電磁感應(yīng)式大地電導(dǎo)率儀在土壤學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

劉 虎 王振宇 魏占民 張金龍 尹春艷

摘要:介紹了電磁感應(yīng)式大地電導(dǎo)率儀的工作原理,回顧和總結(jié)了這種儀器在土壤學(xué)領(lǐng)域中土壤水分、鹽分、粘粒含量等的測定預(yù)測方面的研究現(xiàn)狀,最后展望了電磁感應(yīng)式土壤性質(zhì)測評技術(shù)與3S技術(shù)相結(jié)合后帶來的土壤信息動(dòng)態(tài)變化方面的革命。

關(guān)鍵詞:磁感式大地電導(dǎo)率儀;土壤信息;3S技術(shù)

中圖分類號:S153.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-6500(2009)01-0055-04

Applied Research of Electromagnetic Induction Type Soil Conductivity Meter in the Filed of Soil Science

LIU Hu1,2,WANG Zhen-yu1,WEI Zhan-min2,ZHANG Jin-long1,YIN Chun-yan3

(1.Tianjin Teda Landscape Architecture Company Limited,Tianjin 300457,China;2.Water Conservancy and Civil Engineering College,Inner Mongolia Agriculture University,Hohhot, Inner Mongolia 010018,China;3.Inner Mongolia Wushen Soil and Water Conservation Bureau,Erdos, Inner Mongolia 017300,China)

Abstract:The working principle of electromagnetic induction type soil conductivity meter was first explained. Then, the using of this instrument on measuring the soil moisture, the salinity, the clay content and so on in the field of soil science was reviewed and summarized. Finally, the revolution after combination technology of electromagnetic induction measuring and appraising of soil nature with 3S technology was forecasted.

Key words: electromagnetic induction type soil electrical conductivity meter;soil information;3S technology

土壤屬性調(diào)查的傳統(tǒng)方法是在采樣點(diǎn)上使用采樣機(jī)械采集土壤樣本,然后在實(shí)驗(yàn)室對土壤各種屬性進(jìn)行分析測定,從而得到相關(guān)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)采樣方法的測量周期長、檢測過程繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大,在實(shí)際工作中由于受到財(cái)力、物力、人力的限制,常無法采集足夠數(shù)量的樣品,因此無法保證精度。采用較易獲得的土壤表觀電導(dǎo)率以表征土壤信息是快速獲得土壤更多定量化信息的一條行之有效的途徑[1-3]。

電磁感應(yīng)大地電導(dǎo)率儀最早于20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用于土壤學(xué)領(lǐng)域,國內(nèi)外已在表觀電導(dǎo)率對土壤鹽分、含水量、粘粒含量、緊實(shí)度甚至作物產(chǎn)量預(yù)測等性質(zhì)的響應(yīng)特征方面進(jìn)行了大量的研究,同時(shí)還與空間技術(shù)相結(jié)合,將其擴(kuò)展到區(qū)域尺度,使其成為研究土壤性質(zhì)的有力工具。

1 電磁感應(yīng)式大地電導(dǎo)率儀的工作原理

以磁感應(yīng)式電導(dǎo)率儀EM38為例,其工作原理[2]為:EM38的后端(信號發(fā)射端子)有一個(gè)小型發(fā)射線圈,它可以產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化并且強(qiáng)度隨著大地深度增加而逐漸減弱的初級磁場(Hp),這個(gè)磁場可以在大地中產(chǎn)生非常微弱的交流感應(yīng)電流,而這個(gè)電流又誘導(dǎo)出次級磁場(Hs),儀器前部(信號接收端子)的接受線圈則接收了土壤傳導(dǎo)電流所產(chǎn)生的次級電磁場信號,儀器接收到的與土壤電導(dǎo)率成正比的電信號經(jīng)過運(yùn)算處理后顯示為土壤表觀電導(dǎo)率(圖1)。通常初級磁場Hp和次級磁場Hs均是兩端子的間距(S)、交流電頻率以及大地電導(dǎo)率的復(fù)雜函數(shù),并且次級磁場和初級磁場強(qiáng)度的比值與大地電導(dǎo)率呈線性關(guān)系,可以表示為:

[Hs

ECa=4( )/ωμ0S2

Hp]

