土壤墒情及各种土壤墒情速测仪测量方法的比较与分析
农田作物生长需要最佳的水、肥、气、热环境 , 水是最重要的调节因子。适宜的农田土壤水分状况 , 可达到节水增产的功效。因此 , 适时、方便、准确地监测农田土壤水分对农业生产有着重要的指导意义。土壤水分在植物的生长过程中具有五大功能：1、土壤水分状况直接影响作物对养分的吸收，2、土壤中有机养分的分解矿化离不开水分，3、施入土壤中的化学肥料只有在水中才能溶解，4、养分离子向根系表面迁移，5、以及作物根系对养分的吸收都必须通过水分介质来实现。
上面一段话就简单的介绍了土壤水分对植物的影响了，土壤水分不足或者是过多都会影响植物的正常生长，主要体现：在没有土壤水分的状况下，植物很容易因缺水状况而死亡；当土壤水分不足的时候，植株会比较的矮小，无法进行正常的生长；当土壤水分充裕的时候，植株能够健壮地生长，同时可以高产；当土壤水分过多，也会导致植株的根部无法正常呼吸而死亡。土壤水分的测量可以使用土壤水分监测系统来进行测量，它能够对各类土壤进行长期定时监测记录，也可以实时快速测量和记录。目前 , 农田土壤水分测量方法层出不穷 , 如烘干法、张力计法、中子法或射线法、介电常数法或电磁波法、传感器法、电阻法或粒状列阵法、电容法、光电法、热扩散法等 , 各种方法都有其自身的适用范围和优缺点。本文对几种应用较广的农田土壤水分测量方法基本原理及其优缺点作一总结 , 在此基础上提出未来土壤水分测量方法的发展方向。
一：几种主要的农田土壤水分测量方法
目前 , 应用较广泛的农田土壤水分测量方法有: 烘干法、张力计法、中子法、时域P 频域反射仪等。详情如下。
烘干法
烘干法 , 也叫称重法或土钻法。一般的做法是: 将用土钻取好的土样置于事先称重的铝盒 (若需要测土壤体积含水率 , 改用环刀取样) 中称重 , 然后一起放入烘箱 , 在105～110℃ (温度过高 , 有机质易碳化散逸) 温度下烘至恒重 (间隔3 h的测量差异不超过 3 mg) , 实际操作中一般烘12～14 h , 在干燥器中冷却 20 min称重即可 , 2 次重量的差即为土壤含水率。
烘干法的优点是对硬件要求不高 , 就样品本身而言结果可靠。一般认为 , 传统的烘干法测得的土壤水分值是可信的 , 可作为其它各种土壤水分测量方法的校正标准。但它的缺点也是明显的 , 烘干法费时、费力 , 深层取样困难 ,取样会破坏土壤 , 不能实现对土壤水分定点连续观测 , 受土壤空间变异性影响较大。
张力计法
张力计法是1 种应用很广泛的土壤水分测量方法 , 它测量的是土壤基质势 , 即土壤水吸力。在应用张力计测量土壤含水率之前 , 必须建立土壤水吸力和当前土壤含水率之间的关系 , 即俗称的土壤水分特征曲线。这种关系受土壤质地和结构的影响 , 在 1 个闭合的多孔陶瓷压力盘产生不同压力作用于测定土样 , 测出土壤的不同残余水分含量 ,便可得到对应的土壤水分特征曲线。
张力计是1根充满水的密闭的管子 , 一端有 1 个多孔陶瓷头 (孔径约 110～115μm) , 可插入土壤中 , 另一端连接1个负压表。通过多孔陶瓷头的吸力 , 水分不停地流动直到土壤水吸力与张力计的压力达到平衡 , 这时压力表指示的负压值即为土壤水吸力。
张力计法的优点是能够比较准确地测量湿润土壤的基质势 , 能够定点连续观测 , 受土壤空间变异性的影响较小 ,而且设备低廉 , 适于灌溉和水分胁迫的监测。其缺点是读数反应慢 , 需要长时间平衡后才能读数 , 且量程较窄 , 仅能测定小于8 kPa 的土壤水吸力 , 不适用于极端干燥土壤。在长期测量过程中 , 如遇高温干旱季节 , 需要给管子补充水分 , 且陶瓷头易损坏 , 需要定期养护或更换 , 运行费用较高。土壤水势测定仪就是采取张力计法的测量原理研制的，适用于任何的土壤性质监测。
中子法
中子法的原理是中子从 1 个高能量的中子源发射到土壤中 , 与土壤中氢原子 (绝大部分存在于水分子中) 碰撞后 , 能量衰减 , 这些能量衰减的中子可被检测器检测到 ,通过标定建立检测到的中子数与土壤含水率的函数关系 ,便可转化得到土壤含水率。
利用中子仪测量土壤水分含量 , 只需预先埋设 , 测量时不破坏土壤结构 , 测量速度快 , 测量结果准确[1 ], 可定点连续观测 , 且无滞后现象 , 但中子法并不能实现长期大面动态监测[2 ]。由于中子法测量的实际上是半径约几到几十厘米的球体含水量 , 其半径随着土壤含水率大小而改变 , 所以土壤处于干燥或湿润周期时 , 或对于层状土壤以及表层土壤 , 中子法的测量结果并不可靠。对于高有机质土壤 , 有机质中的氢也会影响中子仪对土壤含水率的测定。另外 , 中子仪在使用前也需要田间校准 , 受土壤质地和容重的影响 , 室内外校准曲线差异较大[3 ], 同时中子仪设备昂贵 , 又需专门的防护设备 , 一次性投入大 , 特别是对人存在潜在的辐射危害 , 因此并不能广泛应用。
时域反射仪 (TDR)
