几种土壤参数测定仪器的实验室标定

徐倩　刘玉春　潘秋艳　姜红安　李晶

摘要：對土壤含水率、电导率和pH值等参数的实时、准确测定是实现精准灌溉的前提，对我国目前科研和生产中常用的几种土壤参数测定仪器进行实验室标定，分析这些仪器测试结果的可靠性。结果表明TDR和土壤电导率仪测定土壤含水率和电导率的精度较高、操作简单；土壤酸碱度仪和三合一测定土壤含水率具有较好的精度、且测定快速简单，稳定性好，在使用时根据土壤特性和作物品种确定适宜的灌水控制值，但三合一不适宜用来测定土壤pH值；四合一测定土壤含水率稳定性差；土壤电导率和含水率之间呈现为负相关关系，随着含水率的增大，电导率呈现下降的趋势。研究结果能够为作物生产中土壤参数测定仪器的选择提供参考依据。

关键词：土壤；含水率；电导率；pH值；仪器；实验室标定

中图分类号：S274 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0192-06

精细灌溉是根据作物和土壤信息适时、适量地进行灌溉，通过对水肥的精细调控确保农产品的产量和品质，是提高灌溉管理水平、实现节水农业的必然趋势。在作物生长过程中，对土壤含水率、pH值、电导率等土壤参数进行连续、实时、准确地观测，根据观测数据来指导田间灌溉，这对精细灌溉的实现和水资源合理利用具有重要意义。在已有研究中，对TDR测量土壤含水率的研究较多，研究表明TDR的测量值与真实值之间有较高的相关性，目前TDR测定土壤含水率的方法已经在作物灌溉制度的制定、农田水分监测中得到了较为广泛的应用。目前我国市场上出现了多种操作简便的土壤含水率、电导率、pH值等土壤参数测定仪器，对这些仪器测定结果的标定尚没有相关研究。对此，本研究对目前科研和生产中常用的5种土壤参数测定仪器，包括TDR进行实验室仪器标定，对这些仪器测定土壤参数的可靠性进行评定，为作物生长过程中土壤参数测定仪器的选择提供更多参考。

1试验材料与方法

1.1试验土壤和测定仪器

本研究选用两种土壤进行试验，一种取自廊坊市永清县新苑阳光农业园区，一种取自河北农业大学东校区绿化区，取土层次均为0～20 cm土层，表1给出了两种试验土壤的物理和水力特性参数。

本研究对目前科研和生产中常用的5种土壤参数测定仪器进行实验室标定，包括TDR土壤水分测量仪器/TZS型、土壤电导率原位测量仪/Ec110，土壤pH值/湿度测量仪/KS-06、三合一园艺检测仪/TR01和四合一土壤测试仪/AMT-300，表2给出了以上5种土壤参数测定仪器的名称、标定项目、标示测量范围及精度、产地等相关信息，图1给出了这些仪器的照片。TDR和土壤电导率仪是目前科学研究中应用较广的测定土壤含水率和电导率的仪器，操作简便、快速，且测量范围较大，为科学研究提供了较为精准的土壤含水率和电导率数据；土壤酸碱度仪、三合一和四合一等仪器是我国近几年出现的土壤含水率、pH值、温度等土壤环境多参数测定仪器，由于价格低，使用快捷方便，在园艺生产上得到了一定的推广应用。这些仪器的测定精度直接影响着水肥管理决策方案，因此有必要对这些仪器的测量精准度进行评价，以便为农业生产中土壤参数测定仪器的选择提供参考依据，本文对这几种仪器土壤含水率、电导率和pH值等3个与水肥管理决策密切相关的参数进行了实验室标定。

1.2试验设计、观测项目与方法

试验于2014年7月-8月在河北农业大学农田水利实验室进行。试验土壤首先自然风干、过2mm筛待用。试验时将试验土壤配制成不同含水率后装盆，共设计15个土壤含水率梯度，分别为田间持水率的40%～100%（每隔5%一个梯度）、125%和150%，并按照土壤初始容重装盆。装盆后试验土壤静置24 h，使水分重新分布达到设计土壤含水率。而后用以上5种土壤参数测定仪器依次测定每盆土壤的含水率、pH值和电导率等环境参数值。仪器测试完成后，每盆取土约50 g，一部分土样用烘干法测定土壤含水率，一部分土样自然风干、磨碎、过2mm筛后，按土水比1：5配置土壤浸提液，测定土壤浸提液电导率Ec。试验数据分析利用SPSS17.0进行。

2结果与分析

2.1土壤含水率测定效果分析

烘干法测定土壤含水率是其它土壤含水率测定方法的标定依据，本试验也用烘干法测得的土壤含水率作为5种土壤参数测定仪器测定土壤含水率的标定依据。图2给出了烘干法测定的土壤含水率与设计土壤含水率的相互关系，烘干法测得的廊坊土和保定土的土壤含水率与设计含水率之间的相关系数分别达到0.991和0.987，在=0.01水平上达到显著相关，说明试验土壤含水率配制达到了设计值且具有较高的精度。图3给出了TDR测定的土壤含水率与烘干法土壤含水率之间的关系，两种土壤TDR测得的土壤含水率与烘干法测得的含水率之间的相关系数分别达到0.967和0.949，在=0.01水平上达到显著相关，说明TDR测定的土壤含水率精度较高。