式中:ECa為大地電導(dǎo)率(mS/m);Hs,Hp分別為次級磁場和初級磁場;ω=2πf,f為發(fā)射頻率(Hz);S為發(fā)射端子與接受端子之間距(m);μ0為空間磁場傳導(dǎo)系數(shù)。

電磁感應(yīng)儀能在地表直接測量土壤表觀電導(dǎo)率,為非接觸直讀式,其特殊的工作原理決定了電磁感應(yīng)設(shè)備不需要與大地接觸就可以測量大地電導(dǎo)率,這就使得這些設(shè)備不需要配備任何探針,并且僅需要很少的電纜線。利用這類設(shè)備進(jìn)行大地電導(dǎo)率調(diào)查,可以大大縮短所需時(shí)間,工作效率明顯提高。用傳統(tǒng)電極法進(jìn)行大地電導(dǎo)率測定,其測量結(jié)果對電極附近的不規(guī)則物質(zhì)的反應(yīng)將非常敏感。而用電磁感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行大地電導(dǎo)率測定時(shí),設(shè)備自動(dòng)對其測量范圍內(nèi)的大地電導(dǎo)率進(jìn)行平均。因此,電磁感應(yīng)設(shè)備可以顯著提高測定結(jié)果的精度(如EM38的測量精度可達(dá)±5%)[4],這也使得電磁感應(yīng)技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)的測定方法成為可能[5]。

2 磁感式大地電導(dǎo)率儀在測定土壤信息方面的應(yīng)用與研究

2.1在土壤鹽分測定方面的應(yīng)用

土壤鹽分的磁感式調(diào)查測定是磁感式土壤性質(zhì)測定技術(shù)最為廣泛和最為深入的研究應(yīng)用方向。

西班牙學(xué)者Amezketa[6]應(yīng)用EM38結(jié)合專業(yè)分析軟件對土壤鹽分進(jìn)行了評估、預(yù)測、成圖。Kinal等[7]通過建立0~6 m土壤1∶5土水比浸提液電導(dǎo)率與應(yīng)用EM31測定的大地電導(dǎo)率之間的關(guān)系解譯獲得了澳大利亞森林土壤鹽分的空間分布特征。Triantafilis等[8]運(yùn)用系數(shù)建立法確立了測量灌溉棉花土壤含量的電磁感應(yīng)式測定的校正模式。Randy等進(jìn)行了田間土壤鹽分電磁感應(yīng)式測定,根據(jù)鹽分分布特征提出相應(yīng)管理措施。Hanson等[9]則研究了磁感式電導(dǎo)率測量對土壤含鹽量和土壤含水量的響應(yīng),建立了初步的磁感應(yīng)電導(dǎo)測定土壤含鹽量的校正模式。

在我國,陳玉娟在新疆塔里木地區(qū)使用大地電導(dǎo)率儀建立耕層含鹽量的測定模型,能較為準(zhǔn)確地對耕層含鹽量進(jìn)行測定[1]。趙軍偉等[10]通過應(yīng)用EM38大地電導(dǎo)率儀調(diào)查了新疆阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣豐收灌區(qū)土壤鹽分含量,并將EM38讀數(shù)與常規(guī)土壤含鹽量測定方法所獲得的結(jié)果進(jìn)行比較,分析了對儀器電磁產(chǎn)生影響的因素。姚榮江等結(jié)合EM38大地電導(dǎo)率儀測量與田間采樣分析了黃河三角洲典型區(qū)域土壤電導(dǎo)率的剖面分布特征,建立了磁感式表觀電導(dǎo)率與土壤電導(dǎo)率間的多元回歸解譯模型[11-13]。楊勁松等[14]則在分析土壤鹽分剖面分布特征的基礎(chǔ)上提出了指數(shù)衰減模型,并運(yùn)用該模型對鹽分剖面進(jìn)行了參數(shù)擬合和驗(yàn)證。李洪義與史舟等[15]以海涂圍墾區(qū)鹽堿土為研究對象,利用大地電導(dǎo)率儀在地表不同高度測量的土壤表征電導(dǎo)率預(yù)測不同深度土壤剖面的電導(dǎo)率。

