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土壤水分各種測量方法的比較與分析
閱讀：4365 發(fā)布時間：2013-1-11
農(nóng)田作物生長需要*的水、肥、氣、熱環(huán)境,水是zui重要的調(diào)節(jié)因子。適宜的農(nóng)田土壤水分狀況,可達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的功效。因此,適時、方便、準(zhǔn)確地監(jiān)測農(nóng)田土壤水分對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。目前,農(nóng)田土壤水分測量方法層出不窮,如烘干法、張力計法、中子法或射線法、介電常數(shù)法或電磁波法、傳感器法、電阻法或粒狀列陣法、電容法、光電法、熱擴(kuò)散法等,各種方法都有其自身的適用范圍和優(yōu)缺點。本文對幾種應(yīng)用較廣的農(nóng)田土壤水分測量方法基本原理及其優(yōu)缺點作一總結(jié),在此基礎(chǔ)上提出未來土壤水分測量方法的發(fā)展方向。
1幾種主要的農(nóng)田土壤水分測量方法
目前,應(yīng)用較廣泛的農(nóng)田土壤水分測量方法有:烘干法、張力計法、中子法、時域P頻域反射儀等。
111烘干法
烘干法,也叫稱重法或土鉆法。一般的做法是:將用土鉆取好的土樣置于事先稱重的鋁盒（若需要測土壤體積含水率,改用環(huán)刀取樣）中稱重,然后一起放入烘箱,在105～110℃（溫度過高,有機(jī)質(zhì)易碳化散逸）溫度下烘至恒重（間隔3h的測量差異不超過3mg）,實際操作中一般烘12～14h,在干燥器中冷卻20min稱重即可,2次重量的差即為土壤含水率。
烘干法的優(yōu)點是對硬件要求不高,就樣品本身而言結(jié)果可靠。一般認(rèn)為,傳統(tǒng)的烘干法測得的土壤水分值是可信的,可作為其它各種土壤水分測量方法的校正標(biāo)準(zhǔn)。但它的缺點也是明顯的,烘干法費時、費力,深層取樣困難,取樣會破壞土壤,不能實現(xiàn)對土壤水分定點連續(xù)觀測,受土壤空間變異性影響較大。
112張力計法
張力計法是1種應(yīng)用很廣泛的土壤水分測量方法,它測量的是土壤基質(zhì)勢,即土壤水吸力。在應(yīng)用張力計測量土壤含水率之前,必須建立土壤水吸力和當(dāng)前土壤含水率之間的關(guān)系,即俗稱的土壤水分特征曲線。這種關(guān)系受土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的影響,在1個閉合的多孔陶瓷壓力盤產(chǎn)生不同壓力作用于測定土樣,測出土壤的不同殘余水分含量,便可得到對應(yīng)的土壤水分特征曲線。
張力計是1根充滿水的密閉的管子,一端有1個多孔陶瓷頭（孔徑約110～115μm）,可插入土壤中,另一端連接1個負(fù)壓表。通過多孔陶瓷頭的吸力,水分不停地流動直到土壤水吸力與張力計的壓力達(dá)到平衡,這時壓力表指示的負(fù)壓值即為土壤水吸力。
張力計法的優(yōu)點是能夠比較準(zhǔn)確地測量濕潤土壤的基質(zhì)勢,能夠定點連續(xù)觀測,受土壤空間變異性的影響較小,而且設(shè)備低廉,適于灌溉和水分脅迫的監(jiān)測。其缺點是讀數(shù)反應(yīng)慢,需要長時間平衡后才能讀數(shù),且量程較窄,僅能測定小于8kPa的土壤水吸力,不適用于干燥土壤。在長期測量過程中,如遇高溫干旱季節(jié),需要給管子補(bǔ)充水分,且陶瓷頭易損壞,需要定期養(yǎng)護(hù)或更換,運行費用較高。土壤水勢測定儀就是采取張力計法的測量原理研制的，適用于任何的土壤性質(zhì)監(jiān)測。
113中子法
中子法的原理是中子從1個高能量的中子源發(fā)射到土壤中,與土壤中氫原子（絕大部分存在于水分子中）碰撞后,能量衰減,這些能量衰減的中子可被檢測器檢測到,通過標(biāo)定建立檢測到的中子數(shù)與土壤含水率的函數(shù)關(guān)系,便可轉(zhuǎn)化得到土壤含水率。
