土壤水分测量技术

半个多世纪以来,对土壤水分测量的研究一直没有停止，各种测量技术层出不穷 ,形成了各具特色的当代土壤水分测量技术。对土壤水分的测量 ,可以从几个方面进行 ,一是直接测量土壤的重量含水量或容积含水量 ,如取样称重烘干法 、中子仪法 、测量土壤传导性的各种方法等 ;另一类是测量土壤的基质势 ,如张力计法 、电阻块法 、干湿计法等 ;还有一类非接触式的间接方法 ,如远红外遥测法 、地面热辐射测量法 、声学方法等

     烘干称重法

    这是目前国际上的标准方法 。烘干称重法测量的是土壤重量含水量 ,有恒温烘箱烘干法 、红外线烘干法 、酒精燃烧法等 。烘干法的优点是对设备要求不严 ,就样品本身而言结果可靠 。但它的缺点也是明显的 ,烘干法费时 、费力 ,综合费用并不低 ;取样会破坏土壤 ,深层取样困难 ,定点测量时不可避免由取样换位而带来误差 ,在很多情况下不可能长期定点监测 ;受土壤空间变异性影响也比较大 ;如果测量目的是用于灌溉 ,还必须知道土壤各层次的容重。

张力计法

    张力计是应用得很广泛的一种方法 ,它测量的是土壤的基质势 。张力计的关键部件是细孔毛瓷杯 ,孔径约 110～115μm ,瓷杯与土壤紧密接触 ,杯内自由水通过杯壁孔隙与土壤水接触 ,水和盐可以无阻碍地进出瓷杯 ,与土壤达到平衡 。通过与毛瓷杯相连的真空表或水银柱读出土壤基质势 。

张力计法的优点是在土壤比较湿润的情况下测量土壤基质势很准确 ,适合于灌溉和水分胁迫的监测 。与测量土壤容积或重量含水量的方法相比 ,张力计法受土壤空间变异性的影响比较小 。它还是一种低成本设备的直接测量方法 ,能够连续测量 。

张力计法的主要缺点表现在反应慢 ,需要长时间平衡后才能读数 ;测量范围通常只在水分饱和至70～80 kPa 吸力间 ,非常干燥的土壤中不适合 。如果瓷杯与土壤接触不紧密 (如放置在根系活动范围内或有机肥分解产生气体的地方或土壤失水收缩严重时) ,会引起读数的反应迟钝或停滞 。在测量过程中 ,特别是在高温干旱季节 ,需要经常养护和给瓷杯补充水分 。毛瓷杯易损坏 ,需要定期维护和更换 ,劳力和时间消耗非常多 ,运行费用较高。

  射线法

  射线法包括中子散射法 、 γ射线法 、 Χ - 射线法等 。

射线法的原理是射线直接穿过土体的时候能量会衰减 ,衰减量是土壤含水量的函数 ,通过射线探测器计数 ,经过校准后得出土壤含水量 。

中子散射法测量结果非常准确 ,是称重法之外的第二标准方法 。测量相对比较简单 、容易 ,速度也很快 。套管永久安放后不破坏土壤 ,能长期定位测定 ,可达根区土壤任何深度 。中子法需要田间校准是主要的缺点之一 。另外 ,仪器设备昂贵 ,一次性投入大 。中子法对土壤采样范围为一球体 ,这使得在某些情况下测量结果出现偏差 ,如土壤处于干燥或湿润周期时 、层状土壤 、土壤表层等 。安装套管时会破坏土壤 。

此外 ,中子仪存在潜在的辐射危害 ,操作者必须经过培训并持有许可证 。目前有轻便手持式的中子仪 。另外 ,用自动装置把中子管在套管中按规定的时间和距离上下移动 ,使中子仪可用于短期实时测量 ,但长期大面积动态监测仍几乎不可能 。

    由土壤介电特性测量含水量的方法

TDR 和 FDR (包括电容法) 都是通过测量土壤表观介电常数来得到土壤容积含水量的 。

    时域反射仪 (TDR)

时域反射仪 ( Time Domain Reflectometry) 是一项高速测量技术 ,用来测量液体介电常数与频率的关系 ,自从 Topp 等人对 TDR 做出关键性的发展后 ,便开始了一个大量使用 TDR 测量土壤水分的时期。由于 TDR 测量快速 ,一般不需标定 ,可以作定位连续测量 ,既可以做成轻巧的便携式作野外测量 ,又可与计算机相连 ,自动完成单个或成批监测点的测量 ,因此 20世纪90 年代后国际上已把 TDR作为研究土壤水分的基本仪器设备 。

