土壤含水量的监测技术
土壤信息主要是表征土壤状况和性质的一系列参数，土壤质地、结构、有机质含量等参数值变化相对缓慢，通常不必多次测定，而土壤含水量、含盐量、含养分量等参数值则随时间不断变化，需要进行动态的多次测定。
国际上普遍采用的经典土壤水分测定方法是烘干称重法，即用土钻等取湿土样称重后放入烘箱，在105～110℃条件下烘干6～8h至恒重，湿土重与烘干土重之差即为水重，水重与烘干土重的比值即为土壤水分含量。其优点是对设备要求不严，结果可靠。缺点是费时、费力，综合费用并不低；取样会破坏土壤，深层取样困难，定点测量时因取样换位而带来误差，在很多情况下不可能长期定点监测；受土壤空间变异性影响也比较大。据此，需要研究和使用自动化程度较高的各种快速、连续定位土壤水分测定系统来代替烘干法。
1．TDR土壤水分测定系统
时域反射仪(time domain reflectometry，TDR)是一种测定土壤电磁量的方法，类似一个短波雷达系统（图2-15），通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来测定土壤介电常数，进而计算整个探针长度土层土壤平均体积含水量，可以直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐状况，测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等因素无关，无需埋设中子管，缺点是仪器价格昂贵。
TDR系统主要部件包括阶跃脉冲信号产生器、接收器、示波器、时间控制电路和波导棒等。土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系。将长度为L的波导棒插入土壤介质中，高频电磁脉冲信号从波导棒的始端传播到终端，并在探头周围产生一个电磁场，由于波导棒终端处于开路状态，脉冲信号受反射又沿波导棒返回到始端。检测脉冲从输入到反射回的时间以及反射时的脉冲幅度的衰减，可以反映出土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量（图2-16）。
图2-15 TDR系统
图2-16 TDR测定原理示意图
图2-17 TDR的探针
常见的TDR土壤水分测定系统有Trase土壤水分测定系统、Trime土壤水分测定系统等。不同型号的TDR土壤水分测定系统通常有8cm、15cm、20cm、30cm、45cm、50cm、60cm、70cm、110cm、160cm等不同长度的波导探头可供选择，可以分别采用插入式、埋入式和管道式探头测定表土层和土壤剖面不同深度的土壤含水量(图2-17)，剖面湿度最深可达3m。如果与多路盒相连可以连接多个探头，实现多点土壤水分同时监测。
2．负压计土壤湿度监测系统
土壤含水量与毛管力之间具有一定的函数关系，毛管力变化能够反映土壤含水量变化。负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况（图2-18）。负压计包括一个多孔的陶瓷杯和一个液压计。陶瓷杯埋于所测的土壤中，负压计内部的水分通过陶瓷杯上的微孔同土壤水分进行交换而使内外水势渐趋平衡，由于水分渗入和渗出使负压计读数发生变化，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。
图2-18 不同类型负压计及其结构示意图
负压计结构简单、易于制造、价钱便宜、使用方便，可以在不同测点多处埋设，也可进行连续多次观测。但需要提前测定土壤水分特性曲线来换算土壤含水量，安装前要注水除气、密封和标定，需要1～2天的土壤吸力平衡过程才能正常观测，测试土壤吸力范围为0～0. 86×105 Pa，土壤干燥、吸力大于0.86×105 Pa时会把陶瓷杯击穿，因而负压计不适合于干旱土地，适用于灌溉地、喷灌和滴灌田。同时，负压计易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差，观测结果具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况。
3．中子土壤湿度仪
利用中子热化原理，快中子源发出的中子在遇到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器根据测出的慢中子数量计算出土壤含水量。土壤含水量越多，快中子转化为慢中子的数量也越多，仪器可以将计数器的计数转换为土壤含水量值。
中子仪由探头和计数器组成。探头由快中子源和一个三氟化硼慢中子检测器组成（图2-19）。计数器用来监测土壤散射的慢中子通道。中子仪使用方法较为简单，只需将探头插入预设的测量孔的某一位置，即可测出该位置（点）周围的土壤含水量。沿测孔上下移动即可测定不同深度土层的土壤含水量，可测量多达30m深的土壤剖面含水量。
图2-19 中子土壤湿度仪及其结构示意图
中子仪法的特点是能快速、周期性地反复测定深层土壤含水量而不破坏土壤，但当土壤有机质含量高时测定精度差，且需要提前埋设铝管，导致设备成本较高，同时30cm表土层因辐射危害健康，需要采用其他方法测定。目前主要采用手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化监测仪。
4．电阻／电容式土壤湿度监测系统
电阻／电容式土壤湿度监测系统分别采用电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器。前者通过测量埋入土壤中的感湿元件的电阻值得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度，测量结果易受土壤盐分影响，且有滞后性。后者根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来测定土壤湿度，受土壤盐分的影响较小。例如，石膏块土壤水分测定系统（图2-20）通过测量石膏块内两个电极间的电阻可以显示含水量。石膏块永久埋人土壤中，寿命为3～5年，适用于干燥土壤环境（张力计无法使用），测量范围为3～100kPa。
图2-20 石膏块土壤水分测定仪及石膏块传感器结构图
5．FDR土壤水分测定系统
频域反射仪(frequency domain
reflectometry,FDR)是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤容积含水量。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，在土壤干旱条件下测定结果误差小于TDR。FDR的探针类似于TDR。图2-21为Thetaprobe土壤水分测量系统，其传感器测量范围是5%～55%体积湿度，精确度为2%。
图2-21 Thetaprobe土壤水分测量系统
6．土壤水分遥感监测
利用卫星遥感监测土壤水分的方法具有宏观、高时效、经济、视野广、周期快和动态条件好等特点，成为区域性土壤水分和农作物干旱监测与评估的重要手段，遥感技术可以迅速、大面积与多时相地获得地面信息，且具有简便、不破坏环境的特点，而且其监测点点俱到，较容易画出土壤不同含水量区域之间的界线，便于对不同含水量区域面积的统计和分析，已成为一种监测土壤含水量的全新方法。
对于裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包括：一是通过热红外遥感方法获取的热图像数据推算地表温度的时空分布；二是确定土壤水分含量与地表温度之间的定量关系，推算土壤湿度的地区分布。若地表有植被覆盖时，可用多谱段遥感技术来区分植物反射和土壤反射光谱，找出土壤含水量与多谱段反射率的关系，确定土壤含水量。此外，还可采用微波遥感土壤水分和应用NOAA-AVHRR数据探测土壤水分。