利用中子儀測量土壤水分含量,只需預(yù)先埋設(shè),測量時不破壞土壤結(jié)構(gòu),測量速度快,測量結(jié)果準(zhǔn)確[1],可定點連續(xù)觀測,且無滯后現(xiàn)象,但中子法并不能實現(xiàn)長期大面動態(tài)監(jiān)測[2]。由于中子法測量的實際上是半徑約幾到幾十厘米的球體含水量,其半徑隨著土壤含水率大小而改變,所以土壤處于干燥或濕潤周期時,或?qū)τ趯訝钔寥酪约氨韺油寥?中子法的測量結(jié)果并不可靠。對于高有機(jī)質(zhì)土壤,有機(jī)質(zhì)中的氫也會影響中子儀對土壤含水率的測定。另外,中子儀在使用前也需要田間校準(zhǔn),受土壤質(zhì)地和容重的影響,室內(nèi)外校準(zhǔn)曲線差異較大[3],同時中子儀設(shè)備昂貴,又需專門的防護(hù)設(shè)備,一次性投入大,特別是對人存在潛在的輻射危害,因此并不能廣泛應(yīng)用。
114時域反射儀（TDR）
TDR（TimeDomainReflectometry）是1種介電常數(shù)法,其基本原理是高頻電磁脈沖沿傳輸線在土壤中傳播的速度依賴于土壤的介電常數(shù)Ka,而Ka主要受土壤水分含量支配（20℃時,自然水、空氣和土壤顆粒的Ka分別為80、1、3～5）。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率計算出土壤的介電常數(shù)Ka,從而利用土壤介電常數(shù)和土壤體積含水量（θv）之間的經(jīng)驗關(guān)系計算出土壤含水率。
Ka在電磁波頻率為1MHz～1GHz時,與電磁波在電極（長度L）中往復(fù)的傳播速度（V）呈如下關(guān)系:Ka=（cPV）2=（ct/2L）2
（1）式中:c為光速,c=3×108mPs;t為電磁波的傳達(dá)時間,s。電磁波在各點的反射很明顯,可以很準(zhǔn)確的計測出t,從而可用（1）式計算出Ka。Topp等用TDR測定了電磁波的傳播時間,并得出該傳播時間在大部分土壤中與土壤體積含水率（θv）的經(jīng)驗公式[4]
:θv=-513×10-2+2192×10-2Ka-515×10-4K2a+413×10-6Ka3當(dāng)θv≤016時（2）但該經(jīng)驗關(guān)系只適用于當(dāng)Ka→1或Ka→80136（20℃）時,且主要適用于砂性土壤。
TDR為新近發(fā)展起來的測定土壤含水率的主流方法,具有許多優(yōu)點,如無核輻射,極其快速,可以定點原位連續(xù)測定,且測定值。在常規(guī)土壤中,這一儀器的測量誤差小于5%。一般不需標(biāo)定,測量范圍廣（含水率0～100%）,操作簡便,野外和室內(nèi)都可使用,TDR探針可長期埋在土壤中,需要的時候再連上TDR測量。另外,TDR受土壤鹽度影響很小,能夠測量表層土壤含水率（中子儀法不行）。但是,TDR的測量值受溫度、容重、土質(zhì)的影響[5-6],在導(dǎo)電率較高的土壤中（如鹽堿地）,其測量精度也會降低,對有機(jī)質(zhì)含量高、容重特別高或特別低以及重黏土壤需要重新標(biāo)定后才能使用。目前,TDR在國內(nèi)的使用主要依賴進(jìn)口,且價格較高,其應(yīng)用也受到一定限制。
115頻域反射儀（FDR）
FDR（FrequencyDomainReflectometry）測量土壤含水率的原理與TDR類似[7],利用電磁脈沖原理,根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測試土壤的表觀介電常數(shù)Ka的變化,這些變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c土壤體積含水量成比例的毫伏信號。
FDR的探頭由1對電極（如平行排列的金屬棒）組成1個電容,其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì),電容與振蕩器組成1個調(diào)諧電路,振蕩器頻率F與土壤電容C呈非線性反比關(guān)系:
F=12πL1C+1Cb015