TDR为目前测量土壤含水量的主流方法 。TDR可对土壤样品快速 、连续 、准确地测量  。一般不需标定 ,测量范围广 (含水量 0～100 %) ,操作简便 ,野外和室内都可使用 ,可做成手持式的进行田间即时测量 ,也可通过导线远距离多点自动监测 。TDR 能够测量表层土壤含水量 (中子仪法不行)TDR 测量结果受土壤盐度影响很小 ,但当含盐量增加后 ,脉冲信号从导波棒末端的反射会减弱 ,有人试图在导波棒上使用涂层解决这一问题 ,但涂层又带来新的问题 。在测量高有机质含量土壤、高2:1 型粘土矿物含量土壤 、容重特别高或特别低的土壤时 ,需要标定 。TDR 最大的缺点是电路复杂 ,导致设备昂贵 。

   频域反射仪 (FDR)

频域反射仪 ( Frequency Domain Reflectometry)测量土壤含水量的原理与TDR类似。FDR几乎具有TDR的所有优点。与TDR 相比 ,在电极的几何形状设计和工作频率的选取上有更大的自由度 ,例如探头可做成犁状与拖拉机相 连 , 在运动中测量土壤含水量 。大多数FDR 在低频 ( ≤ 100 MHz) 工作 ,能够测定被土壤细颗粒束缚的水 , 这些水不能被工作频率超过 250MHz 的 TDR 有效地测定 。FDR 校准比 TDR 可更少 ,也不需要专业知识去分析波形 。大多数 FDR 探头可与传统的数据采集器相连 ,从而实现自动连续监测。FDR 的读数强烈地受到电极附近土体孔隙和水分的影响 ( TDR 也是如此) ,特别是对于使用套管的 FDR ,探头 —套管 —土壤接触良好与否对测量结果可靠性的影响非常大 。在低 频 ( ≤20MHz) 工作时比 TDR 更易受到土壤盐度 、粘粒和容重的影响 。另外 , 与纯粹的 TDR 波形分析相比 ,FDR 缺少控制和一些详细信息 。

    干湿计法

干湿计测量的是土壤水吸力 , 土壤水吸力在100～1500 kPa 时 ,此法很有用 (而张力计适用于低吸力) ,特别当土壤中含大量粘粒时非常适合 (而FDR 受到影响) 。干湿计只需在实验室校准 ,不受土壤类型和土壤颗粒大小的影响 ,速度也比较快 。因为它测量的是基质势和溶质势 ,所以此法广泛地应用于测定植物叶 、茎和根的水势 ,也可取微小土样室内测量 。

当土壤吸力小于100 kPa时 ,干湿计法测量结果不准确 。干湿计在测量过程中受热量梯度的强烈影响 ,所以它在土壤表层测量结果不好 。干湿计法取样的土壤体积很小 ,另外需要特殊的仪器设备对探头信号放大和读数 , 价 格 昂 贵 。

碳酸盐法

    田间速测的碳酸盐法 。其原理是 ,一小块待测湿土样与 CaCO3 在一个密封的容器中反应 ,释放出CO2气体 ,然后测定所产生的气体的压强 ,再换算成土壤含水量 。该法比较便宜 ,一般用于田间快速测定 ,1～3min可测完一个样品 。取样会破坏土壤 ,此法需要特殊的设备 ,要消耗试剂 。

非接触式方法 (遥测法) 

非接触式方法 (遥测法)可以进行大面积的土壤水分监测 。目前主要方法有 : ①测量土壤表面的辐射温度 ; ②土壤表面温度与植被指数相结合 ; ③微波法 。这些方法与其他信息 (如土壤表面能量平衡)结合 ,可以得到许多重要的数据 (如蒸散量 、冠层阻力) 。与塔台遥感 、航空遥感 、卫星遥感结合 ,不仅能指导灌溉 ,还可以为区域水量平衡和水分调配提供重要依据 。

来源：陈家宙,陈明亮,何圆球.各具特色的当代土壤水分测量技术[J].湖北农业科学, 2001, 000(003):25-28.