農(nóng)田土壤水分各種測(cè)量方法的比較與分析

　　郁進(jìn)元 , 何 　 巖 , 趙忠福 , 王 　 棟

　　(昆山市水利技術(shù)推廣站 , 江蘇 　 昆山 　 215300)

　　摘要 對(duì)目前應(yīng)用較廣泛的幾種農(nóng)田土壤水分測(cè)量方法的測(cè)量原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析 , 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 (FDR) , TDR多應(yīng)用于便攜式的水分測(cè)定 , 而 FDR可應(yīng)用于土壤水分的自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)。提出智能化的農(nóng)田土壤水分的監(jiān)測(cè) , 仍然是未來(lái)土壤水分監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)的觀點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞: 土壤水分; 測(cè)量方法; TDR; FDR

　　中圖分類(lèi)號(hào): S15217　　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A　　　 文章編號(hào): 10082701X (2007) 0620001202

　　Comparison and analysis of measuring methods for soi l moisture of farmland

　　Y U Jin2yuan , HE Y an , ZHAO Zhong 2 fu , WANGDong

　　(Kunshan Water Conservancy Expansion Station , Kunshan 215300 , China)

　　Abstract : Based on the measuring principle and the comparis on of advantages and disadvantages of several s oil moisture measuringmethods which are widely applied , it shows that the advanced T ime Domain Refiectometry (TDR) and the economical FrequencyDomain Refiectometry (FDR) have higher comprehensive characteristics , which are used for portable and automatic measuring ,respectively. The intelligentized s oil moisture measuring will still be the main research development trend of s oil moisturemeasuring in future.

　　Key words : s oil moisture ; measuring method ; TDR; FDR

　　農(nóng)田作物生長(zhǎng)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(cè)農(nóng)田土壤水分對(duì)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(cè)量方法層出不窮 , 如烘干法、張力計(jì)法、中子法或射線(xiàn)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(duì)幾種應(yīng)用較廣的農(nóng)田土壤水分測(cè)量方法基本原理及其優(yōu)缺點(diǎn)作一總結(jié) , 在此基礎(chǔ)上提出未來(lái)土壤水分測(cè)量方法的發(fā)展方向。

　　1 　 幾種主要的農(nóng)田土壤水分測(cè)量方法

　　目前 , 應(yīng)用較廣泛的農(nóng)田土壤水分測(cè)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。

　　111 　 烘干法

　　烘干法 , 也叫稱(chēng)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(chēng)重的鋁盒 (若需要測(cè)土壤體積含水率 , 改用環(huán)刀取樣) 中稱(chēng)重 , 然后一起放入烘箱 , 在105～110℃ (溫度過(guò)高 , 有機(jī)質(zhì)易碳化散逸) 溫度下烘至恒重 (間隔3 h的測(cè)量差異不超過(guò) 3 mg) , 實(shí)際操作中一般烘12～14 h , 在干燥器中冷卻 20 min稱(chēng)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(duì)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(cè)得的土壤水分值是可信的 , 可作為其它各種土壤水分測(cè)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(duì)土壤水分定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè) , 受土壤空間變異性影響較大。

　　112 　 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(cè)量方法 , 它測(cè)量的是土壤基質(zhì)勢(shì) , 即土壤水吸力。在應(yīng)用張力計(jì)測(cè)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(chēng)的土壤水分特征曲線(xiàn)。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(pán)產(chǎn)生不同壓力作用于測(cè)定土樣 , 測(cè)出土壤的不同殘余水分含量 ,便可得到對(duì)應(yīng)的土壤水分特征曲線(xiàn)。

　　張力計(jì)是1根充滿(mǎn)水的密閉的管子 , 一端有 1 個(gè)多孔陶瓷頭 (孔徑約 110～115μm) , 可插入土壤中 , 另一端連接1個(gè)負(fù)壓表。通過(guò)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(cè)量濕潤(rùn)土壤的基質(zhì)勢(shì) , 能夠定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè) , 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(cè)。其缺點(diǎn)是讀數(shù)反應(yīng)慢 , 需要長(zhǎng)時(shí)間平衡后才能讀數(shù) , 且量程較窄 , 僅能測(cè)定小于8 kPa 的土壤水吸力 , 不適用于極端干燥土壤。在長(zhǎng)期測(cè)量過(guò)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(shì)測(cè)定儀就是采取張力計(jì)法的測(cè)量原理研制的，適用于任何的土壤性質(zhì)監(jiān)測(cè)。