土壤酸碱度仪和三合一测得的土壤含水率值越小说明土壤越干燥，图4和图5分别给出了土壤酸碱度仪和三合一测得的廊坊土、保定土两种土壤的含水率与烘干法和TDR法测得的土壤含水率之间关系。土壤酸碱度仪测得的廊坊土、保定土的含水率与烘干法的相关系数分别达到0.976和0.944，与TDR测得土壤含水率之间的相关系数分别为0.943和0.885；三合一测得的两种土壤含水率与烘干法测得的土壤含水率之间相关系数分别达到0.957和0.897，与TDR测得土壤含水率之间的相关系数分别达到0.944和0.821；均在=0.01水平上均达到显著相关，说明土壤酸度仪和三合一测得的土壤含水率值与真实土壤水分状况间具有较好的对应关系，能够反映土壤水分含量的大小。

表3给出了土壤酸度仪和三合一土壤含水率测定值与烘干法土壤含水率的对应关系，土壤酸碱度仪的含水率测量值为0～8，三合一的测量值为0～10，相同土壤含水率两种土壤的测量值不同，说明土壤酸度仪和三合一测定的土壤含水率值因土壤的不同而不同，需要在使用时根据土壤特性和作物品种确定适宜的灌水控制值；土壤酸度仪测量时廊坊土含水率超过0.28 cm³/cm³、保定土超过0.26cm³/cm³时超量程三合一测量时廊坊土含水率超过0.25cm³/cm³、保定土超过0.26 cm³/cm³时超量程，即土壤含水率较高达到或超过土壤的田间持水率时这两种仪器均出现了超量程问题，说明不适合在含水率较大隋况下使用；表3中同时给出了四合一测得的土壤含水率与烘干法测定结果的比较，四合一测定土壤含水率值根据土壤水分含量的大小测定结果显示为DRY+、DRY、WET和WET+，从表3分析可见，四合一测定值对应的土壤水分范围较大，说明测量精度较低，且在试验过程中发现此仪器在应用中测定值的稳定性差。

2.2土壤电导率定效果分析

图6比饺了电导率仪和浸提法测得的土壤电导率，图7给出了廊坊土和保定土2种土壤的电导率（浸提法）和含水率（烘干法）的相关关系。分析可见廊坊土和保定土2种土壤电导率仪测得的土壤电导率与浸提法测定结果之间的相关系数分别为0.977和0.974，在=0.01水平上显著相关，说明电导率仪测得的土壤电导率精度较高、能够陕速测定并提供较为精准的土壤电导率状况。随着土壤含水率的噌大，土壤电导率呈现下降的趋势，土壤电导率和含水率之间呈现为负相关，廊坊土含水率与电导率之间的相关系数为0.510，有达到显著相关，保定土含水率与电导率相关系数为-0.719，在=0.01水平上显著负相关。廊坊土电导率为4130-5130μs/cm，保定土为150-330 μs/cm，当土壤含水率接近田间持水率时，廊坊土电导率则下降至300μs/cm以下，保定土下降至200 μs/cm以下，说明盐碱土条件下通过土壤水分的调控能够控制土壤电导率，以保证作物的正常生长对土壤水分和盐分含量的需求。

2.3土壤pH值测定效果分析

表4给出土壤酸碱度仪、三合一和四合一3种仪器测定的土壤pH值的统计分析结果，3种仪器测试的土壤pH值变异系数均小于0.1，为弱变异性，说明3种仪器测试的土壤pH值差异不大结果一致。土壤酸碱度仪和四合一测量值的偏度系数、测试的土壤pH值变异系数均小于0.1，为弱变异性，说明3种仪器测试的土壤pH值差异不大结果一致。土壤酸碱度仪和四合一测量值的偏度系数、峰度系数均接近0，说明二种仪器的测试结果十分接近、准确可靠。三合一测定结果的方差较大，偏度系数、峰度系数较高，说明测定值的波动较大。试验测量过程中土壤酸度仪和四合一的稳定性好，三合一的测定值波动性大，稳定性较差。

3结语

对土壤含水率、pH值、电导率等环境参数的实时、准确掌握是实现精准灌溉的前提，对土壤参数测定仪器的可靠性的准确评定，能够为作物生长过程中土壤参数测定仪器的选择、精准灌溉决策提供参考依据。

本文对我国目前科研和生产中5种土壤参数测定仪器的实验室标定结果表明，这5种仪器对土壤含水率、电导率和pH值的测试都具有操作简便、快速简单的特点。就土壤含水率的测试而言，TDR的测量精度较高，能够定量测定土壤含水率，适宜在科研和农业生产中选用；土壤酸碱度仪和三合一测定土壤含水率稳定性较好，测定值与烘干法和TDR测定的土壤含水率之间具有较高的相关性，测量结果具有较高的精度，能够定性的反映土壤含水率的高低，但不能定量的确定土壤含水率的大小，在使用时需根据土壤特性和作物品种确定适宜的灌水控制限值，适宜在农业生产中选用；四合一测定土壤含水率精度低、稳定性差，不适宜在作物種植过程中选用。就土壤pH值的测试而言，三合一测定pH值的稳定性差，四合一测定pH值稳定性较好。Ec110土壤电导率原位测量仪测定土壤电导率精度较高。

本文仅对这几种仪器土壤含水率、电导率和pH值等3个与水肥管理决策密切相关的参数进行了实验室标定，没有对光照和温度等其他参数进行标定，尚需在后续研究中加以考虑。农业生产中亟需价格合理、操作简便、能够准确定量测定土壤参数的仪器，以便为农业生产的水肥管理管理提供定量的决策支撑；我国目前科研中这些仪器大多依赖进口，真正应用于农业生产、操作简便、精度较高的相关仪器尚处于空白，亟需展开相关的研发。