土壤水分測量

I三」I三」測量土壤水分含量的方法摘要：土壤含水量直接影響著作物生長、農(nóng)田小氣候以及土壤的機械性能。在農(nóng)業(yè)、水利、氣象研究等許多方面，土壤水分含量都是一個重要參數(shù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤含水量的測量測定對于有效資源管理、灌溉措施、作物生長以及化學(xué)物質(zhì)檢測等方面非常重要；在水利和氣象上，土壤水分的準確測定對于地球表面有效能量的分配、感熱和潛熱與大氣的交換以及入滲和徑流的分配研究方面起著重要作用，此外它還是精準農(nóng)業(yè)的重要參數(shù)。本文概要介紹了目前國際上主要土壤水分測量技術(shù)的原理及特色，稱重法為標準方法，中子儀為第二標準方法，TDR為主流方法，F(xiàn)ED和Capacitance法在連續(xù)動態(tài)監(jiān)測方面具有優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：土壤水分測量技術(shù)TDRFDRCapacitance半個多世紀以來，對土壤水分測量的研究一直沒有停止，各種測量技術(shù)層出不窮，形成了各具特色的當(dāng)代土壤水分測量技術(shù)。對土壤水分的測量，可以從幾個方面進行，一是直接測量土壤的重量含水量或容積含水量，如取樣稱重烘干法、中子儀法、測量土壤傳導(dǎo)性的各種方法等；另一類是測量土壤的基質(zhì)勢，如張力計法、電阻塊法、干濕計法等；還有一類非接觸式的間接方法，如遠紅外遙測法、地面熱輻射測量法、聲學(xué)方法等。本文就目前主要的方法簡要介紹其原理，初步比較各方法的特色及優(yōu)缺點。1幾種傳統(tǒng)方法及其改進1.1烘干稱重法這是目前國際上的標準方法。烘干稱重法測量的是土壤重量含水量，有恒溫烘箱烘干法、紅外線烘干法、酒精燃燒法等。烘干法的優(yōu)點是對設(shè)備要求不嚴，就樣品本身而言結(jié)果可靠。但它的缺點也是明顯的，烘干法費時、費力、綜合費用并不低；取樣會破壞土壤，深層取樣困難，定點測量時不可避免由取樣換位而帶來誤差，在很多情況下不可能長期定點監(jiān)測；受土壤空間變異性影響也比較大；如果測量目的是用于灌溉，還必須知道土壤各層次的容重。1.2張力計法張力計是應(yīng)用得很廣泛的一種方法，它測量的是土壤的基質(zhì)勢。張力計的關(guān)鍵部件是細孔毛瓷杯，孔徑約0.1?1.5瓷杯與土壤緊密接觸，杯內(nèi)自由水通過杯壁孔隙與土壤水接觸，水和鹽可以無阻礙地進出瓷杯，與土壤達到平衡。通過與毛瓷杯相連的真空表或水銀柱讀出土壤基質(zhì)勢。張力計法的優(yōu)點是在土壤比較濕潤的情況下測量土壤基質(zhì)勢很準確，適合于灌溉和水分脅迫的監(jiān)測。與測量土壤容積或重量含水量的方法相比，張力計法受土壤空間變異性的影響比較小。它還是一種低成本設(shè)備的直接測量方法，能夠連續(xù)測量。張力計法的主要缺點表現(xiàn)在反應(yīng)慢，需要長時間平衡后才能讀數(shù);測量范圍通常只在水分飽和至70?80KPa吸力間，非常干燥的土壤中不適合。如果瓷杯與土壤接觸不緊密(如放置在根系活動范圍內(nèi)或有機肥分解產(chǎn)生氣體的地方或土壤失水收縮嚴重時)，會引起讀數(shù)的反應(yīng)遲鈍或停滯。在測量過程中，特別是在高溫干旱季節(jié)，需要經(jīng)常養(yǎng)護和給瓷杯補充水分。毛瓷杯易損壞，需要定期維護和更換，勞力和時間消耗非常多，運行費用較高。針對張力計的缺點，研究者們作了許多改進。最有效的改進是讀數(shù)方式的革新。采用氣體壓力傳感裝置，結(jié)合電子技術(shù)，可以連續(xù)、自動采集田間數(shù)據(jù)；也可做成手持式的電子讀數(shù)氣體壓力計(Ten-simeter),一個氣體壓力計可以在較短時間內(nèi)讀取大量張力計的數(shù)據(jù)。