土壤墑情測量分析

1、土壤墑情及各種土壤墑情速測儀測量方法的分析農(nóng)田作物生長需要最佳的水、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，可達到節(jié)水增產(chǎn)的功效。因此，適時、方便、準確地監(jiān) 測農(nóng)田土壤水分對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的指導意義。土壤水分在植物的生長過程中 具有五大功能：1、土壤水分狀況直接影響作物對養(yǎng)分的吸收，2、土壤中有機養(yǎng) 分的分解礦化離不開水分，3、施入土壤中的化學肥料只有在水中才能溶解，4、 養(yǎng)分離子向根系表面遷移，5、以及作物根系對養(yǎng)分的吸收都必須通過水分介質(zhì) 來實現(xiàn)。上面一段話就簡單的介紹了土壤水分對植物的影響了，土壤水分不足或者是過多 都會影響植物的正常生長，主要體現(xiàn)：在沒有土壤水

2、分的狀況下，植物很容易因 缺水狀況而死亡；當土壤水分不足的時候，植株會比較的矮小，無法進行正常的 生長；當土壤水分充裕的時候，植株能夠健壯地生長，同時可以高產(chǎn)；當土壤水 分過多，也會導致植株的根部無法正常呼吸而死亡。土壤水分的測量可以使用土 壤水分監(jiān)測系統(tǒng)來進行測量，它能夠?qū)Ω黝愅寥肋M行長期定時監(jiān)測記錄，也可以 實時快速測量和記錄。目前，農(nóng)田土壤水分測量方法層出不窮，如烘干法、張 力計法、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、熱擴散法等，各種方法都有其自身的適用范圍和優(yōu)缺 點。本文對幾種應用較廣的農(nóng)田土壤水分測量方法基本原理及其優(yōu)缺點作一總 結，

3、在此基礎上提出未來土壤水分測量方法的發(fā)展方向。一：幾種主要的農(nóng)田土壤水分測量方法目前，應用較廣泛的農(nóng)田土壤水分測量方法有：烘干法、張力計法、中子法、 時域P頻域反射儀等。詳情如下。烘干法烘干法，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105110C （溫度過高，有機質(zhì)易碳化散逸）溫度下烘至恒重 （間隔3 h的測量差異不超過3 mg）,實際操作中一般烘1214 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)點是對硬件要求不高，就樣品本身而言結果可靠。一般認為，

4、傳統(tǒng) 的烘干法測得的土壤水分值是可信的，可作為其它各種土壤水分測量方法的校 正標準。但它的缺點也是明顯的，烘干法費時、費力，深層取樣困難，取樣會 破壞土壤，不能實現(xiàn)對土壤水分定點連續(xù)觀測，受土壤空間變異性影響較大。張力計法張力計法是1種應用很廣泛的土壤水分測量方法，它測量的是土壤基質(zhì)勢， 即土壤水吸力。在應用張力計測量土壤含水率之前，必須建立土壤水吸力和當 前土壤含水率之間的關系，即俗稱的土壤水分特征曲線。這種關系受土壤質(zhì)地 和結構的影響，在1個閉合的多孔陶瓷壓力盤產(chǎn)生不同壓力作用于測定土樣， 測出土壤的不同殘余水分含量，便可得到對應的土壤水分特征曲線。張力計是1根充滿水的密閉的管子，一端有1

5、個多孔陶瓷頭（孔徑約110 115m）,可插入土壤中，另一端連接1個負壓表。通過多孔陶瓷頭的吸力， 水分不停地流動直到土壤水吸力與張力計的壓力達到平衡，這時壓力表指示的 負壓值即為土壤水吸力。張力計法的優(yōu)點是能夠比較準確地測量濕潤土壤的基質(zhì)勢，能夠定點連續(xù)觀 測，受土壤空間變異性的影響較小，而且設備低廉，適于灌溉和水分脅迫的 監(jiān)測。其缺點是讀數(shù)反應慢，需要長時間平衡后才能讀數(shù)，且量程較窄，僅 能測定小于8 kPa的土壤水吸力，不適用于極端干燥土壤。在長期測量過程中， 如遇高溫干旱季節(jié)，需要給管子補充水分，且陶瓷頭易損壞，需要定期養(yǎng)護 或更換，運行費用較高。土壤水勢測定儀就是采取張力計法的測量原

6、理研制的， 適用于任何的土壤性質(zhì)監(jiān)測。中子法中子法的原理是中子從1個高能量的中子源發(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 測器檢測到，通過標定建立檢測到的中子數(shù)與土壤含水率的函數(shù)關系，便可轉 化得到土壤含水率。利用中子儀測量土壤水分含量，只需預先埋設，測量時不破壞土壤結構，測 量速度快，測量結果準確1 ,可定點連續(xù)觀測，且無滯后現(xiàn)象，但中子法 并不能實現(xiàn)長期大面動態(tài)監(jiān)測2 。由于中子法測量的實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 或濕潤周期時，或?qū)τ趯訝钔寥酪约氨韺油寥溃凶臃ǖ臏y量

