为什么要测量土壤含水量?

2020-07-10 14:48:33 73

      土壤含水量影响农作物收成和水保的重要因素之一。土壤湿度对于制定灌溉进程,水与溶质流的评价,净辐射潜热与显热的划分等方面都有重要的意义。

       作为预测水源耗竭模式中的重要参量,土壤湿度在水文学中是很重要的。在大气数值模式中,陆气相互作用的模拟及水气循环的其他参量,也要求测量土壤湿度,卫星遥感评价的验证,也要求测量地表土壤水分。

      总之:土壤含水量对灌溉控制,生态研究,涡度协方差,坡度稳定性气候科学等研究都具有重要的意义. 土壤中水分的多少有两种表示方法:以土壤含水量和土壤水势表示。

 土壤含水量:           

1、常见的含水量表示方法有质量含水量和体积含水量:                                                            

  质量含水量:土壤中水分的质量与干土质量的比值

体积含水量:水的体积与样品总体积的比即是体积含水量. 两者之间的关系式 体积含水量等于质量含水量乘以容重. (ρb) : 容重, 单位体积的重量.

 

2、土壤含水量有三个重要指标:

(1)土壤饱和含水量,表明该土壤最多能含多少水,此时土壤水势为0。   

(2)田间持水量,是土壤饱和含水量减去重力水后土壤所能保持的水分。重力水基本上不能被植物吸收利用,此时土壤水势为-0.3巴。   

(3)萎蔫系数,是植物萎蔫时土壤仍能保持的水分。这部分水也不能被植物吸收利用,此时土壤水势为-15巴。

3、土壤水分测量方法:

3.1、传统方法:

    烘干称重法 、中子仪法、张力计法、射线法、电阻法

3.2、土壤介电特性测量含水量 (介质):

     时域反射法: (TDR)

     频域反射法(FDR) 与 电容法

3.3、热脉冲传感器

3.4、红外(微波)遥感法

4、几种测量方法的比较:

5、介电常数:(permittivity)

介电常数来自于库仑定律,库仑定律是电磁场理论的基本定律之一。真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比,和它们距离的平方成反比,作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同性电荷相斥,异性电荷相吸。

1594349279768208.png   ………………………………………….①

F(电荷间相互作用力),K(库仑常数),(两个点电荷电量)。

由于历史原因,库仑常数常被写成以下形式:

1594349304845759.png     ………………………………………….②

 K(库仑常数),(真空介电常数),法拉/米

 介电常数是一个表征电荷在介质中相互作用力大小的量,从电场强度角度来看,介电常数是表征介质中电场强弱的量。

 将一对电偶极子(什么是电偶极子)放在两个点电荷之间,这两个点电荷的库仑力会减小,见下图:

电偶极子

               

上图中是真空中q1对q2的作用力,介电常数为,下图中是加了电偶极子后q1对q2的作用力,介电常数为。不难从计算得出>,>。所以我们将所有导致介电常数增大的物质定义为电介质。

             

介电常数是一个比较复杂的常数(),为简化计算和便于分析问题,广义介电常数或相对介电常数定义为电介质介电常数和真空介电常数的比值,这只是个习惯性定义,没有实在的意义,大家在以后看见的公式或阅读的除物理学以外的文献中所提到的介电常数一般指相对介电常数,我们简称介电常数,用表示。

1594349440346263.png …………………….……………………….③

 (相对介电常数), 相对介电常数有时也会被表示为④式:

1594349465636376.png…………………….…………………..…….④

(有电介质的电容), (真空电容)。

6、介电常数与土壤水分的关系:

TDR和FDR是目前流行的土壤水分测量方法,两者都是通过测量土壤的介电常数来得到土壤体积含水量的。因此他们又被称为介电常数传感器。

从电磁理论角度来看,土壤由四种介电物质组成:空气,土壤固体物质,自由水和束缚水。在无线电频率,标准状态时(20℃,1个大气压)纯水的介电常数为80.4,土壤固体物质约为3~7,有机质为2~5,空气为1.由于这种较大的介电常数差值,湿土壤的介电常数主要依赖于土壤中水分的含量。

     

7、测量原理:

7.1、TDR测量原理:

电磁波在探针上的传输时间决定于传输速度和探针的长度,速度取决于探针周围介质的介电常数,土壤介电常数的公式如下:

 

上式中L为实际探针的长度,C为真空中的电磁波传输速度,t是传输时间,εb为介电常数

   捕获2

(如:TDR350 、TDR200、SoilVUE 、HD2 便携式土壤水分速测仪、都是TDR 测量原理

7.2、反射法测量原理:

周期t与介电常数有关。代表性传感器:

                 

 =周期 (us)  ,Sf= 比例因子 ,L= 探针长度 (m) , td= 时间 (s), c= 光速 (299.79 m/s)

   (如:CS616 、CS655 、CS650、HS2 采用的是反射法测量原理 )

 7.3、频域反射法 FDR:

  传感器向周围发射高频电磁波,电磁波进入周围土壤,土壤中水分子被极化后会引起共振,共振频率与土壤的介电常数有关系。电容两个电极间检测到的高频信号会受到水分子共振频率的严重影响,水分子越多,检测到的高频信号越小。

         

(ML3便携式土壤水分速测仪、SM150便携式土壤水分速测仪、PR2-6 土壤水剖面分速测仪、 PR2-4 土壤水剖面分速测仪、smart 是FDR 测量原理)    

 

7.4:TDT 测量原理

和TDR技术类似,TDT(Time domain transmission)时域传输法也是基于测量土壤介质的介电常数来确定土壤含水量的.不同的是, TDT探头发射的电磁波在介质中是单向传播的, 检测的是电磁波单向传输后的信号,不需要获取反射信号.

如下图:TDT探头电磁波的发射端和接收端在探针的两端, 行成一个闭路.通过测定电磁波单 程传播到接收端时接收 信号和初始发射信号之间的压差来反映 介电常数.在探针长度固定,脉冲频率一定的情况下, 电压差的大小取决于 介质的介电常数,对于土壤来说,就是取决于土壤含水量

            

(如: TDT 传感器)  

7.5:双针热脉冲原理:

通过间接测量容积热容来测定容积水含量的方法恒流通过加热元件在一个针产生热通量用热电偶或热敏电阻在其他针上测量温升。

           

 

 

特征:小体积测量。

缺点:受土壤温度梯度影响(时间、深度)土壤体积小

8、土壤含水量测量影响因素:

   8.1、土壤孔隙 :

 如果土壤与探针件的距离太大,测量的是空气的介电常数 ,而不是土壤的。   

   8.2 、电导率

土壤电导率是土壤盐分的重要指标,在使用TDR测量高含盐量的土壤时,盐分会衰减反射回来的电磁波,影响反射时间,从而影响了土壤含水量的测量

 8.3、土壤容重和有机质:

一般情况下,当土壤干密度在1.1~ 1.7 g/cm^3范围之内时,土壤密度对土壤水分测量的影响可以不予考虑,而当土壤干密度> 1.7 g/cm^3或<1.1 g/cm^3 时,就需要校正。

 

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