?。?）式中:L為振蕩器的電感;Cb為與儀器有關(guān)的電容。由于土壤電容C隨土壤含水率的增加而增加,于是振蕩器頻率F與土壤含水率的相關(guān)關(guān)系被建立。
與TDR相比,FDR在電極的幾何形狀設(shè)計和工作頻率的選取上有更大的自由度,大多數(shù)FDR探頭還可與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器相連,從而實現(xiàn)自動連續(xù)監(jiān)測。但是FDR在低頻（≤20MHz）工作時,比TDR更易受到土壤鹽度、黏粒和容重的影響。另外,與純粹的TDR波形分析相比FDR缺少控制和一些詳細(xì)信息。
FDR具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點[8],不但測量精度高,而且價格不高,既可以單點測量也可以多點測量垂直深度的一段剖面。盡管FDR方法還存在一些問題,如FDR的讀數(shù)受到電極附近土壤孔隙和水分的影響（TDR也是如此）,對于使用探管的FDR,探頭、探管和土壤是否接觸良好對測量結(jié)果的可靠性有影響等,但FDR方法確實遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的其它測定方法。
2結(jié)語
在測定土壤含水率的諸多方法中,烘干法簡單直觀,結(jié)果可靠,可作為其他測量方法的校準(zhǔn),但是烘干法采樣困難,破壞土壤,在田間留下的取樣孔,會切斷作物的某些根并影響土壤水分運動,不能定點連續(xù)觀測;中子儀法可以在原位的不同深度周期性的反復(fù)測定而不破壞土壤,但是儀器的垂直分辨率較差,表層測量困難,且對人存在輻射危害。筆者認(rèn)為,綜合性能較高的
還屬技術(shù)較*的時域反射儀法（TDR）和經(jīng)濟(jì)型的頻域反射儀法（FDR）,它們都具有技術(shù)成熟、精度高、定點連續(xù)、便于攜帶的優(yōu)點。TDR由于具有快速、準(zhǔn)確、可連續(xù)原位測定及*等優(yōu)點,多應(yīng)用于便攜式的水分測定。FDR由于具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點,其探頭還可與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器相連,在土壤水分的自動連續(xù)監(jiān)測中表現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。總之,智能化的農(nóng)田土壤水分的監(jiān)測仍然是未來土壤水分監(jiān)測的發(fā)展趨勢。
1幾種主要的農(nóng)田土壤水分測量方法
目前,應(yīng)用較廣泛的農(nóng)田土壤水分測量方法有:烘干法、張力計法、中子法、時域P頻域反射儀等。
111烘干法
烘干法,也叫稱重法或土鉆法。一般的做法是:將用土鉆取好的土樣置于事先稱重的鋁盒（若需要測土壤體積含水率,改用環(huán)刀取樣）中稱重,然后一起放入烘箱,在105～110℃（溫度過高,有機(jī)質(zhì)易碳化散逸）溫度下烘至恒重（間隔3h的測量差異不超過3mg）,實際操作中一般烘12～14h,在干燥器中冷卻20min稱重即可,2次重量的差即為土壤含水率。
烘干法的優(yōu)點是對硬件要求不高,就樣品本身而言結(jié)果可靠。一般認(rèn)為,傳統(tǒng)的烘干法測得的土壤水分值是可信的,可作為其它各種土壤水分測量方法的校正標(biāo)準(zhǔn)。但它的缺點也是明顯的,烘干法費時、費力,深層取樣困難,取樣會破壞土壤,不能實現(xiàn)對土壤水分定點連續(xù)觀測,受土壤空間變異性影響較大。
112張力計法
張力計法是1種應(yīng)用很廣泛的土壤水分測量方法,它測量的是土壤基質(zhì)勢,即土壤水吸力。在應(yīng)用張力計測量土壤含水率之前,必須建立土壤水吸力和當(dāng)前土壤含水率之間的關(guān)系,即俗稱的土壤水分特征曲線。這種關(guān)系受土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的影響,在1個閉合的多孔陶瓷壓力盤產(chǎn)生不同壓力作用于測定土樣,測出土壤的不同殘余水分含量,便可得到對應(yīng)的土壤水分特征曲線。