7、結果并不可靠。 對于高有機質(zhì)土壤，有機質(zhì)中的氫也會影響中子儀對土壤含水率的測定。另外， 中子儀在使用前也需要田間校準，受土壤質(zhì)地和容重的影響，室內(nèi)外校準曲 線差異較大3 ,同時中子儀設備昂貴，又需專門的防護設備，一次性投入 大，特別是對人存在潛在的輻射危害，因此并不能廣泛應用。時域反射儀（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（20C時，自然水、空氣和土壤顆粒的Ka分別為80、1、 35）。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率計算出土壤的介電常

8、數(shù)Ka,從而利用土 壤介電常數(shù)和土壤體積含水量（0 v）之間的經(jīng)驗關系計算出土壤含水率。Ka在電磁波頻率為1 MHz1GHz時，與電磁波在電極（長度L）中往復的傳播 速度（V）呈如下關系:Ka = （ cP V）2= （ ct/ 2L）2（1）式中：c為光速，c = 3 X108mP s ; t為電磁波的傳達時間，s。電磁波 在各點的反射很明顯，可以很準確的計測出t ,從而可用（1）式計算出Ka。T opp等用TDR測定了電磁波的傳播時間，并得出該傳播時間在大部分土壤中與土 壤體積含水率（0 v）的經(jīng)驗公式4 :0 v = - 513 X10- 2+ 2192 X 10- 2Ka - 515

9、X 10- 4K2a + 413X10- 6Ka3 當0 v 016時（2）但該經(jīng)驗關系只適用于當Ka 一 1或Ka 一80136 （20C）時，且主要適用于 砂性土壤。TDR為新近發(fā)展起來的測定土壤含水率的主流方法，具有許多優(yōu)點，如無核輻 射，極其快速，可以定點原位連續(xù)測定，且測定值精確。在常規(guī)土壤中，這 一儀器的測量誤差小于5%。一般不需標定，測量范圍廣（含水率0100%）, 操作簡便，野外和室內(nèi)都可使用，TDR探針可長期埋在土壤中，需要的時候 再連上TDR測量。另外，TDR受土壤鹽度影響很小，能夠測量表層土壤含水 率（中子儀法不行）。但是，TDR的測量值受溫度、容重、土質(zhì)的影響5-6,

10、在導電率較高的土壤中（如鹽堿地），其測量精度也會降低，對有機質(zhì)含量 高、容重特別高或特別低以及重黏土壤需要重新標定后才能使用。目前，TDR在 國內(nèi)的使用主要依賴進口，且價格較高，其應用也受到一定限制。頻域反射儀（FDR）FDR （Frequency Domain Reflectometry）測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測試土壤的表觀介 電常數(shù)K a的變化，這些變化轉變?yōu)榕c土壤體積含水量成比例的毫伏信號。FDR的探頭由1對電極（如平行排列的金屬棒）組成1個電容，其間的土壤充 當電介質(zhì)，電容與振蕩器組成1個調(diào)諧電路，振蕩器頻率F與土壤電

11、容C 呈非線性反比關系：F =12n L1C +1Cb015（3）式中:L為振蕩器的電感；Cb為與儀器有關的電容。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關系被建立。與TDR相比，F(xiàn)DR在電極的幾何形狀設計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，從而實現(xiàn)自動連續(xù)監(jiān)測。但是 FDR在低頻（W 20 MHz）工作時，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信息。FDR具有簡便安全、快速準確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標定等優(yōu)點8, 不但測量精度高，而且價格不高

12、，既可以單點測量也可以多點測量垂直深度 的一段剖面。盡管FDR方法還存在一些問題，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），對于使用探管的FDR ,探頭、探管和土 壤是否接觸良好對測量結果的可靠性有影響等，但FDR方法確實遠遠優(yōu)于現(xiàn) 有的其它測定方法。二： 結 語在測定土壤含水率的諸多方法中，烘干法簡單直觀，結果可靠，可作為其他 測量方法的校準，但是烘干法采樣困難，破壞土壤，在田間留下的取樣孔， 會切斷作物的某些根并影響土壤水分運動，不能定點連續(xù)觀測；中子儀法可以 在原位的不同深度周期性的反復測定而不破壞土壤，但是儀器的垂直分辨率較 差，表層測量困難，且對人存在輻射危害。筆者認為，綜合性能較高的 還屬技術較先進的時域反射儀法（TDR）和經(jīng)濟型的頻域反射儀法