　　113 　 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(cè)器檢測(cè)到 ,通過(guò)標(biāo)定建立檢測(cè)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(cè)量土壤水分含量 , 只需預(yù)先埋設(shè) , 測(cè)量時(shí)不破壞土壤結(jié)構(gòu) , 測(cè)量速度快 , 測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確[1 ], 可定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè) , 且無(wú)滯后現(xiàn)象 , 但中子法并不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期大面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[2 ]。由于中子法測(cè)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(rùn)周期時(shí) , 或?qū)τ趯訝钔寥酪约氨韺油寥?, 中子法的測(cè)量結(jié)果并不可靠。對(duì)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(duì)土壤含水率的測(cè)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(xiàn)差異較大[3 ], 同時(shí)中子儀設(shè)備昂貴 , 又需專(zhuān)門(mén)的防護(hù)設(shè)備 , 一次性投入大 , 特別是對(duì)人存在潛在的輻射危害 , 因此并不能廣泛應(yīng)用。

　　114 　 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(xiàn)在土壤中傳播的速度依賴(lài)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(shí) , 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(jì)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 ( θ 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 MHz～1GHz時(shí) , 與電磁波在電極(長(zhǎng)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 ×108mP 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(cè)出 t ,從而可用(1) 式計(jì)算出 Ka。 T opp等用TDR測(cè)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(θv) 的經(jīng)驗(yàn)公式[4 ]

　　:θv = - 513 ×10- 2+ 2192 ×10- 2Ka - 515 ×10- 4K2a + 413×10- 6Ka3　當(dāng)θv ≤016時(shí) (2)但該經(jīng)驗(yàn)關(guān)系只適用于當(dāng) Ka →1 或 Ka →80136 (20℃)時(shí) ,且主要適用于砂性土壤。

　　TDR為新近發(fā)展起來(lái)的測(cè)定土壤含水率的主流方法 ,具有許多優(yōu)點(diǎn) , 如無(wú)核輻射 , 極其快速 , 可以定點(diǎn)原位連續(xù)測(cè)定 , 且測(cè)定值精確。在常規(guī)土壤中 , 這一儀器的測(cè)量誤差小于5 %。一般不需標(biāo)定 , 測(cè)量范圍廣 (含水率 0～100 %) , 操作簡(jiǎn)便 , 野外和室內(nèi)都可使用 , TDR 探針可長(zhǎng)期埋在土壤中 , 需要的時(shí)候再連上 TDR 測(cè)量。另外 , TDR受土壤鹽度影響很小 , 能夠測(cè)量表層土壤含水率 (中子儀法不行) 。但是 , TDR 的測(cè)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(cè)量精度也會(huì)降低 , 對(duì)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(guó)內(nèi)的使用主要依賴(lài)進(jìn)口 , 且價(jià)格較高 , 其應(yīng)用也受到一定限制。

　　115 　 頻域反射儀 (FDR)

　　FDR (Frequency Domain Reflectometry) 測(cè)量土壤含水率的原理與 TDR類(lèi)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(lái)測(cè)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(hào)。

　　FDR的探頭由1對(duì)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 與土壤電容 C 呈非線(xiàn)性反比關(guān)系:

　　F =12π 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 , FDR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(cè)。但是 FDR在低頻 ( ≤ 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(jiǎn)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(cè)量精度高 , 而且價(jià)格不高 , 既可以單點(diǎn)測(cè)量也可以多點(diǎn)測(cè)量垂直深度的一段剖面。盡管 FDR方法還存在一些問(wèn)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(duì)于使用探管的 FDR , 探頭、探管和土壤是否接觸良好對(duì)測(cè)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(cè)定方法。

　　2 　 結(jié) 　 語(yǔ)

　　在測(cè)定土壤含水率的諸多方法中 , 烘干法簡(jiǎn)單直觀 ,結(jié)果可靠 , 可作為其他測(cè)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(cè); 中子儀法可以在原位的不同深度周期性的反復(fù)測(cè)定而不破壞土壤 ,但是儀器的垂直分辨率較差 , 表層測(cè)量困難 , 且對(duì)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 (FDR) , 它們都具有技術(shù)成熟、精度高、定點(diǎn)連續(xù)、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。TDR 由于具有快速、準(zhǔn)確、可連續(xù)原位測(cè)定及無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn) , 多應(yīng)用于便攜式的水分測(cè)定。FDR 由于具有簡(jiǎn)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) , 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(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。總之 , 智能化的農(nóng)田土壤水分的監(jiān)測(cè)仍然是未來(lái)土壤水分監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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邯鄲益盟多點(diǎn)土壤溫濕度記錄儀 土壤水分速測(cè)儀

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