這一改進大大降低了運行成本。1.3射線法射線法包括中子散射法、Y射線法、X-射線法等。射線法的原理是射線直接穿過土體的時候能量會衰減，衰減量是土壤含水量的函數(shù)，通過射線探測器計數(shù)，經(jīng)過校準后得出土壤含水量。中子散射法測量結(jié)果非常準確，是稱重法之外的第二標準方法。測量相對比較簡單、容易，速度也很快。套管永久安放后不破壞土壤，能長期定位測定，可達根區(qū)土壤任何深度。中子法需要田間校準是主要的缺點之一。另外，儀器設(shè)備昂貴，一次性投入大。中子法對土壤采樣范圍為一球體，這使得在某些情況下測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，如土壤處于干燥或濕潤周期時、層狀土壤、土壤表層等。安裝套管時會破壞土壤。此外，中子儀存在潛在的輻射危害，操作者必須經(jīng)過培訓(xùn)并持有許可證。目前有輕便手持式的中子儀。另外，用自動裝置把中子管在套管中按規(guī)定的時間和距離上下移動，使中子儀可用于短期實時測量，但長期大面積動態(tài)監(jiān)測仍幾乎不可能。計算機化X-射線軸向分層造影技術(shù)(ComputerizedAxialTomography,CAT)首次于1982年用于土壤容重空間變異性的測定，以后又用于土壤水分的測量，所用的輻射源主要有60Co、137Cs、144Ce、169Yb、241Am等。此法受土壤容重影響，所以有用雙輻射源的，或與Y射線法結(jié)合。X-射線和y射線法測定土壤水分速度快，不破壞土壤，但價格高，存在輻射危害，需要校準，操作復(fù)雜，一般只用作研究工具。1.4電阻法與粒狀列陣法電阻法是一項比較古老的方法，電阻由多孔滲水介質(zhì)(如石膏、尼龍、玻璃纖維)制成，它的電阻大小與含水量相關(guān)。把里面嵌有電極的電阻塊放入土壤中，當(dāng)電阻塊中的水勢與土壤水勢平衡后，測量電阻塊的電阻，然后求出土壤水勢。電阻塊主要是石膏塊，所以此法常稱之為石膏塊法(GypsumBlock)。電阻法成本較低，可以作許多重復(fù)，適合于灌溉?？刹黄茐耐寥懒粼谔镩g連續(xù)自動(而中子法不行)，也可做成手持式的。電阻法有滯后作用，測量范圍一般只能到100kPa，干燥后電阻塊可能與土壤接觸不好，靈敏度也非常低。任何與土壤水分變化無關(guān)的土壤電導(dǎo)的變化(如施肥)也會被檢測到，使結(jié)果出現(xiàn)偏差，此法只適合于非鹽堿土。當(dāng)使用直流電的時候，極化作用會引起電阻塊退化速度加快，長時間后石膏會徹底溶解到土壤溶液中，土壤含水量越高，電阻塊壽命越短。為了減輕這一現(xiàn)象，一般使用很小的交流電，但是大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能將交流電壓數(shù)字化，交流電必須轉(zhuǎn)換成直流電輸出，以便于連續(xù)自動監(jiān)測。電阻法受土壤性質(zhì)影響，需要標定，而且標定結(jié)果會隨著時間發(fā)生變化。對石膏塊的改進還包括使其孔隙大小分布與被測土壤質(zhì)地相匹配，小孔隙的石膏塊在含水量較低時比較適合。粒狀列陣法(GranularMatrix)原理與石膏塊法相同。但使用更穩(wěn)定、重復(fù)性更好的粒狀列陣代替石膏塊，用石膏小圓片組成列陣狀感體，以緩沖土壤鹽度對讀數(shù)的影響。粒狀列陣探頭比石膏塊壽命長，可成批標定，標定結(jié)果的時間穩(wěn)定性更強。不足之處與石膏塊法類似，屬于點測量，監(jiān)測根區(qū)土壤需要較多的探頭，自動化程度有限。土壤水吸力在10?20kPa時靈敏度較高，在非常粗或者脹縮性較強的土壤上效果不好。1.5熱擴散法熱擴散法(HeatDissipation/ThermalDiffusivity)與電阻塊法類似，但它測量的是熱導(dǎo)而不是電導(dǎo)，故不存在水的電導(dǎo)影響。