干旱半干旱地区土壤水分测定研究概述

王赛宵，李清河，徐 军，赵英铭

（1.中国林业科学研究院林业研究所，国家林业局林木培育重点实验室，北京100091；2.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古磴口015200）

水资源短缺是一个世界性问题，全球干旱、半干旱地区涉及50多个国家和地区，约占全球陆地面积的34.9%[1-2]。我国干旱半干旱地区面积占国土面积的40%[3]，且还在不断扩大。近年来，随着全球气候变暖，由大气干旱导致的土壤干旱已成为制约植物生长的主要气象灾害。众所周知，土壤水分是植物生长发育不可或缺的环境因素之一，而土壤水分供给的有效性更是植物生存的制约因素；土壤水分含量、运行状况以及分布特性已成为决定植被恢复及重建的重要因素之一[4]。土壤水分含量准确及时的测定有利于研究和了解土壤水分动态变化规律和空间立体分布，其测定方法的研究主要体现在如何快捷、准确、经济地测定土壤含水量方面。

干旱半干旱地区土壤水分的测定依据其不同特点需要采取相应的测定方法。测定方法按照直接取土样与否，可分为直接法和间接法两大类。前者直接取土样测定其含水量，而后者则通过对与土壤含水量有关系的其他物理量的测定来确定土壤含水量。

1 直接法

1.1 烘干法

直接法中的烘干法，是目前最通用的一种方法，也是一种测定精度最高的基准性方法[5]。可用于农田水利，也可用于工程质量控制，其常规操作为：将土样称重后放入烘箱，在105～110℃下烘干至恒质量后，测得烘干土质量，再根据该值计算蒸发损失量，由此得到土壤水分含量。虽然该方法所需环刀、土钻、烘箱等均为常规仪器设备，较易获取，但野外取样时工作量大，费时费力，取样时还会破坏土壤结构，在定点测量时由取样换位带来的误差也难以避免，因此在大多数情况下难以进行长期原位监测，且受土壤空间变异性影响也比较大。

该方法烘干土样耗时较长，为弥补此缺陷，又提出了锅炒法、酒精燃烧法、红外线法等快速烘干的方法。对于细粒土及有机质含量较高的土样，由于土粒极易掉落或难以避免由燃烧不均导致的误差，所以前两类方法并不适用。红外线法测定精度虽高，但却需要专门的仪器来实现其试验要求。

1.2 瓶筒法

取广口瓶、量筒或其他类似的容器充满水，称其重W1；再称已取土样W2，并将土样放入上述容器中，加水至容器容积1/2左右，进行充分的搅拌，以尽量排出土样中的空气，然后加水到满瓶，称其重W3（W1，W3均包含广口瓶玻璃盖质量）。若105～110℃温度下土样烘至恒质量时的质量与同体积4℃时纯水的质量之比，即土粒比重为GS，则土壤含水量w（以百分数表示）为：

该方法不需要烘干土样，所需仪器也较为简单，从理论上讲有很高的测定精度，但由于土样中空气的排除程度不能完全掌握，导致测量精度不稳定。

2 间接法

间接法是在现场埋设各种传感器测定，不需要采取土样，可以进行重复观测和连续观测。

2.1 电阻法

布氏（Bouyoucos）等提出的电阻法又称块体法，是间接法中最通用的一种。通常以石膏块作为它的传感器，石膏块中有1对电极，由率定电阻—土壤含水量曲线，查出与传感器所传达的电阻值相对应的土壤含水量[5]。该方法所用的传感器元器件价格低廉，不易腐坏，可以定点埋设，并通过与数据自动采集系统连接实现遥测[6]。但该方法埋设探头时在一定程度上会造成土壤结构的破坏，测定土壤水分时存在滞后现象[7]，测定结果易受温度和土壤溶盐的影响。因此，对于不同质地的土壤，测定时要分别进行标定，以保证测量精度。