TDR (T ime Domain Reflectometry) 是 1 种介电常数法 ,其基本原理是高频电磁脉冲沿传输线在土壤中传播的速度依赖于土壤的介电常数 Ka , 而 Ka 主要受土壤水分含量支配 (20℃ 时 , 自然水、空气和土壤颗粒的 Ka 分别为 80、1、3～5) 。根据电磁波在介质中传播频率计算出土壤的介电常数 Ka , 从而利用土壤介电常数和土壤体积含水量 ( θ v) 之间的经验关系计算出土壤含水率。
Ka 在电磁波频率为1 MHz～1GHz时 , 与电磁波在电极(长度 L) 中往复的传播速度 ( V) 呈如下关系:Ka = ( cP V)2= ( ct/ 2L)2
(1)式中: c为光速 , c = 3 ×108mP s ; t为电磁波的传达时间 ,s。 电磁波在各点的反射很明显 ,可以很准确的计测出 t ,从而可用(1) 式计算出 Ka。 T opp等用TDR测定了电磁波的传播时间 ,并得出该传播时间在大部分土壤中与土壤体积含水率(θv) 的经验公式[4 ]
:θv = - 513 ×10- 2+ 2192 ×10- 2Ka - 515 ×10- 4K2a + 413×10- 6Ka3 当θv ≤016时
(2)但该经验关系只适用于当 Ka →1 或 Ka →80136 (20℃)时 ,且主要适用于砂性土壤。
TDR为新近发展起来的测定土壤含水率的主流方法 ,具有许多优点 , 如无核辐射 , 极其快速 , 可以定点原位连续测定 , 且测定值精确。在常规土壤中 , 这一仪器的测量误差小于5 %。一般不需标定 , 测量范围广 (含水率 0～100 %) , 操作简便 , 野外和室内都可使用 , TDR 探针可长期埋在土壤中 , 需要的时候再连上 TDR 测量。另外 , TDR受土壤盐度影响很小 , 能够测量表层土壤含水率 (中子仪法不行) 。但是 , TDR 的测量值受温度、容重、土质的影响[5 - 6 ], 在导电率较高的土壤中 (如盐碱地) , 其测量精度也会降低 , 对有机质含量高、容重特别高或特别低以及重黏土壤需要重新标定后才能使用。目前 , TDR 在国内的使用主要依赖进口 , 且价格较高 , 其应用也受到一定限制。
频域反射仪 (FDR)
FDR (Frequency Domain Reflectometry) 测量土壤含水率的原理与 TDR类似[7 ], 利用电磁脉冲原理 , 根据电磁波在土壤中传播频率来测试土壤的表观介电常数 K a 的变化 , 这些变化转变为与土壤体积含水量成比例的毫伏信号。
FDR的探头由1对电极 (如平行排列的金属棒) 组成 1个电容 , 其间的土壤充当电介质 , 电容与振荡器组成 1 个调谐电路 , 振荡器频率 F 与土壤电容 C 呈非线性反比关系:
F =12π L1C +1Cb015
(3)式中:L 为振荡器的电感; Cb 为与仪器有关的电容。 由于土壤电容 C随土壤含水率的增加而增加 ,于是振荡器频率 F与土壤含水率的相关关系被建立。
与 TDR相比 , FDR在电极的几何形状设计和工作频率的选取上有更大的自由度 , 大多数 FDR探头还可与传统的数据采集器相连 , 从而实现自动连续监测。但是 FDR在低频 ( ≤ 20 MHz) 工作时 , 比 TDR 更易受到土壤盐度、黏粒和容重的影响。另外 , 与纯粹的 TDR波形分析相比 FDR缺少控制和一些详细信息。
FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点[8 ], 不但测量精度高 , 而且价格不高 , 既可以单点测量也可以多点测量垂直深度的一段剖面。尽管 FDR方法还存在一些问题 , 如 FDR的读数受到电极附近土壤孔隙和水分的影响 (TDR也是如此) , 对于使用探管的 FDR , 探头、探管和土壤是否接触良好对测量结果的可靠性有影响等 , 但 FDR方法确实远远优于现有的其它测定方法。
二： 结 语
在测定土壤含水率的诸多方法中 , 烘干法简单直观 ,结果可靠 , 可作为其他测量方法的校准 , 但是烘干法采样困难 , 破坏土壤 , 在田间留下的取样孔 , 会切断作物的某些根并影响土壤水分运动 , 不能定点连续观测; 中子仪法可以在原位的不同深度周期性的反复测定而不破坏土壤 ,但是仪器的垂直分辨率较差 , 表层测量困难 , 且对人存在辐射危害。笔者认为 , 综合性能较高的
还属技术较先进的时域反射仪法 (TDR) 和经济型的频域反射仪法 (FDR) , 它们都具有技术成熟、精度高、定点连续、便于携带的优点。TDR 由于具有快速、准确、可连续原位测定及无辐射等优点 , 多应用于便携式的水分测定。FDR 由于具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点 , 其探头还可与传统的数据采集器相连 , 在土壤水分的自动连续监测中表现出良好的发展势头。总之 , 智能化的农田土壤水分的监测仍然是未来土壤水分监测的发展趋势。