目前,眾多學(xué)者應(yīng)用電磁感應(yīng)儀進(jìn)行了土壤鹽分特征的評價(jià)與預(yù)測方面的研究,由于操作上的原因,大多數(shù)的研究都是建立表觀電導(dǎo)率值與土壤鹽分之間的單因子回歸關(guān)系[10,16];同時(shí)這種回歸關(guān)系往往只針對特定地塊,即只能應(yīng)用于建立該模型的地塊或具有相似土壤特性的地塊,一旦推廣到其他具有不同土壤性質(zhì)的區(qū)域時(shí),預(yù)測模型需要重新建立或校正,這些問題有待于當(dāng)代土壤學(xué)工作者進(jìn)一步研究和探討[15]。

2.2 在土壤含水量測定方面的應(yīng)用

電磁感應(yīng)儀所測量的土壤表觀電導(dǎo)率反映的是土壤水分與鹽分的綜合信息,因此在鹽分含量相對均一的區(qū)域,土壤中水分的變化將會引起土壤表觀電導(dǎo)率的變化,這成為大地電磁感應(yīng)儀可以用于土壤含水量研究的理論基礎(chǔ)[16]。目前,大地電導(dǎo)率儀在土壤水分研究上的應(yīng)用主要是通過建立表觀電導(dǎo)率與土壤含水量之間的關(guān)系,對點(diǎn)尺度或空間尺度土壤含水量進(jìn)行估算。Robert 和 Bridget對在美國德克薩斯州Chihuahuan沙漠地區(qū)使用電磁感應(yīng)式儀預(yù)測1.5 m土體平均含水量,并且對土壤儲水變化進(jìn)行了評估,經(jīng)過3年持續(xù)研究認(rèn)為,在該地區(qū)僅采用電磁感應(yīng)式土壤性質(zhì)測評技術(shù)即可獲得土壤含水量精確值,與傳統(tǒng)含水量監(jiān)測方法相比具有諸多優(yōu)勢[17]。

在我國,電磁感應(yīng)技術(shù)在土壤含水量測定方面的應(yīng)用尚處于起步階段,北方干旱半干旱地區(qū)水資源短缺是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要障礙因素[18],所以,對北方地區(qū)土壤含水量進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測是十分必要的。

2.3在土壤粘粒含量測定方面的應(yīng)用

隨著人們對田間水平土壤性質(zhì)的空間信息的需求,特別是在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和環(huán)境管理的應(yīng)用等方面需求的增加,利用電磁感應(yīng)式電導(dǎo)率儀測定田間尺度粘粒含量的方法也逐漸為專家學(xué)者所關(guān)注。已有研究表明,表觀土壤電導(dǎo)率會隨著土壤粘粒含量的升高而增大,這一方面是由于粘粒含量會影響電磁傳導(dǎo)性能,另一方面在于土壤粘粒含量與陽離子交換量CEC密切相關(guān),而部分鹽基交換離子能夠產(chǎn)生離子電導(dǎo)并進(jìn)而影響表觀電導(dǎo)率。Sudduth等[19]通過對美國6個(gè)州的土壤含水量、粘粒含量、陽離子交換量CEC與表觀電導(dǎo)率進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn),各州的土壤屬性與表觀電導(dǎo)率均呈極顯著相關(guān)性。Triantafilis等[20]分析了澳大利亞新南威爾士Gwydir Vally地區(qū)表觀電導(dǎo)率與1.5 m土體平均粘粒含量發(fā)現(xiàn),電磁感應(yīng)儀EM38與EM31測得的表觀電導(dǎo)率與粘粒含量均具有極顯著的相關(guān)性。

2.4 在土壤養(yǎng)分、有害物質(zhì)的測定以及產(chǎn)量預(yù)測方面的應(yīng)用

Eigenberg等[21]應(yīng)用EM38對農(nóng)田進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)表觀電導(dǎo)率監(jiān)測,獲得了較精確解譯土壤速效氮的時(shí)空變化規(guī)律。根據(jù)與電磁感應(yīng)式大地電導(dǎo)率的單因子相關(guān)性對重金屬B、Se、As、Mo分別進(jìn)行解譯的研究應(yīng)用實(shí)踐表明,使用電磁感應(yīng)式大地電導(dǎo)率儀獲取某些重金屬的空間分布是可行的[22]。

