土壤含水率测定方法研究

窦金熙，郭玉明，王 盛，刘蒋龙

（山西农业大学工学院，山西太谷030801）

土壤含水率测定方法研究

窦金熙，郭玉明，王 盛，刘蒋龙

（山西农业大学工学院，山西太谷030801）

总结了国内外最主流的土壤含水率测定方法，包括称重法、电阻率法、FDR法、灰度反演法、光谱分析法、红外线感测法、中子法、γ射线法、TDR、分布式光纤测量法（DWS法）、遥感测定法、探地雷达法；并且对这些方法的原理优缺点进行了介绍。

土壤；含水率；测定方法；参数

大量阅读有关土壤水分入渗文献之后发现，关于土壤含水率测定方法总结的文章几乎没有，广大实验员需要大量翻阅资料来查询，所以，本综述在满足自身需要的同时，也希望帮助大家节省宝贵时间。另外，土壤含水率作为土壤的基本要素，影响着比如地质灾害的产生、沙尘暴、边坡失稳、植物生长状况、季节性冻土渗透特性、污染物运移等诸多问题。其中，土壤水分运动参数的测定包括土壤水吸力、土壤含水率、导水率K（θ）、扩散率D（θ）、水容量C（θ）等，应用物理方法研究土壤水分运动，无论是解析法还是数值法都离不开土壤含水率的测定。所以，研究土壤水分运动规律，土壤含水率的测定是必不可少的，笔者对国内外先进主流的土壤含水率的测定方法进行了总结。

1 土壤含水率测定方法研究进展

1.1 称重法

称重法是将土壤原封不动地采集到实验室，进行湿质量测量，然后放入105～110℃的烘干箱中烘干，再进行称质量。其中，根据土壤质地不同要求，对土壤的烘干时限也不同，轻质土壤6～8 h，黏质土壤要求至少在8 h以上。

式中，gw为土壤原质量；gs为土壤的干土质量。

式中，土样的烘干方法很多，除了在实验室用烘干箱以外，在野外也可用酒精烧3次，或者用红外线烘干仪器等。在这里有一点必须强调，对于土壤的采集必须放入铝盒并加以封闭。称重法测量土壤含水率的优点是可以直接精确地测量出土壤准确的含水率；缺点是破坏了土壤的连续观测，且测定周期长，过程繁琐。

1.2 电阻率法

电阻率法是将两极电阻埋入土壤根据电阻来确定土壤含水率[1]，但是电阻的大小受土壤质地影响较大，其中，包括空隙分布、颗粒分布、温差等很多因素，所以，导致测量的结果误差也很大[2-3]。由于该方法的标定结果时间很难标定，因此，工程中还不能普遍推广。

1.3 FDR法

FDR法是利用LC电容电感的振荡，通过电磁波在不同类型土壤中振荡频率的变化来测定其介电常数，进一步通过介电常数和含水率间关系反演出土壤含水率的方法[4]。由于FDR法受到土壤质地（容重、颗粒、盐度）影响较大，且该仪器不能放置到土壤深部，所以，很难获得深层次土壤的含水率。

1.4 灰度反演法

此方法的主要原理是利用土壤的可见光反射作用，对于给定的土壤由于土壤成分的不同，土壤会对可见光的反射和散射发生改变，导致土壤表面的灰度值变化。通过土壤灰度值的变化来反映土壤的含水率简单有效。因为野外土体被植被覆盖影响太大，所以，此方法不适用于野外，一般不采用；然而，室内测量误差相对又较大，该方法基本弃用。

1.5 光谱分析法

光谱分析法是通过光谱分析仪，需要首先把光谱数据和土壤含水率建立关系图，通过光谱的变化得知土壤含水率。这种方法由于误差较大，所以没有被广泛使用。

1.6 红外线感测法

红外线感测法是通过对一个地区的红外辐射强度来判断含水率，因为不同的土壤具有不同的温度，不同的温度就会有不同的红外辐射强度；由于红外辐射强度受到外界影响因素较大（包括植被、太阳辐射强度以及大气湿度等），测量误差同样很大[5-6]。

1.7 中子法

中子法属于间接测量土壤水分的方法，中子仪是利用中子源放射出快中子与土壤水分中氢原子碰撞以后，变成慢中子得以被检测。其中，土壤含水率和慢中子的多少有直接关系，慢中子的多少可以直接反映土壤水分的多少，慢中子越多土壤水分越多。中子仪对于不同的土壤要求直径不同，较湿的土壤要求15 cm左右，较干燥的土壤要求大于15 cm小于30 cm。中子法测定土壤含水率的缺点是不能测定不连续的含水率，测量误差相对较大，需要对误差进行分析。中子法测量土壤含水率对于室外测量是一大突破，由于中子仪便于携带，而且测量速度快，保护原有土壤不破坏原有水分，且受到温度影响较小，对于连续测量无后续滞后现象，可以定点定位一直持续使用，对于野外作业是一个很大优势[7]。对于中子仪还有一个别的方法无可比拟的优点，当土壤深度超过1.5 m以上，中子仪可以显示其优越的特点，同时无论是严寒酷暑，中子仪都可以测量，省时省力[8]。中子仪在国内已经有了商品，江苏农业科学院和核工业部的北京核子仪器公司都有制造，功能齐全可以贮存、显示、打印。但是相对于国外的产品相形见绌[9]。图1是CNC503DR智能中子水分仪。

