新型土壤墒情监测技术方法在黑龙江省的应用研究

吴冬平

(黑龙江省防汛抗旱办公室，哈尔滨150001)

1 背景和必要性

1.1 旱情监测现状

经过多年的建设发展，我国在防洪体系工程与非工程措施建设上取得了很大成就，已建立起各类水文监测站网，技术水平和自动化程度不断提高，在防洪减灾、保障人民生命和财产安全，促进经济社会发展等方面发挥了重要作用。但与防洪减灾工作相比，我国的抗旱减灾工作严重滞后，与新时期防汛抗旱并重以及全面抗旱的需求还有较大差距。特别是作为抗旱减灾的重要基础，我国的旱情监测体系还很不完善，不能满足当前抗旱减灾的需要，主要表现是旱情监测手段落后，基层站网不足，特别是土壤墒情监测站严重不足，不足以形成站网体系［1］。

1.2 新技术应用趋势

鉴于目前我国旱情监测工作十分薄弱而需求十分迫切的状况，而土壤墒情又是反映旱情的一个直接的重要指标，因此，国家防总在前期工程建设经验成果基础上，根据最新的调查统计结果和相应的业务需求分析，加大了对旱情信息采集系统的建设力度，重点增加了墒情信息采集实验站的数量，采用当前国际新技术，对传统墒情信息方法方式做了必要的改进和重点建设［2］。

1.3 黑龙江省研究状况

黑龙江省是国家防总旱情监测试点省份之一，承担项目前期仪器参数率定和相关标准的制定任务，土壤墒情监测技术研究，走在全国前列。

2 土壤墒情监测技术介绍

2.1 烘干法

烘干法是通过湿土称重、干燥脱水，然后再称干土重来测定土样的质量含水量。在田间用土钻采集有代表性的土样，刮去土钻上部浮土，将所需深度的土壤10～20 g装入已知准确质量的铝盒内盖紧，带回室内称重，精确至0.01 g。将盒盖倾斜放在铝盒上，置于已预热至105℃的恒温干燥箱中烘6～8 h，取出，盖好，在干燥器中冷却到室温，立即称重，精确至0.01 g。通过公式可计算出土壤质量含水量。

烘干法具有各种操作不便等缺点，但作为直接测量土壤水分含量的唯一方法，在测量精度上具有其它方法不可比拟的优势，因此它作为一种实验室测量方法并用于其它方法的标定将长期存在。

2.2 中子法

中子法的基本原理是中子放射源所放射的快中子或高能中子在土壤中通过散射作用同各种原子核发生弹性碰撞，能量逐渐损失后成为慢中子(热中子)。由于土壤中以不形式而存在的氢原子对快中子的慢化作用较之其它重原子大很多。因此可以认为慢中子的有效强度同土壤中水分含量具有较密切的关系。此方法对水分反应灵敏，可测出平均含水量随深度的变化，测量的范围宽。此方法不用取样，不扰动土壤，不受水分物理状态(如冰冻、结晶水)的影响，铝导管埋好后，可以长期使用，测量速度快。中子法的主要缺点是标定过程需要其他方法(一般是烘干法)配合使用，并且仪器比较昂贵，对深度分辨不准确，测定结果与土壤中许多物理和化学特性有关。接近地表及地表水分的精度稍差。

相对于取土烘干法，中子法可以更快速准确地测定田间土壤水分状况，并且可以在相同地点连续反复监测。

2.3 时域反射仪(TDR)法

时域反射仪法也是一种通过测量土壤介电常数来获得土含水率的一种方法，是80年代发展起来的快速准确测定土壤容积含水量的仪器，它可以定点、定位地、周期反复地测定土壤容积含水量的变化。其测定原理是自然水的相对介电常数为80(20℃时)，干土的相对介电常数为5，空气的相对介电常数为1，水的相对介电常数远大于空气和土壤的相对介电常数，所以土壤含水量对土壤相对介电常数影响很大。时域反射仪(Time Domain Reflectormeter)是通过测定土壤的相对介电常数，再将其校准为一个双探头(一般为30cm左右)，形成两个平等的导波线，通过导线传递电磁辐射脉冲波，脉冲在探头的末端反射出来，并返回到源，源通过示波器测其透射的时间和速度。导波线之间土壤的相对介电常数使得脉冲的速度与已知的真空中光的速度相偏离，据此可以根据透射的时间推算土壤介质的相对介电常数。利用土壤含水量与相对土壤介电常数经验公式来计算出土壤含水量。