眾多文獻(xiàn)表明,土壤鹽漬化會造成作物不同程度地減產(chǎn)[23],而表觀電導(dǎo)率作為表征土壤鹽漬特征的重要特征,其與作物產(chǎn)量潛力的相關(guān)性也使得利用電磁感應(yīng)式土壤性質(zhì)測評技術(shù)預(yù)測產(chǎn)量成為可能。但是Corwin 和 Lesch[24]也指出,由于土壤系統(tǒng)、氣候條件的復(fù)雜性以及作物產(chǎn)量的空間變異性,表觀土壤電導(dǎo)率與作物產(chǎn)量的關(guān)系只能是綜合、經(jīng)驗(yàn)性的。

2.5在研究其它土壤理化性質(zhì)方面的應(yīng)用

磁感式大地電導(dǎo)率儀除了在土壤鹽分、含水量、粘粒含量、土壤養(yǎng)分、有害物質(zhì)以及產(chǎn)量預(yù)測方面的應(yīng)用外,還被廣泛應(yīng)用于其它土壤理化性質(zhì)的研究中[2,5]。劉廣明等[25]在江蘇東川農(nóng)場進(jìn)行的地下水礦化度的研究中,確定了進(jìn)行沿海灘涂區(qū)地下水礦化度快速精確測評的電磁感應(yīng)儀測定位或測定位組合,及其對應(yīng)的地下水礦化度信息解譯模型。Kitchen等[26]通過應(yīng)用磁感式大地電導(dǎo)儀測定淤積泥沙厚度對洪水災(zāi)害進(jìn)行了評估。Lesch等[27]應(yīng)用EM38通過淋洗灌溉前后分別對土壤鹽分進(jìn)行淋洗效果分析,獲得了土體結(jié)構(gòu)分布。Bork等[28]研究利用磁感式大地電導(dǎo)測量估計(jì)灌木地上的土壤深度。Mankin等[29]則使用磁感應(yīng)式電導(dǎo)測量技術(shù)進(jìn)行了咸水泄漏的田間估計(jì),并據(jù)此對咸水的泄漏進(jìn)行修復(fù)。劉廣明和楊勁松等[30]利用EM38和EM31對土質(zhì)堤壩安全隱患進(jìn)行了探測,取得了良好的應(yīng)用效果。姚榮江與楊勁松[12]運(yùn)用電磁感應(yīng)儀EM38,結(jié)合GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)方法對黃河三角洲地區(qū)土層含鹽量的空間變異性進(jìn)行研究,并對研究區(qū)鹽漬化分級以及鹽分剖面分布特征進(jìn)行探討。

3 磁感式大地電導(dǎo)率儀與RS和GIS技術(shù)相結(jié)合

從目前的研究現(xiàn)狀來看,點(diǎn)尺度土壤信息的快速檢測、區(qū)域尺度土壤信息定量預(yù)測對生產(chǎn)實(shí)際的意義很大。從國內(nèi)外研究發(fā)展趨勢來看,土壤學(xué)研究的進(jìn)步對新技術(shù)的依賴日益增加,尤其是對3S(GIS、GPS、RS)技術(shù)[31-34]。電磁感應(yīng)儀具有速度快、精度高、信息豐富、實(shí)時(shí)性與可直接以數(shù)字方式記錄處理等優(yōu)勢,我們可以利用GIS技術(shù)的空間分析將土壤信息實(shí)現(xiàn)可視化[23,35]。應(yīng)用土壤表觀電導(dǎo)率的獲取容易、信息量大以及鹽分響應(yīng)特征良好等優(yōu)勢,有利于研究影響區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)的自然和人為因素以及空間、時(shí)間變化規(guī)律,可以與水鹽運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)觀測資料和衛(wèi)星遙感影像資料相結(jié)合,對區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定性、定量的分析。在GPS精確定位條件下,結(jié)合GIS,通過對土壤表觀電導(dǎo)率和土壤鹽分信息的高精度解譯,可對具有時(shí)空變化的土壤水鹽動(dòng)態(tài)和鹽漬化土地的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行可視化分析,不僅快速、準(zhǔn)確,而且時(shí)效性好、可操作性強(qiáng)。

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