在一個低導(dǎo)熱性的多孔滲水介質(zhì)中，熱擴散的速率與其含水量成函數(shù)關(guān)系，這是熱擴散法的原理。測量一個土體在接收熱脈沖前后的溫度，從熱脈沖點流過來的熱量與土壤含水量高度相關(guān)，濕土比干土溫度上升得慢，用一個非常精確的量熱計測量上升的溫度，通過校準可以得出土壤含水量。如果測量太頻繁，會消耗較多的電量。2由土壤介電特性測量含水量的方法TDF和FDR（包括電容法）都是通過測量土壤表觀介電常數(shù)來得到土壤容積含水量的。從電磁角度看，土壤由4種介電物質(zhì)組成：空氣、土壤固體物質(zhì)、束縛水和自由水。在無線電頻率、標準狀態(tài)時（20°C,1大氣壓）純水的介電常數(shù)為80.4,土壤固體物質(zhì)約3~7，空氣為1。水中有鹽存在時會直接影響其介電特性，特別是在低頻（＜30MHz）時。許多試驗表明土壤表觀介電常數(shù)與容積含水量存在非線性關(guān)系，當(dāng)頻率＞1GHz時，非線性的原因主要是因為土壤束縛水的存在，束縛水的多少與土壤比表面有關(guān)。總的說來，土壤介電特性是下面幾個因子的函數(shù)：1）電磁頻率、溫度和鹽度；2）土壤容積含水量；3）束縛水與土壤總?cè)莘e含水量之比；4）土壤容重；5）土壤顆粒形狀及其所包含的水的形態(tài)。2.1時域反射儀（TDR）時域反射儀（TimeDomainReflectometry）是--項高速測量技術(shù)，最早由H.Fellner-Feldegg于1969年開發(fā)，用來測量液體介電常數(shù)與頻率的關(guān)系，自從Topp等人對TDR做出關(guān)鍵性的發(fā)展后，便開始了一個大量使用TDR測量土壤水分的時期。由于TDR測量快速，一般不需標定，可以作定位連續(xù)測量，既可以做成輕巧的便攜式作野外測量，又可與計算機相連，自動完成單個或成批監(jiān)測點的測量，因此20世紀90年代后國際上已把TDR作為研究土壤水分的基本儀器設(shè)備。TDR的基本原理是，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特性。在一定的電磁波頻率范圍內(nèi)（50M?10GHz），礦物質(zhì)、空氣和水的介電特性為常數(shù)，因此土體的介電常數(shù)主要依賴于土壤容積含水量（極微弱地依賴于土壤類型、緊實度、束縛水等），這樣可以建立土壤容積含水量與土壤介電常數(shù)的經(jīng)驗方程。TDR通過測量高頻電磁脈沖在土壤中的傳播速度求得土壤的介電常數(shù)，從而計算出土壤的含水量。高頻電磁波在土壤中的傳播速度v與土壤介電常數(shù)k存在下面的關(guān)系式：cIk式中，c為電磁波在自由空間的傳播速度。在實際測量中，TDR通過一個振蕩器（一種發(fā)射高頻方波脈沖的裝置，以達到同步和事件定時的目的）發(fā)射電磁脈沖，測量它在傳輸線（插入土壤中的金屬導(dǎo)波棒，長度為1）中的傳輸時間t而計算傳輸速度v：lV=—t由TDR發(fā)射的電磁脈沖到達導(dǎo)波棒后，有一部分返回儀器；當(dāng)脈沖到達導(dǎo)波棒末端時，脈沖反射回儀器。這些反射的波形信號被捕捉下來TDR系統(tǒng)自動分析這些波形，計算出電磁波在導(dǎo)波棒中傳播的時間t，然后自動轉(zhuǎn)換成土壤含水量。TDR測量土壤含水量的準確性決定于測量時間t的精度；另外，信號的相互干擾和電容的干擾也是一個因素。TDR為目前測量土壤含水量的主流方法。TDR可對土壤樣品快速、連續(xù)、準確地測量，平均分辨率0.02?0.005cm3/cm3。一般不需標定，測量范圍廣（含水量0?100%），操作簡便，野外和室內(nèi)都可使用，可做成手持式的進行田間即時測量，也可通過導(dǎo)線遠距離多點自動監(jiān)測。導(dǎo)波棒可以單獨留在土壤中好幾年，需要的時候再連上TDR測量；導(dǎo)波棒可做成不同形狀以適應(yīng)不同情況，長度一般10?200cm。