2.2 射线法

射线法的原理是射线直接穿过土体时能量会衰减，衰减量是土壤含水量的函数，通过射线探测器计数，经过校准后得出土壤含水量[8]。此类方法包括中子仪法、γ-透射法等。

中子仪测定土壤水分的基本原理是：将中子源埋入待测土壤中，中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质与各种原子、离子相碰撞导致其能量损失，进而慢化为热中子。而与氢原子碰撞时，快中子的能量损失最大，更易于慢化。土壤中水分含量越高，氢原子含量也就越高，热中子云密度越大。中子仪测定水分就是通过测定慢中子云的密度与水分间的函数关系来确定土壤中的水分含量[9]。该方法可用于监测土壤水分动态，且套管永久安放后对土壤结构不造成破坏，可以实现长期连续的定位观测，不受土壤水分物理状态限制且无滞后现象；通过数据自动记录系统与计算机连接可成为原位测定土壤含水量的较好方法，并得到广泛应用。

王文焰等[10]研究表明，γ-透射法于1950年由Belcher等提出，经室内和田间实验验证，该方法测量土壤含水量的精度被证实不低于烘干法[11]。由于该法可在瞬时状态下较为准确地测定土壤水分剖面的变化，并具有层间分辨率高等特点，因而愈来愈受到国内研究者的重视，取得了较多研究成果[12-14]。双能γ-透射法的问世，使得该方法可以同时测定土壤容重和含水量[15]。但是由于受放射源防护、设备不完善以及测试过程中其他技术性的问题限制，如何正确使用和提高γ-透射法精度成为长期以来人们关注的问题。

2.3 介电特性法

由于包含的信息丰富，能够反映土壤理化性质，土壤介电特性测量理论与方法的研究近年来受到了广泛关注[16-19]。大量实验事实表明，土壤介电常数不受土壤的构成成分和质地影响，且与体积含水量总是呈非线性单值函数关系。各种介电特性测量法均是通过测量土壤水分含量对土壤介电特性实部和虚部影响程度来实现的。综上所述，通过测定土壤介电常数就可以间接确定土壤含水量。

时域反射仪法（Time Domain Reflectometry，TDR）是一种出现于20世纪60年代末的介电特性测定方法。TDR原理为：由于土壤中水的介电常数远大于土壤中的固体颗粒和空气的介电常数，因此随土壤水分含量升高，土壤介电常数值增大，而沿波导棒的电磁波传播时间也随之延长。通过测定土壤中高频电磁脉冲沿波导棒的传播时间再计算出传播速度，进而就可以确定土壤含水量[8]。由该方法获得的含水量是整个探针长度范围内的平均值，所以同一土体中埋置方式的不同可能会得到不同的结果。因此，在使用TDR时，应根据实验要求选择适宜的探针埋置方式。

由于垂直分辨率高，该方法测定土壤表层的含水量比中子仪精度要高得多[20]，加之具有快速、准确、安全无任何辐射、便于自动控制等特点，TDR法现受到极大的推崇。该法可以在原位连续测量，且测量范围广；它既可以做成轻巧的便携式进行田间即时测量，又可通过导线与计算机相连，完成远距离多点自动监测。测定精度要求较低时，TDR一般不需标定，但当误差要求很小时，需进行标定或校正[21]。该仪器目前主要依赖进口，且价格相当昂贵，不适宜盐碱土测量，在测定时测点要埋多个探头。

频域反射仪（Frequency Domain Reflectometry，FDR）测量土壤含水量的原理与TDR类似。FDR是采用电磁脉冲的原理，根据电磁波在土壤中传播频率来测试土壤的介电常数（主要依赖于土壤的含水量），来得到土壤含水量。FDR的探头称为介电传感器，主要由1对电极（平行排列的金属棒或圆形金属环）组成1个电容，其间的土壤充当电介质，电容与振荡器组成一个调谐电路，频率信号通过特殊设计的传输线到达介电传感器，而振荡器频率与土壤含水量呈非线性反比关系。FDR使用扫频频率来检测共振频率（此时振幅最大），土壤含水量不同，发生共振的频率不同。有些仪器，如英国Delta-T公司生产的一些土壤水分测定仪就是采用FDR原理，传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出电压，由输出电压和水分的关系则可计算出土壤的含水量。

