土壤墑情及各種土壤墑情速測(cè)儀測(cè)量方法的比較與分析

上面一段話就簡(jiǎn)單的介紹了土壤水分對(duì)植物的影響了，土壤水分不足或者是過(guò)多都會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)，主要體現(xiàn)：在沒(méi)有土壤水分的狀況下，植物很容易因缺水狀況而死亡；當(dāng)土壤水分不足的時(shí)候，植株會(huì)比較的矮小，無(wú)法進(jìn)行正常的生長(zhǎng)；當(dāng)土壤水分充裕的時(shí)候，植株能夠健壯地生長(zhǎng)，同時(shí)可以高產(chǎn)；當(dāng)土壤水分過(guò)多，也會(huì)導(dǎo)致植株的根部無(wú)法正常呼吸而死亡。土壤水分的測(cè)量可以使用土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，它能夠?qū)Ω黝愅寥肋M(jìn)行長(zhǎng)期定時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，也可以實(shí)時(shí)快速測(cè)量和記錄。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。

 

 

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。詳情如下。

 

 

烘干法 , 也叫稱重法或土鉆法。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。

 

 

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 , 即俗稱的土壤水分特征曲線。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。

 

張力計(jì)是1根充滿水的密閉的管子 , 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)。

 

 

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?FONT face="Times New Roman"> , 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)曲線差異較大[3 ], 同時(shí)中子儀設(shè)備昂貴 , 又需專門(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。

 

 

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在土壤中傳播的速度依賴于土壤的介電常數(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)的使用主要依賴進(jìn)口 , 且價(jià)格較高 , 其應(yīng)用也受到一定限制。

 

 

FDR (Frequency Domain Reflectometry) 測(cè)量土壤含水率的原理與 TDR類似[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 呈非線性反比關(guān)系:

 

(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。

 

 

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�？傊� , 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)。