張力計是1根充滿水的密閉的管子,一端有1個多孔陶瓷頭（孔徑約110～115μm）,可插入土壤中,另一端連接1個負(fù)壓表。通過多孔陶瓷頭的吸力,水分不停地流動直到土壤水吸力與張力計的壓力達(dá)到平衡,這時壓力表指示的負(fù)壓值即為土壤水吸力。
張力計法的優(yōu)點是能夠比較準(zhǔn)確地測量濕潤土壤的基質(zhì)勢,能夠定點連續(xù)觀測,受土壤空間變異性的影響較小,而且設(shè)備低廉,適于灌溉和水分脅迫的監(jiān)測。其缺點是讀數(shù)反應(yīng)慢,需要長時間平衡后才能讀數(shù),且量程較窄,僅能測定小于8kPa的土壤水吸力,不適用于干燥土壤。在長期測量過程中,如遇高溫干旱季節(jié),需要給管子補(bǔ)充水分,且陶瓷頭易損壞,需要定期養(yǎng)護(hù)或更換,運行費用較高。土壤水勢測定儀就是采取張力計法的測量原理研制的，適用于任何的土壤性質(zhì)監(jiān)測。
113中子法
中子法的原理是中子從1個高能量的中子源發(fā)射到土壤中,與土壤中氫原子（絕大部分存在于水分子中）碰撞后,能量衰減,這些能量衰減的中子可被檢測器檢測到,通過標(biāo)定建立檢測到的中子數(shù)與土壤含水率的函數(shù)關(guān)系,便可轉(zhuǎn)化得到土壤含水率。
利用中子儀測量土壤水分含量,只需預(yù)先埋設(shè),測量時不破壞土壤結(jié)構(gòu),測量速度快,測量結(jié)果準(zhǔn)確[1],可定點連續(xù)觀測,且無滯后現(xiàn)象,但中子法并不能實現(xiàn)長期大面動態(tài)監(jiān)測[2]。由于中子法測量的實際上是半徑約幾到幾十厘米的球體含水量,其半徑隨著土壤含水率大小而改變,所以土壤處于干燥或濕潤周期時,或?qū)τ趯訝钔寥酪约氨韺油寥?中子法的測量結(jié)果并不可靠。對于高有機(jī)質(zhì)土壤,有機(jī)質(zhì)中的氫也會影響中子儀對土壤含水率的測定。另外,中子儀在使用前也需要田間校準(zhǔn),受土壤質(zhì)地和容重的影響,室內(nèi)外校準(zhǔn)曲線差異較大[3],同時中子儀設(shè)備昂貴,又需專門的防護(hù)設(shè)備,一次性投入大,特別是對人存在潛在的輻射危害,因此并不能廣泛應(yīng)用。
114時域反射儀（TDR）
TDR（TimeDomainReflectometry）是1種介電常數(shù)法,其基本原理是高頻電磁脈沖沿傳輸線在土壤中傳播的速度依賴于土壤的介電常數(shù)Ka,而Ka主要受土壤水分含量支配（20℃時,自然水、空氣和土壤顆粒的Ka分別為80、1、3～5）。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率計算出土壤的介電常數(shù)Ka,從而利用土壤介電常數(shù)和土壤體積含水量（θv）之間的經(jīng)驗關(guān)系計算出土壤含水率。
Ka在電磁波頻率為1MHz～1GHz時,與電磁波在電極（長度L）中往復(fù)的傳播速度（V）呈如下關(guān)系:Ka=（cPV）2=（ct/2L）2
（1）式中:c為光速,c=3×108mPs;t為電磁波的傳達(dá)時間,s。電磁波在各點的反射很明顯,可以很準(zhǔn)確的計測出t,從而可用（1）式計算出Ka。Topp等用TDR測定了電磁波的傳播時間,并得出該傳播時間在大部分土壤中與土壤體積含水率（θv）的經(jīng)驗公式[4]
:θv=-513×10-2+2192×10-2Ka-515×10-4K2a+413×10-6Ka3當(dāng)θv≤016時（2）但該經(jīng)驗關(guān)系只適用于當(dāng)Ka→1或Ka→80136（20℃）時,且主要適用于砂性土壤。
