土壤含水量的監測技術

土壤信息主要是表征土壤狀況和性質的一系列參數，土壤質地、結構、有機質含量等參數值變化相對緩慢，通常不必多次測定，而土壤含水量、含鹽量、含養分量等參數值則隨時間不斷變化，需要進行動態的多次測定。

國際上普遍采用的經典土壤水分測定方法是烘干稱重法，即用土鉆等取濕土樣稱重后放入烘箱，在105～110℃條件下烘干6～8h至恒重，濕土重與烘干土重之差即為水重，水重與烘干土重的比值即為土壤水分含量。其優點是對設備要求不嚴，結果可靠。缺點是費時、費力，綜合費用并不低；取樣會破壞土壤，深層取樣困難，定點測量時因取樣換位而帶來誤差，在很多情況下不可能長期定點監測；受土壤空間變異性影響也比較大。據此，需要研究和使用自動化程度較高的各種快速、連續定位土壤水分測定系統來代替烘干法。

1．TDR土壤水分測定系統

時域反射儀(time domain reflectometry，TDR)是一種測定土壤電磁量的方法，類似一個短波雷達系統（圖2-15），通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間來測定土壤介電常數，進而計算整個探針長度土層土壤平均體積含水量，可以直接、快速、方便、可靠地同時獨立監測土壤水鹽狀況，測定結果幾乎與土壤類型、密度、溫度等因素無關，無需埋設中子管，缺點是儀器價格昂貴。

TDR系統主要部件包括階躍脈沖信號產生器、接收器、示波器、時間控制電路和波導棒等。土壤水鹽的電磁測定是基于土壤的介電性質。介電常數又與土壤水分含量的多少有密切關系。將長度為L的波導棒插入土壤介質中，高頻電磁脈沖信號從波導棒的始端傳播到終端，并在探頭周圍產生一個電磁場，由于波導棒終端處于開路狀態，脈沖信號受反射又沿波導棒返回到始端。檢測脈沖從輸入到反射回的時間以及反射時的脈沖幅度的衰減，可以反映出土壤的電導率，繼而計算土壤水鹽含量（圖2-16）。

圖2-15 TDR系統

圖2-16 TDR測定原理示意圖

圖2-17 TDR的探針

常見的TDR土壤水分測定系統有Trase土壤水分測定系統、Trime土壤水分測定系統等。不同型號的TDR土壤水分測定系統通常有8cm、15cm、20cm、30cm、45cm、50cm、60cm、70cm、110cm、160cm等不同長度的波導探頭可供選擇，可以分別采用插入式、埋入式和管道式探頭測定表土層和土壤剖面不同深度的土壤含水量(圖2-17)，剖面濕度最深可達3m。如果與多路盒相連可以連接多個探頭，實現多點土壤水分同時監測。

2．負壓計土壤濕度監測系統

土壤含水量與毛管力之間具有一定的函數關系，毛管力變化能夠反映土壤含水量變化。負壓計，又稱張力計，以測量土壤負壓（張力）來顯示土壤水分狀況（圖2-18）。負壓計包括一個多孔的陶瓷杯和一個液壓計。陶瓷杯埋于所測的土壤中，負壓計內部的水分通過陶瓷杯上的微孔同土壤水分進行交換而使內外水勢漸趨平衡，由于水分滲入和滲出使負壓計讀數發生變化，儀器上所指示的負壓值即代表土壤水勢，可以直接反映土壤水分能為植物吸收利用的程度，同時又可換算為土壤含水率。

圖2-18 不同類型負壓計及其結構示意圖

負壓計結構簡單、易于制造、價錢便宜、使用方便，可以在不同測點多處埋設，也可進行連續多次觀測。但需要提前測定土壤水分特性曲線來換算土壤含水量，安裝前要注水除氣、密封和標定，需要1～2天的土壤吸力平衡過程才能正常觀測，測試土壤吸力范圍為0～0. 86×10⁵ Pa，土壤干燥、吸力大于0.86×10⁵ Pa時會把陶瓷杯擊穿，因而負壓計不適合于干旱土地，適用于灌溉地、噴灌和滴灌田。同時，負壓計易于受環境溫度的影響，儀器穩定性較差，觀測結果具有滯后性，往往不能及時反映土壤水分狀況。