TDR能夠測量表層土壤含水量（中子儀法不行）。TDR測量結(jié)果受土壤鹽度影響很小，但當(dāng)含鹽量增加后，脈沖信號從導(dǎo)波棒末端的反射會減弱，有人試圖在導(dǎo)波棒上使用涂層解決這一問題，但涂層又帶來新的問題。在測量高有機質(zhì)含量土壤、高2:1型粘土礦物含量土壤、容重特別高或特別低的土壤時，需要標定。TDR最大的缺點是電路復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備昂貴。TDR測量的是脈沖在導(dǎo)波棒中雙程傳播的時間。如果測量單程傳播時間，則波形分析要簡單一些，設(shè)備要便宜一些，這種儀器有人稱之為TDT（TimeDomainTransmissometry）。2.2頻域反射儀（FDR）與電容法（Capacitance）頻域反射儀（FrequencyDomainReflectometry）測量土壤含水量的原理與TDR類。TDR與FDR的探頭統(tǒng)稱為介電傳感器（DielectricSensor）。FDR的傳感器主要由一對電極（平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán)）組成一個電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容與振蕩器組成一個調(diào)諧電路，振蕩器工作頻率F隨土壤電容的增加而降低:F=——*F=——*—+-

2nL"Cc0.5式中，L為振蕩器的電感，C為土壤電容，Cb為與儀器有關(guān)的電容。C隨土壤含水量的增加而增加，于是振蕩器頻率與土壤含水量呈非線性反比關(guān)系。FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率（此時振幅最大），土壤含水量不同，發(fā)生共振的頻率不同。如果使用固定頻率（這與TDR類似），通過測量其標準波的頻率變化來測量土壤含水量，這類方法嚴格地說不是FDR，一般稱為電容法。FDR幾乎具有TDR的所有優(yōu)點。與TDR相比，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，例如探頭可做成犁狀與拖拉機相連，在運動中測量土壤含水量。大多數(shù)FDR在低頻《100MHz）工作，能夠測定被土壤細顆粒束縛的水，這些水不能被工作頻率超過250MHz的TDR有效地測定。FDR校準比TDR可更少，也不需要專業(yè)知識去分析波形。大多數(shù)FDR探頭可與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器相連，從而實現(xiàn)自動連續(xù)監(jiān)測。FDR的讀數(shù)強烈地受到電極附近土體孔隙和水分的影響（TDR也是如此），特別是對于使用套管的FDR，探頭一套管一土壤接觸良好與否對測量結(jié)果可靠性的影響非常大。在低頻（忍20MHz）工作時比TDR更易受到土壤鹽度、粘粒和容重的影響。另外，與純粹的TDR波形分析相比，F(xiàn)DR缺少控制和一些詳細信息。3干濕計法十濕計（Psychrometry）測量土壤水分的歷史并不短，20世紀60、70年代就有大量文獻。該法類似于測量空氣相對濕度的方法，在土壤汽、液平衡后，給插于其中的熱電偶以微小的電流使其冷卻，引起熱電偶周圍水分凝結(jié)在其上面，停止通電冷卻后，凝結(jié)水蒸發(fā)，吸收熱量，使熱電偶溫度降低，低于另一十球的溫度，十濕球間的溫差產(chǎn)生一個溫差電勢，由溫差電勢可以計算熱電偶降低的溫度，降低的溫度決定于蒸發(fā)速率，蒸發(fā)速率決定于熱電偶周圍環(huán)境的濕度。通過電勢差的讀數(shù)計算土壤水勢。十濕計測量的是土壤水吸力，土壤水吸力在100?1500kPa時，此法很有用（而張力計適用于低吸力），特別當(dāng)土壤中含大量粘粒時非常適合（而FDR受到影響）。