TDR為新近發(fā)展起來的測定土壤含水率的主流方法,具有許多優(yōu)點,如無核輻射,極其快速,可以定點原位連續(xù)測定,且測定值。在常規(guī)土壤中,這一儀器的測量誤差小于5%。一般不需標(biāo)定,測量范圍廣（含水率0～100%）,操作簡便,野外和室內(nèi)都可使用,TDR探針可長期埋在土壤中,需要的時候再連上TDR測量。另外,TDR受土壤鹽度影響很小,能夠測量表層土壤含水率（中子儀法不行）。但是,TDR的測量值受溫度、容重、土質(zhì)的影響[5-6],在導(dǎo)電率較高的土壤中（如鹽堿地）,其測量精度也會降低,對有機(jī)質(zhì)含量高、容重特別高或特別低以及重黏土壤需要重新標(biāo)定后才能使用。目前,TDR在國內(nèi)的使用主要依賴進(jìn)口,且價格較高,其應(yīng)用也受到一定限制。
115頻域反射儀（FDR）
FDR（FrequencyDomainReflectometry）測量土壤含水率的原理與TDR類似[7],利用電磁脈沖原理,根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測試土壤的表觀介電常數(shù)Ka的變化,這些變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c土壤體積含水量成比例的毫伏信號。
FDR的探頭由1對電極（如平行排列的金屬棒）組成1個電容,其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì),電容與振蕩器組成1個調(diào)諧電路,振蕩器頻率F與土壤電容C呈非線性反比關(guān)系:
F=12πL1C+1Cb015
?。?）式中:L為振蕩器的電感;Cb為與儀器有關(guān)的電容。由于土壤電容C隨土壤含水率的增加而增加,于是振蕩器頻率F與土壤含水率的相關(guān)關(guān)系被建立。
與TDR相比,FDR在電極的幾何形狀設(shè)計和工作頻率的選取上有更大的自由度,大多數(shù)FDR探頭還可與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器相連,從而實現(xiàn)自動連續(xù)監(jiān)測。但是FDR在低頻（≤20MHz）工作時,比TDR更易受到土壤鹽度、黏粒和容重的影響。另外,與純粹的TDR波形分析相比FDR缺少控制和一些詳細(xì)信息。
FDR具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點[8],不但測量精度高,而且價格不高,既可以單點測量也可以多點測量垂直深度的一段剖面。盡管FDR方法還存在一些問題,如FDR的讀數(shù)受到電極附近土壤孔隙和水分的影響（TDR也是如此）,對于使用探管的FDR,探頭、探管和土壤是否接觸良好對測量結(jié)果的可靠性有影響等,但FDR方法確實遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的其它測定方法。
2結(jié)語
在測定土壤含水率的諸多方法中,烘干法簡單直觀,結(jié)果可靠,可作為其他測量方法的校準(zhǔn),但是烘干法采樣困難,破壞土壤,在田間留下的取樣孔,會切斷作物的某些根并影響土壤水分運動,不能定點連續(xù)觀測;中子儀法可以在原位的不同深度周期性的反復(fù)測定而不破壞土壤,但是儀器的垂直分辨率較差,表層測量困難,且對人存在輻射危害。筆者認(rèn)為,綜合性能較高的
還屬技術(shù)較*的時域反射儀法（TDR）和經(jīng)濟(jì)型的頻域反射儀法（FDR）,它們都具有技術(shù)成熟、精度高、定點連續(xù)、便于攜帶的優(yōu)點。TDR由于具有快速、準(zhǔn)確、可連續(xù)原位測定及*等優(yōu)點,多應(yīng)用于便攜式的水分測定。FDR由于具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點,其探頭還可與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器相連,在土壤水分的自動連續(xù)監(jiān)測中表現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。總之,智能化的農(nóng)田土壤水分的監(jiān)測仍然是未來土壤水分監(jiān)測的發(fā)展趨勢。