土壤墑情測量分析

1、土壤墑情及各種土壤墑情速測儀測量方法的分析農(nóng)田作物生長需要最佳的水、肥、氣、熱環(huán)境，水是最重要的調(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(shí)、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。土壤水分在植物的生長過程中 具有五大功能：1、土壤水分狀況直接影響作物對養(yǎng)分的吸收，2、土壤中有機(jī)養(yǎng) 分的分解礦化離不開水分，3、施入土壤中的化學(xué)肥料只有在水中才能溶解，4、 養(yǎng)分離子向根系表面遷移，5、以及作物根系對養(yǎng)分的吸收都必須通過水分介質(zhì) 來實(shí)現(xiàn)。上面一段話就簡單的介紹了土壤水分對植物的影響了，土壤水分不足或者是過多 都會(huì)影響植物的正常生長，主要體現(xiàn)：在沒有土壤水

2、分的狀況下，植物很容易因 缺水狀況而死亡；當(dāng)土壤水分不足的時(shí)候，植株會(huì)比較的矮小，無法進(jìn)行正常的 生長；當(dāng)土壤水分充裕的時(shí)候，植株能夠健壯地生長，同時(shí)可以高產(chǎn)；當(dāng)土壤水 分過多，也會(huì)導(dǎo)致植株的根部無法正常呼吸而死亡。土壤水分的測量可以使用土 壤水分監(jiān)測系統(tǒng)來進(jìn)行測量，它能夠?qū)Ω黝愅寥肋M(jìn)行長期定時(shí)監(jiān)測記錄，也可以 實(shí)時(shí)快速測量和記錄。目前，農(nóng)田土壤水分測量方法層出不窮，如烘干法、張 力計(jì)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(diǎn)。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(diǎn)作一總 結(jié)，

3、在此基礎(chǔ)上提出未來土壤水分測量方法的發(fā)展方向。一：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(jì)法、中子法、 時(shí)域P頻域反射儀等。詳情如下。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105110C （溫度過高，有機(jī)質(zhì)易碳化散逸）溫度下烘至恒重 （間隔3 h的測量差異不超過3 mg）,實(shí)際操作中一般烘1214 h ,在干燥器 中冷卻20 min稱重即可，2次重量的差即為土壤含水率。烘干法的優(yōu)點(diǎn)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，

4、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(diǎn)也是明顯的，烘干法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，深層取樣困難，取樣會(huì) 破壞土壤，不能實(shí)現(xiàn)對土壤水分定點(diǎn)連續(xù)觀測，受土壤空間變異性影響較大。張力計(jì)法張力計(jì)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(jì)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(gè)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(jì)是1根充滿水的密閉的管子，一端有1

5、個(gè)多孔陶瓷頭（孔徑約110 115m）,可插入土壤中，另一端連接1個(gè)負(fù)壓表。通過多孔陶瓷頭的吸力， 水分不停地流動(dòng)直到土壤水吸力與張力計(jì)的壓力達(dá)到平衡，這時(shí)壓力表指示的 負(fù)壓值即為土壤水吸力。張力計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)是能夠比較準(zhǔn)確地測量濕潤土壤的基質(zhì)勢，能夠定點(diǎn)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(diǎn)是讀數(shù)反應(yīng)慢，需要長時(shí)間平衡后才能讀數(shù)，且量程較窄，僅 能測定小于8 kPa的土壤水吸力，不適用于極端干燥土壤。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(yùn)行費(fèi)用較高。土壤水勢測定儀就是采取張力計(jì)法的測量原

6、理研制的， 適用于任何的土壤性質(zhì)監(jiān)測。中子法中子法的原理是中子從1個(gè)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(shí)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(diǎn)連續(xù)觀測，且無滯后現(xiàn)象，但中子法 并不能實(shí)現(xiàn)長期大面動(dòng)態(tài)監(jiān)測2 。由于中子法測量的實(shí)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(shí)，或?qū)τ趯訝钔寥酪约氨韺油寥?，中子法的測量

7、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(huì)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(shí)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。時(shí)域反射儀（TDR）TDR （T ime Domain Reflectometry）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（20C時(shí)，自然水、空氣和土壤顆粒的Ka分別為80、1、 35）。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率計(jì)算出土壤的介電常

8、數(shù)Ka,從而利用土 壤介電常數(shù)和土壤體積含水量（0 v）之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算出土壤含水率。Ka在電磁波頻率為1 MHz1GHz時(shí)，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 = （ cP V）2= （ ct/ 2L）2（1）式中：c為光速，c = 3 X108mP s ; t為電磁波的傳達(dá)時(shí)間，s。電磁波 在各點(diǎn)的反射很明顯，可以很準(zhǔn)確的計(jì)測出t ,從而可用（1）式計(jì)算出Ka。T opp等用TDR測定了電磁波的傳播時(shí)間，并得出該傳播時(shí)間在大部分土壤中與土 壤體積含水率（0 v）的經(jīng)驗(yàn)公式4 :0 v = - 513 X10- 2+ 2192 X 10- 2Ka - 515

9、X 10- 4K2a + 413X10- 6Ka3 當(dāng)0 v 016時(shí)（2）但該經(jīng)驗(yàn)關(guān)系只適用于當(dāng)Ka 一 1或Ka 一80136 （20C）時(shí)，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(diǎn)，如無核輻 射，極其快速，可以定點(diǎn)原位連續(xù)測定，且測定值精確。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0100%）, 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(shí)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,

10、在導(dǎo)電率較高的土壤中（如鹽堿地），其測量精度也會(huì)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(jià)格較高，其應(yīng)用也受到一定限制。頻域反射儀（FDR）FDR （Frequency Domain Reflectometry）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)K a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(gè)電容，其間的土壤充 當(dāng)電介質(zhì)，電容與振蕩器組成1個(gè)調(diào)諧電路，振蕩器頻率F與土壤電

11、容C 呈非線性反比關(guān)系：F =12n L1C +1Cb015（3）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，F(xiàn)DR在電極的幾何形狀設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測。但是 FDR在低頻（W 20 MHz）工作時(shí)，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(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)8, 不但測量精度高，而且價(jià)格不高

12、，既可以單點(diǎn)測量也可以多點(diǎn)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(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn) 有的其它測定方法。二： 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(huì)切斷作物的某些根并影響土壤水分運(yùn)動(dòng)，不能定點(diǎn)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)較先進(jìn)的時(shí)域反射儀法（TDR）和經(jīng)濟(jì)型的頻域反射儀法