TDR法是一种快速测定土壤含水量的方法之一，相对不受土壤类型的影响，不损坏土体，适合于表层和剖面上的重复连续测定，且分辨率高，精度好。它既可测定土壤某一点水分，也可以连续多路传感器，测定多点土壤含水量。此外，TDR没有辐射，不会对人体造成危害。由于以上优点，TDR不仅适于野外大规模的田间水分连续动态监测，也能满足室内试验土壤含水量测定的需求，是一种具有前景的土壤水分测定设备。黑龙江省当前就采用这种方法监测。

3 TDR法土壤水分传感器的标定

每一台TDR法土壤水分传感器在应用前，必须根据当地土壤特性进行标定，方可应用。采用三次方程转换法进行标定，在0～60%(m3/m3)范围内，可通过设定以下三次多项式的常数，得到土壤含水量的转换结果。计算公式为:

黑龙江某地区土壤的标定特性如下:

3.1 线性转换表

线性转换表见表1。

表1 线性转换表

3.2 标定方程

3.3 特性曲线

SWR型土壤水分传感器3次特性曲线见图1。

4 烘干法和仪器测量的对照

4.1 试验原理

用烘干法测量土壤水分传感器埋设点附近的土壤质量含水量，即用土钻采集土样，放入105～110℃的烘箱中烘干24 h，称取烘干前后的质量，根据公式计算出土壤质量含水量。用环刀测量土壤的容重，计算出土壤的容积含水量并做记录，同时记录下当时通过仪器测量的土壤容积含水量，每间隔10 d采样1次，如果遇到降水，每3 d测量1次，通过3～4个月的长期监测，然后对所记录的数据进行分析处理。

图1 SWR型土壤水分传感器三次特性曲线

4.2 烘干法和仪器测量的相关分析

烘干法与仪器法对照是一个长时间的过程，两种方法之间出现的偏差主要是由烘干法测量时的随机误差(来源是操作误差和取样点的空间变异性)引起的。因此需要通过对一段时间(3～4个月)的测量数据进行相关分析，然后经过校正，测量误差将减至允许范围内(＜±2.5%)。

黑龙江省某地区的对照测量数据为例，表2所记录的是站2006年5月—9月的20 cm深处的测量与对照数据:

测量深度:20cm 容重:1.46g/cm3

表2 2006年5月—9月20cm深处的测量与对照数据

表2中的数据显示仪器法测量的数据比烘干法测量的数据均偏小，其主要原因是容重没有经过实际测量，而是采用的经验值，取值偏大。

以下是20 cm深处数据的历史趋势曲线和烘干法与仪器法测量的相关性分析曲线，从曲线可以看出仪器法和烘干法测量结果的变化趋势是一致的，相关系数达到99%，呈极显著相关。

图2 20cm深处烘干法与仪器法测量的相关性分析曲线

如果将仪器测量的结果经公式的校正后，测量结果和偏差如下表，式中X为校正前仪器的测量值，Y为校正后的测量值:

表3 经公式校正后的测量结果和偏差

土壤各种成分含量千差万别，密度和孔隙率也不一样，以上是取土样理想均匀的地区，获得了良好的相关结果。很多地区，需要多次实验，并且不断调换地点，方能得到稳定的相关性，才可以应用于旱情监测工作中。

［1］宋斌.旱作农业区土壤墒情监测技术研究［J］.科技情报开发与经济，2005，15(20):278-279.

［2］刘炳忠，张鑫.国内外土壤墒情监测技术及应用［J］.山东水利，2008(12):13-16.