土壤含水率测量技术和介电常数影响因素分析

徐爽

摘 要：土壤含水率的测量方法多种多种，其中基于介电常数的方法广泛应用于农林业墒情和工程建设中。通过对含水率、温度、干密度、质地、有机质含量、含盐量以及测试频率等因素的分析，总结了各因素对土壤介电常数的影响。

关键词：土壤；含水率；介电常数

中图分类号：S15 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0034-02

1 概述

土壤含水率的变化对于农林业墒情预判以及工程建设中冻害防治具有重要意义。通常，测定含水率通过将土样取回实验室，在105℃的高温下烘干的方法计算得到质量含水率。该方法的准确性较高，尤其对于黏粒含量不大的土类。但另一方面，由于需要现场采集样本，并考虑到中途的各种试验环节，往往费时费力，不便于快速确定土壤含水率。随着科学技术的发展，目前市场上出现了基于土壤介电特性的水分传感器，能够在很短时间内测出土样的体积含水率（？兹），并且具备了一定的测量精度。其中最常见的有频域反射（FDR）和时域反射（TDR）传感器。FDR是基于电容技术，在某一频率下，将土壤介电常数（？着）进行实虚部分解，然后将其中的实部换算为土壤？兹。TDR法依据电磁波沿探针传播的速度与周围土壤？着平方根成正比的理论，测出？着，再转换为？兹。可以看到，两者都是首先测出被测土样的？着，再将其值带入相关经验公式，转换成？兹的方法实现。因此？着无疑成为一个很关键的指标。早些时候，研究者大多认为土壤？着大小几乎只受到？兹的影响，而土壤其他因素对含水率测量结果的影响可以忽略。但随着相关研究的进一步开展，科研人员发现除了体积含水率之外，温度、干密度（容重）、土壤质地、有机质含量、含盐量以及测试频率等因素都会对？着产生较大的影响，并对？兹的测量结果带来较大误差。本文就前人的研究结果对影响土壤？着的各种因素进行分析总结。

2 不同因素对介电常数的影响

2.1 体积含水率

在20℃时，土壤中液体的介电常数值约为80，固体颗粒为3-5之间，而气态物质则仅为1左右，所以？兹的大小几乎成为决定土壤？着的最大因素。尤其在砂土，碎石土等黏粒含量较小的土质中，？兹与？着往往形成较高决定系数的三次多项式关系。所以，目前绝大多数TDR或FDR传感器都通过拟合公式将测得的？著转化为？兹。

2.2 温度

？着表征介电质极化能力强弱，常温常压下，液态水的？着与温度成一定的函数关系，而在同样环境中，土骨架及其空气的？着变化量要小很多，所以当土壤含水率较大时，温度的变化会明显左右土壤总体？着的变化。郭文川等[1]发现在某一含水率区间内，土壤？着值随着温度的增大而增大，消除温度的影响对于提高？兹的测量精度非常重要。高磊等[2]利用FDR技术的水分传感器测量土壤水分，试验结果出现明显的温度效应，但不同传感器所测的？兹与温度之间均呈线性递增关系。龚元石等[3]通过试验发现，当？兹大于30%时，TDR传感器测得的含水率值与温度几乎成线性关系；而？兹小于30%时，测量值伴随温度的变化不明显。另外，在冻土中，由于未冻水含量与温度之间的动态平衡，使得温度与？着的关系更为复杂。

2.3 干密度

绝大多数传感器反映的是土壤？兹，而在岩土工程领域运用较多的是质量含水率（W），两者通过？兹=■·w转换，其中？籽■指干密度（m3/m3），？籽■为土壤液体的密度（m3/m3）。考虑到土溶液的密度随温度变化很小，当质量含水率恒定时，随着干密度的改变，？兹就要发生变化。张鹏[4]研究了相同质量含水率但不同干密度时试验土柱的？着变化，发现在试验频率范围内，土壤？着随干密度的增大而增大。吴华山等[5]在试验中发现，当干密度达到某一数值时，测得的质量含水率值能最接近于烘干法测得值，倘若实际干密度与该数值相差得越大，则含水率测量值的偏差也就越大。