2.4 遥感法

遥感法（Remote Sensing）是一种非接触式、大面积、多时相的土壤水分监测方法。遥感监测土壤水分的可行性研究始于20世纪60年代，其应用研究开展于70年代中期。土壤及其水分具有不同的光谱反射特性，影响它们的内在和外在因素很多，对于特定环境条件下的土壤来说，其水分状况往往处在一种动态变化之中。因此，通过各种传感器来接收土壤水分的光谱信息，并经过相应的信息处理技术，结合地面必要的调查，估测土壤水分状况是可行的[22-23]。

遥感法中所涉及的波段很宽，从可见光、近红外、热红外到微波都有一定的研究。尤其在热红外、微波遥感监测土壤水分研究方面取得了可喜的进展。微波遥感虽具有全天时、全天候、多极化和一定的穿透特性等优点，但由于众多影响土壤水分变化的因素中，土壤质地、容重、地表坡度和植被覆盖等也对雷达等微波遥感监测土壤水分造成影响，因此用于监测土壤水分的传感器，必须要有较高的地面分辨率，同时要有对土壤水分较为敏感的波段。单纯地采用一种方法可能会产生较大的偏差，必须借助于其他辅助措施进行修正[22]。因此，多种遥感技术的联合应用以及与地面技术的结合是目前遥感技术的主要方向。且就目前技术手段发展的水平来看，遥感法只适合区域尺度下土壤表层水分状况的实时动态调查，而非田间尺度下深层土壤水分的监测，因而对其理论模型、成像机制与极化方式、土壤水分、地表粗糙度和植被覆盖等的关系还有必要进行更加深入的研究。

3 结语

土壤含水量的测定方法还有很多[24]，且新的测定手段也不断出现[25-26]。土壤含水量的测定方法还包括计算机断层扫描法（CT）、探地雷达法（GPR）、磁共振法（NMR）、分离示踪剂法（PT）等，同类方法还常常有变种。各厂家生产的同类型仪器尽管基本原理相同，但在具体技术上还会有差别[26]。综合现有研究不难发现，过去国内外对土壤水分含量的测定进行了大量研究，并取得了可喜的成果。

应当指出的是受田间土壤结构、质地和容重的变异性以及土壤分层等问题的影响，几乎每一种方法在测定土壤含水量时，都存在一定程度的误差，而且测定技术和仪器方面的缺陷以及方法本身存在的问题，都是造成此类误差的原因。由于现有方法大多由其他领域引进而来，往往缺乏对土壤复杂、多变性质，特别是土壤理化性质空间变异的充分考虑。当发现测量中存在问题时，可以采用标定法解决，若从物理机理上进行分析解决也是一条有效途径。

随着人们对水分测量物理机理上认识的不断深入，必然加快测量手段的不断改进和完善，且土壤水分监测传感器的研制会进一步向准确、安全、快速、自动采集、价格低廉方向发展，遥感传感器性能在未来将不断改进。基于3S技术的遥感信息与地面自动遥测点面信息相结合的大面积土壤水分动态监测，将是一个重要的研究内容，上述研究成果也必将使得土壤水分测量技术朝着更加精确、用时少、安全、自动化、低成本、宽量程、少标定、易操作的方向发展。

在干旱半干旱地区，土壤水分是作物生长的控制因子之一，是监测土地退化的一个重要指标，也是气候、生态、农业等领域研究的主要参数。其在地表与大气界面水分和能量交换中起着重要作用。针对干旱半干旱地区土壤水分普遍很低的特点，在小范围、小规模、非定时土壤水分测定中，烘干称重法是最准确的方法，当然可以应用一些接触类传感器，但对其精度要求较高，且通常需要进行标定。而在大范围的土壤水分测定中最好选择遥感手段。

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