+2.3876
1.46~1.7321~25-0.00760.44850.92070.01Y=-0.0076X+0.4485
26~30-0.08832.71890.98220.01Y=-0.0883X+2.7189
30~35-0.03411.80820.92980.01Y=-0.0341X+1.8082
试验对新疆阿拉尔地区盐碱地土壤的全盐量进行了测定,通过一元线性回归表明(表2),在不同含水率下,TDR-LEVEL值与土壤全盐量呈显著线性相关关系(P<0.01)。

表3实测数据与校正方程对比表
含水率TDR-LEVELX化验全盐量(%)Y回归方程回归盐分误差大小误差百分率(%) 500.6680.7526-0.0846-12.66
18.91.6231.76957-0.14657-9.03 10%-20%560.6Y=-0.0327X+2.38760.55640.04367.26
15.752.00541.8725750.1328256.62
450.9740.91610.05795.94
150.3680.33450.03359.10
400.1720.14450.027515.98
280.2180.2357-0.0177-8.11 21%-25%310.202Y=-0.0076X+0.44850.2129-0.0109-5.39 420.120.1293-0.0093-7.75
180.2860.3117-0.0257-8.98
250.5920.6389-0.0469-7.92
101.931.88690.04312.23
22.381.00060.8568840.14371614.36 26%-30%121.636Y=-0.0883X+2.71891.7205-0.0845-5.16 230.7920.8053-0.0133-1.6
280.35140.3893-0.0379-10.78
340.48740.6488-0.1614-33.1
16.31.341.252370.087636.5
31%-35%510.2263Y=-0.0341X+1.80820.06910.157269.46
47.50.1060.18845-0.08245-77.78
为了保证土壤全盐量测定的准确性,本研究对TDR-LEVEL值与土壤全盐量一元回归方程进行了进一步的验证,具体见表3。

验证结果表明,当含水率处在10%~20%范围内时,土壤全盐量绝对误差大小在0.0436~-0.14657,相对误差在5.94%~-12.66%;当含水率处在21%~25%范围内时,绝对误差大小在0.0109~-0.0275,相对误差在5. 39%~15.98%;当含水率处在26%~30%范围内时,绝对误差大小在0.0133~-0.1437,相对误差在-1.67%~14.36%;当含水率处在31%~35%
8
第3期席琳乔等:TDR 技术测定盐碱地土壤盐分和水分及标定研究
范围内时,绝对误差大小在0.08763~-0.1614,相对误差在 6.53%~-77.78%,误差变异比较大。

因此,在野外条件下可使用便携式盐分/水分测定仪快速准确的测定土壤含水率在10%~30%范围内土壤原位全盐含量。

而对于土壤含水率在31%~35%范围内土壤全盐含量的测定还有待于进一步的标定。

3.2.2 TDR-LEVEL
与电导率相关性分析
图2 电导率与TDR -LEVEL 的关系
利用DTR 技术对新疆盐碱地土壤进行的盐分、水分测定实验表明(图2),TDR -LEVEL 与电导率成显著线性相关关系。

通过试验结果可得出TDR -LEVEL 与电导率之间的相关方程如下:
Y =-0.0443X+55.248;R 2
=0.9278。

3.2.3 TDR -LEVEL 和TDR-VOL 与全盐量相关性分析
土壤含盐总量(Y )、TDR -VOL 值(X 1为土壤体积含水率)与LE VEL 值(X 2为土壤含盐总量相关值)之间的函数关系可用二元线性回归方程表示
[4~5]
,即:Y =A +BX 1+CX 2
经回归分析其结果为:Y =-0.00829X 2+0.02796X 1+0.353(R=0.420,P=0.025,N=41)
3.2.4 TDR-VOL 与土壤含水量相关性分析利用TDR -VOL 和烘干称重这两种方法测定的盐碱地含水率结果见表4。

由表得出,TDR-VOL 与土壤烘干值之间存在较好的相关性(R 2
=0.9663),其相对误差在-0.0219~3.3043,绝对误差在-0.09%~10.90%。

图3 TDR 与实测水分关系
然而,从图3的相关曲线图可看出,当土壤含水
率较小时,TDR 测定值与烘干值比较接近,拟合性较好;当土壤含水率较高时,TDR 测定值明显要高于烘干值,拟合结果不理想,经验证据此拟合曲线得到的烘干值与实测值之间存在较大差距。

同时,伍
永秋[8]
等人的研究结果也表明,当土壤含水量较小时,TDR 值和烘干值比较接近,而当土壤含水量接近凋萎湿度时,TDR 值甚至小于烘干值,随土壤含水量的增加,TDR 值与烘干值的差距逐渐变大,TDR 值在20%~30%范围时,烘干值在10%~20%,其绝对差值达到10%以上。

这说明本研究在利用TDR 测定土壤含水率时所得结果与实际情况是相符的。

表4 土壤烘干含水量与TDR -VOL 的数值的关系
编号TDR -VOL (%)烘干含水量(%)校正含水量
相对误差绝对误
差(%)
116.529.7
16.4218-0.0981-0.59216.961016.9297-0.0302-0.1731710.117.09900.09900.5741810.517.7762-0.2237-1.25521.612.621.3315-0.2684-1.25621.212.821.67010.47012.16721.412.921.83940.43942.01822.213.122.1780-0.0219-0.09922.113.222.34730.24731.101023.113.422.6859-0.4140-1.821122.213.823.36311.16304.971224.91423.7016-1.1983-5.051328.231627.0876-1.1423-4.2171428.31728.78060.48061.6691529.81728.7806-1.0193-3.54116301728.7806-1.2193-4.236172917.429.45780.45781.5541830.117.529.6271-0.4728-1.5961928.117.529.62711.52715.1542029.417.830.13500.73502.439212717.930.30433.304310.90322291830.47361.47364.8352330.418.431.15080.75072.4102430.518.831.82791.32794.1722531.61932.16650.56651.7612633.51932.1665-1.3334-4.1452732.52033.85951.35954.0152833.042033.85950.81952.42029
33.2
20.5
34.70601.50604.339
9
塔里木大学学报第19卷
4讨论
¹国内外大量研究结果表明[6~10],使用TDR测定土壤水分,其值会受到土壤种类、电导率、密度等多种因素的制约。

作为土壤盐分指标,土壤电导率反映了土壤中离子的含量,当土壤电导率较低时,TDR 水分测定值的准确性较高;而当土壤的电导率较高时,由于诸多离子的存在,会削减反射的脉冲,影响脉冲反射时间,其所测土壤含水率值的准确性较差。

º从研究结果来看,室内和野外校正的结果之间存在着较大差异,而野外校正结果更符合实际情况,即当土壤含水率较低时,TDR-VOL值和烘干值比较接近;当土壤含水率中等时,TDR值高于烘干值;而当土壤含水率较高或接近饱和时,TDR值又趋向于烘干值。

这是由于野外校正是用环刀在探头附近采样,所取样本未经扰动,故其校正结果更接近实际,为此该方法可作为在塔里木盆地上游地区进行TDR校正时的参考方法。

5结论
¹由分析结果表明:TDR值与土壤盐分、土壤水分呈显著的相关性,可准确地反映土壤水分的异质性和动态变化,适合在野外测定中使用。

º在塔里木盆地上游地区使用TDR进行土壤水分监测时,其测定结果可用进行标定。

对盐分的测定可参考本研究中在不同水分条件下的标定结果进行。

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