十濕計只需在實驗室校準，不受土壤類型和土壤顆粒大小的影響，速度也比較快。因為它測量的是基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢，所以此法廣泛地應(yīng)用于測定植物葉、莖和根的水勢，也可取微小土樣室內(nèi)測量。當(dāng)土壤吸力小于100kPa時，十濕計法測量結(jié)果不準確。干濕計在測量過程中受熱量梯度的強烈影響，所以它在土壤表層測量結(jié)果不好。干濕計法取樣的土壤體積很小，另外需要特殊的儀器設(shè)備對探頭信號放大和讀數(shù)，價格昂貴。露點計（DewPointMeter）原理與十濕計類似，在讀數(shù)上有一些變化，測量結(jié)果更穩(wěn)定些。4其他方法田間速測的碳酸鹽法。其原理是，一小塊待測濕土樣與CaCO3在一個密封的容器中反應(yīng)，釋放出CO2氣體，然后測定所產(chǎn)生的氣體的壓強，再換算成土壤含水量。該法比較便宜，一般用于田間快速測定，1?3min可測完一個樣品。取樣會破壞土壤，此法需要特殊的設(shè)備，要消耗試劑。非接觸式方法（遙測法）可以進行大面積的土壤水分監(jiān)測。目前主要方法有：1）測量土壤表面的輻射溫度；2）土壤表面溫度與植被指數(shù)相結(jié)合；3）微波法。這些方法與其他信息（如土壤表面能量平衡）結(jié)合，可以得到許多重要的數(shù)據(jù)（如蒸散量、冠層阻力）。與塔臺遙感、航空遙感、衛(wèi)星遙感結(jié)合，不僅能指導(dǎo)灌溉，還可以為區(qū)域水量平衡和水分調(diào)配提供重要依據(jù)。這些方法目前尚在快速發(fā)展、進一步完善之中。測量土壤含水量的方法很多，同類方法還常常有變種，各廠家生產(chǎn)的同類型的儀器盡管基本原理相同，但在具體技術(shù)上還會有差別。當(dāng)代土壤水分測量技術(shù)正在朝著準確、快速、定點、連續(xù)、非破壞、自動化、操作簡便、安全、低成本、寬量程、少標定方向發(fā)展。參考文獻1宋海燕.基于光譜技術(shù)的突然、作物信息獲取及其相互關(guān)系的研究[D].博士論文.浙江大學(xué).2006KlenkeJM，F(xiàn)lint，AL.CollimatedneutronprobeforsoilwatercontentmeasurementsSoilSci.Soc.Am.J.，1911，55（4）：916~923EvettSR，JL.Siteiner.Precisionofneutronscatteringandcapacitancetypesoilwatercontentgaugesfromfieldcalibration.SoilSci.Soc.Am.J,1995，59（4）：961~968PhogatVK，AylmoreLAG，SchullerRD.Simultaneousmeasurementofthespatialdistributionofsoilwatercontentandbulkdensity.SoilSci.Soc.Am.J.，1991，55（4）：908~915SeyfriedMS.Fieldcalibrationandmonitoringofsoil-watercontentwithfiberglasselectricalresistancesensor.SoilSci.Soc.Am.J.，1993，57（6）：1432~1436PalltineanuIC,StaeeJL.Real-timesoilwaterdynamicsusingmultisensorycapacitanceprobes：Laboratorycalibration.SoilSci.Soc.Am.J.,1997,61(6)：1576~1585ToppGC,DavisJL,AnnanAP.Electromagneticdeterminationofsoilwatercontentmeasure