2.4 土壤质地

土壤颗粒级配以及黏粒成分的差别，也会影响含水率的测量精度。往往在砂质土或是含沙量较多时，传统的？着与？兹之间的相关曲线具有更好的普适性，但在黏粒含量较多的土质中，很多时候两者的关系曲线需要经过重新标定。吴华山等[5]运用TDR技术对四种土壤的含水率进行了试验，结果表明，砂土和壤土的测量结果与烘干法的测量值更为接近，误差相对较小，而黏土和粘壤土的误差较大，需要进行一定修正。朱安宁等[6]对八种不同质地的土壤的？兹与？着关系进行研究，探究了传统经验公式对于不同质地土壤的适用性。

2.5 有机质含量

通常情况下，土壤有机质的组成比较复杂，绝大多数情况下以腐殖质为主。有相关研究结果表明，有机质成分以及含量的区别也会对土壤？着产生影响。潘金梅等[7]采用控制变量的方法，通过测量5种不同有机质含量的东北黑土以及加入不同比例毛白杨碎屑的扁都口草甸土，研究了腐殖质和植物性残留物的对土壤？着的影响，结果表明腐殖质会降低干燥土壤的干密度，间接地降低土壤？着。Herkerlrath等[8]发现当含水率相同时，高有机质土壤的？着要小于普通的矿物质土壤。Jacobsen等[9]考虑了有机质含量、黏粒含量以及干密度等因素对土壤？着的影响，对传统？兹-？着关系式进行了改进，提高了含水率测量的准确性。

2.6 含盐量

含盐量的增加会改变土壤的土水势，尤其在高含水率的粘性土中，束缚水的含量会随着含盐量的增大而增加，进而改变土壤介电特性。谭秀翠等[10]利用5种TDR仪器测试了不同盐分浓度下土试样的含水率，结果表明随着盐分浓度的增加， 出现测得的含水率值增大或者是最后无法得出合理数值的情况。曹巧红等[11]通过在素土中添加电介质溶液的方法，测量了不同土壤？着的变化，结果表明当含水率较低时，溶液电导率的变化对？着的影响很小；当含水率以及电导率达到一定值时，随着土溶液电导率的增加，？着出现明显增大，但是值得注意的是，不同类型土的临界含水率以及电导率值不相同。endprint

2.7 频率

此外，测试频率的不同也会影响同一物体？着的大小。张鹏[4]通过试验，研究了不同频率下，不同土壤？着的变化，发现？着随频率的增大而减小。

参考文献：

[1]郭文川，宋克鑫，张鹏，等.土壤溫度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响[J].农业工程学报，2013，29（10）：136-143.

[2]高磊，施斌，唐朝生，等.温度对FDR测量土壤体积含水量的影响[J].冰川冻土，2010，32（5）：964-969.

[3]龚元石，曹巧红，黄满湘.土壤容重和温度对时域反射仪测定土壤水分的影响[J].土壤学报，1999，36（2）：145-153.

[4]张鹏.主要因素对土壤介电特性的影响分析研究[D].西北农林科技大学，2013.

[5]吴华山，陈明，杭天文，等.扬州地区TDR法田间测定不同土壤含水量的标定[J].灌溉排水学报，2009，28（4）：104-110.

[6]朱安宁，吉丽青，张佳宝，等.不同类型土壤介电常数与体积含水量经验关系研究[J].土壤学报，2011，48（2）：263-268.

[7]潘金梅，张立新，吴浩然，等.土壤有机物质对土壤介电常数的影响[J].遥感学报，2012，16（1）：1-24.

[8]Herkelrath W N， Hamburg S P， Murphy F. Automatic， real-time monitoring of soil moisture in a remote field area with time domain reflectometry[J].Water Resources Research，1991，27（2）：857-864.

[9]Jacobsen O H， Schj？nning P. A laboratory calibration of time domain reflectometry for soil water measurement including effects of bulk density and texture[J].Journal of Hydrology，1993，151（2-4）：147-157.

[10]谭秀翠，杨金忠，查元源.土壤含盐量对TDR含水率测试结果的影响及校正方法[J].灌溉排水学报，2010，29（6）：1-6.

[11]曹巧红，龚元石.土壤电导率对时域反射仪测定土壤水分的影响[J].土壤学报，2001，38（4）：483-490.endprint