3．中子土壤濕度儀

利用中子熱化原理，快中子源發出的中子在遇到氫原子后，失去部分動能轉化成慢中子，儀器根據測出的慢中子數量計算出土壤含水量。土壤含水量越多，快中子轉化為慢中子的數量也越多，儀器可以將計數器的計數轉換為土壤含水量值。

中子儀由探頭和計數器組成。探頭由快中子源和一個三氟化硼慢中子檢測器組成（圖2-19）。計數器用來監測土壤散射的慢中子通道。中子儀使用方法較為簡單，只需將探頭插入預設的測量孔的某一位置，即可測出該位置（點）周圍的土壤含水量。沿測孔上下移動即可測定不同深度土層的土壤含水量，可測量多達30m深的土壤剖面含水量。

圖2-19 中子土壤濕度儀及其結構示意圖

中子儀法的特點是能快速、周期性地反復測定深層土壤含水量而不破壞土壤，但當土壤有機質含量高時測定精度差，且需要提前埋設鋁管，導致設備成本較高，同時30cm表土層因輻射危害健康，需要采用其他方法測定。目前主要采用手工方法測量，也可改造為自動化或半自動化監測儀。

4．電阻／電容式土壤濕度監測系統

電阻／電容式土壤濕度監測系統分別采用電阻式土壤濕度傳感器和電容式土壤濕度傳感器。前者通過測量埋入土壤中的感濕元件的電阻值得到感濕元件的濕度，從而間接求得土壤濕度，測量結果易受土壤鹽分影響，且有滯后性。后者根據土壤介電常數隨土壤濕度變化的原理來測定土壤濕度，受土壤鹽分的影響較小。例如，石膏塊土壤水分測定系統（圖2-20）通過測量石膏塊內兩個電極間的電阻可以顯示含水量。石膏塊永久埋人土壤中，壽命為3～5年，適用于干燥土壤環境（張力計無法使用），測量范圍為3～100kPa。

圖2-20 石膏塊土壤水分測定儀及石膏塊傳感器結構圖

5．FDR土壤水分測定系統

頻域反射儀(frequency domain reflectometry,FDR)是一種用于測量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理，根據電磁波在介質中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數，從而得到土壤容積含水量。FDR具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程、少標定等優點，在土壤干旱條件下測定結果誤差小于TDR。FDR的探針類似于TDR。圖2-21為Thetaprobe土壤水分測量系統，其傳感器測量范圍是5%～55%體積濕度，精確度為2%。

圖2-21 Thetaprobe土壤水分測量系統

6．土壤水分遙感監測

利用衛星遙感監測土壤水分的方法具有宏觀、高時效、經濟、視野廣、周期快和動態條件好等特點，成為區域性土壤水分和農作物干旱監測與評估的重要手段，遙感技術可以迅速、大面積與多時相地獲得地面信息，且具有簡便、不破壞環境的特點，而且其監測點點俱到，較容易畫出土壤不同含水量區域之間的界線，便于對不同含水量區域面積的統計和分析，已成為一種監測土壤含水量的全新方法。

對于裸地，可利用熱紅外遙感土壤水分，其內容包括：一是通過熱紅外遙感方法獲取的熱圖像數據推算地表溫度的時空分布；二是確定土壤水分含量與地表溫度之間的定量關系，推算土壤濕度的地區分布。若地表有植被覆蓋時，可用多譜段遙感技術來區分植物反射和土壤反射光譜，找出土壤含水量與多譜段反射率的關系，確定土壤含水量。此外，還可采用微波遙感土壤水分和應用NOAA-AVHRR數據探測土壤水分。