1.8 γ射线法

γ射线法同样是一种间接测量土壤含水率的方法。利用放射性同位素发出射线穿透土壤时，放射强度的衰减被固体和水分吸收。所以，可以根据放射强度衰减的改变，查找事先制定好的率定曲线，来确定含水率。γ射线法测定土壤含水率的优点是精确度很高（在0.5%范围之内），但是γ射线的衰减不仅与水分有关，还与土壤的固相组成有关，所以，此方法在进行测量的时候要予以考虑；缺点是对人体辐射太大，有害身体健康。图2为γ射线仪。

1.9 时域反射法 （Time Domain Reflectometry，TDR）

时域反射仪进入我国市场比较晚，20世纪80年代开始进入我国，它是利用电磁波进行土壤含水率测定，具有快速、简便、精确等特点[10]，但是技术还不是相当成熟，直到90年代TDR（图3）才真正被使用。时域反射仪最突出的优点是可以自动记录数据长期监测，而且时域反射仪探头样式很多（横插式、直插式），同时时域反射仪较其他仪器也具有使用方便的功能，精度相对于其他仪器很高，时域反射仪是一款使用前景很大的仪器；缺点是国内尚且没有公司在生产，而且仪器价格昂贵，推广困难。

1.10 分布式光纤测量法（DWS法）

DWS是一个加热光缆和DTS的合成系统（图4），其基本原理是对预先埋设如土壤中碳纤维加热的温度进行测定数据记录，根据事先建立的温度与含水率的关系确定土壤含水率，如果土壤的含水率小则传导能力弱，反之则强。该方法优点是测量深度、范围广，可以深入到几十米甚至几百米，测量受植被的影响较小，可实现大尺度、大范围、苛刻环境下的高精度测量，对于研究沙尘暴暴发条件、沙漠化进程、区域植被生长情况等意义巨大。缺点是影响土壤热传导性的因素很多，包括矿物成分、饱和度、化学成分、土壤质地、颗粒、冰冻、孔隙率、干密度等，所以，这些因素都应该考虑进去[11-12]。DWS法无法测量碌石等粗颗粒土体的含水率，实际应用过程中土壤中夹杂有较多的腐殖质、游泥、植物根系遗体等时，测量结果误差大，测量的温度要求较高，而且深度不能小于0.4 m，否则误差受到外界影响较大[13]。

1.11 遥感测定法

遥感测定法的特点是动态实时监测，而且可以实现大面积主动与被动的监测[14-15]。遥感测定法属于大范围的测定方法，这是由其本身性质决定的，但是由于测量范围比较广，导致测量的空间分辨率比较低，而且受到地表植被的影响较大。其技术原理和方法都有待于进一步提高，从而适应土壤含水率真实的测量。

1.12 探地雷达 （Ground Penetrating Radar，GPR）法

其是利用电磁波的性质（反射、透射、折射）进行测量。当电磁波穿越土壤、水分、介质、岩体、晶体、冰层等掩体时候会影响到电磁波的传播路径强度和波形，因为电磁波受到介电常数影响，不同的介质会释放出不同的介电常数；当电磁波再次返回来的时候，由于波形的变化差异不同导致波形的不同，显示器上会根据波形行走时间和波形大小幅度来区分不同的介质，从而起到监测的作用[16]。GPR是一种中度范围的测量方法[17]，弥补了中度范围测量的缺失，GPR的出现是现代科技的发展物，它以其独特的优势让测量土壤含水率更加方便快捷精确[18-20]。国外的测量技术已经相对成熟[21-22]。缺点是国内尚且没有厂家生产，从国外引进价格昂贵。GPR自身的优势也是其自身的缺点，由于电磁波受到介质的介电常数影响较大，但是土壤的介电常数受到土壤质地影响很大；“εθ模型”是反应土壤含水率的重要模型，“εθ模型”同时也受到土壤质地影响较大，所以必须引起重视[23-26]。目前的GPR主要用于小深度的土壤含水率测定，对于大深度（20 m以上）的土壤含水率测量准确性还需要研究；由于潜水上的包气带含水率分布无规律，且埋入较深，用物理方法和定性定量的方法无法研究[27-28]，但是GPR的优越性是不可掩盖的，其技术特点决定了有解决此问题的可能性[29-30]，相信在不久的将来GPR将会有一个更宽广的应用范围。

2 总结与展望

本文列出了12种主流的土壤含水率的测定方法，可以满足广大实验员的要求，其中，有适用室内，也有适用室外的，有适用于小范围、中尺度的，也有适用于大范围的，广大实验员要根据自己的实验要求合理适当地选择方法，才可以准确地测量出土壤真实的含水率。概括了国内外测量含水率的主流方法，各种方法都有自己的优缺点以及技术原理上的缺陷。希望通过广大实验员的实践，不断地改进方法，改进仪器的技术，让土壤含水率的测定更加简单、直接、有效、真实。随着研究的深入与科技的发展，希望能有更多更有效的测定土壤含水率的方法，来满足各种实验的需求。

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Study on Determination Methods of Moisture Content in Soil

DOUJinxi，GUOYuming，WANGSheng，LIUJianglong

（College ofEngineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

：This article summarizes the determination methods of soil moisture in most mainstream domestic and foreign rates,and the principle of the advantages and disadvantages of the method are introduced.Determination methods include weighing method,resistivity method,FDR method,gray inversion method,spectral analysis,infrared sensing method,neutron,gamma ray,TDR,distributed optical fiber measurement（DWS）,remote sensing method,GPR method.

soil;water content;determination method;parameter

S152.7

A

1002-2481（2017）03-0482-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.39

2016-11-04

窦金熙（1989-），男，江苏徐州人，在读硕士，研究方向：农业水土工程。郭玉明为通信作者。