干旱半干旱地區(qū)土壤水分測(cè)定研究概述

王賽宵，李清河，徐 軍，趙英銘

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古磴口015200）

水資源短缺是一個(gè)世界性問題，全球干旱、半干旱地區(qū)涉及50多個(gè)國家和地區(qū)，約占全球陸地面積的34.9%[1-2]。我國干旱半干旱地區(qū)面積占國土面積的40%[3]，且還在不斷擴(kuò)大。近年來，隨著全球氣候變暖，由大氣干旱導(dǎo)致的土壤干旱已成為制約植物生長的主要?dú)庀鬄?zāi)害。眾所周知，土壤水分是植物生長發(fā)育不可或缺的環(huán)境因素之一，而土壤水分供給的有效性更是植物生存的制約因素；土壤水分含量、運(yùn)行狀況以及分布特性已成為決定植被恢復(fù)及重建的重要因素之一[4]。土壤水分含量準(zhǔn)確及時(shí)的測(cè)定有利于研究和了解土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和空間立體分布，其測(cè)定方法的研究主要體現(xiàn)在如何快捷、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地測(cè)定土壤含水量方面。

干旱半干旱地區(qū)土壤水分的測(cè)定依據(jù)其不同特點(diǎn)需要采取相應(yīng)的測(cè)定方法。測(cè)定方法按照直接取土樣與否，可分為直接法和間接法兩大類。前者直接取土樣測(cè)定其含水量，而后者則通過對(duì)與土壤含水量有關(guān)系的其他物理量的測(cè)定來確定土壤含水量。

1 直接法

1.1 烘干法

直接法中的烘干法，是目前最通用的一種方法，也是一種測(cè)定精度最高的基準(zhǔn)性方法[5]?？捎糜谵r(nóng)田水利，也可用于工程質(zhì)量控制，其常規(guī)操作為：將土樣稱重后放入烘箱，在105～110℃下烘干至恒質(zhì)量后，測(cè)得烘干土質(zhì)量，再根據(jù)該值計(jì)算蒸發(fā)損失量，由此得到土壤水分含量。雖然該方法所需環(huán)刀、土鉆、烘箱等均為常規(guī)儀器設(shè)備，較易獲取，但野外取樣時(shí)工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，取樣時(shí)還會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，在定點(diǎn)測(cè)量時(shí)由取樣換位帶來的誤差也難以避免，因此在大多數(shù)情況下難以進(jìn)行長期原位監(jiān)測(cè)，且受土壤空間變異性影響也比較大。

該方法烘干土樣耗時(shí)較長，為彌補(bǔ)此缺陷，又提出了鍋炒法、酒精燃燒法、紅外線法等快速烘干的方法。對(duì)于細(xì)粒土及有機(jī)質(zhì)含量較高的土樣，由于土粒極易掉落或難以避免由燃燒不均導(dǎo)致的誤差，所以前兩類方法并不適用。紅外線法測(cè)定精度雖高，但卻需要專門的儀器來實(shí)現(xiàn)其試驗(yàn)要求。

1.2 瓶筒法

取廣口瓶、量筒或其他類似的容器充滿水，稱其重W1；再稱已取土樣W2，并將土樣放入上述容器中，加水至容器容積1/2左右，進(jìn)行充分的攪拌，以盡量排出土樣中的空氣，然后加水到滿瓶，稱其重W3（W1，W3均包含廣口瓶玻璃蓋質(zhì)量）。若105～110℃溫度下土樣烘至恒質(zhì)量時(shí)的質(zhì)量與同體積4℃時(shí)純水的質(zhì)量之比，即土粒比重為GS，則土壤含水量w（以百分?jǐn)?shù)表示）為：

該方法不需要烘干土樣，所需儀器也較為簡單，從理論上講有很高的測(cè)定精度，但由于土樣中空氣的排除程度不能完全掌握，導(dǎo)致測(cè)量精度不穩(wěn)定。

2 間接法

間接法是在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)各種傳感器測(cè)定，不需要采取土樣，可以進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)和連續(xù)觀測(cè)。

2.1 電阻法

布氏（Bouyoucos）等提出的電阻法又稱塊體法，是間接法中最通用的一種。通常以石膏塊作為它的傳感器，石膏塊中有1對(duì)電極，由率定電阻—土壤含水量曲線，查出與傳感器所傳達(dá)的電阻值相對(duì)應(yīng)的土壤含水量[5]。該方法所用的傳感器元器件價(jià)格低廉，不易腐壞，可以定點(diǎn)埋設(shè)，并通過與數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)遙測(cè)[6]。但該方法埋設(shè)探頭時(shí)在一定程度上會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞，測(cè)定土壤水分時(shí)存在滯后現(xiàn)象[7]，測(cè)定結(jié)果易受溫度和土壤溶鹽的影響。因此，對(duì)于不同質(zhì)地的土壤，測(cè)定時(shí)要分別進(jìn)行標(biāo)定，以保證測(cè)量精度。

2.2 射線法

射線法的原理是射線直接穿過土體時(shí)能量會(huì)衰減，衰減量是土壤含水量的函數(shù)，通過射線探測(cè)器計(jì)數(shù)，經(jīng)過校準(zhǔn)后得出土壤含水量[8]。此類方法包括中子儀法、γ-透射法等。

中子儀測(cè)定土壤水分的基本原理是：將中子源埋入待測(cè)土壤中，中子源不斷發(fā)射快中子，快中子進(jìn)入土壤介質(zhì)與各種原子、離子相碰撞導(dǎo)致其能量損失，進(jìn)而慢化為熱中子。而與氫原子碰撞時(shí)，快中子的能量損失最大，更易于慢化。土壤中水分含量越高，氫原子含量也就越高，熱中子云密度越大。中子儀測(cè)定水分就是通過測(cè)定慢中子云的密度與水分間的函數(shù)關(guān)系來確定土壤中的水分含量[9]。該方法可用于監(jiān)測(cè)土壤水分動(dòng)態(tài)，且套管永久安放后對(duì)土壤結(jié)構(gòu)不造成破壞，可以實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)的定位觀測(cè)，不受土壤水分物理狀態(tài)限制且無滯后現(xiàn)象；通過數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接可成為原位測(cè)定土壤含水量的較好方法，并得到廣泛應(yīng)用。

王文焰等[10]研究表明，γ-透射法于1950年由Belcher等提出，經(jīng)室內(nèi)和田間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法測(cè)量土壤含水量的精度被證實(shí)不低于烘干法[11]。由于該法可在瞬時(shí)狀態(tài)下較為準(zhǔn)確地測(cè)定土壤水分剖面的變化，并具有層間分辨率高等特點(diǎn)，因而愈來愈受到國內(nèi)研究者的重視，取得了較多研究成果[12-14]。雙能γ-透射法的問世，使得該方法可以同時(shí)測(cè)定土壤容重和含水量[15]。但是由于受放射源防護(hù)、設(shè)備不完善以及測(cè)試過程中其他技術(shù)性的問題限制，如何正確使用和提高γ-透射法精度成為長期以來人們關(guān)注的問題。

2.3 介電特性法

由于包含的信息豐富，能夠反映土壤理化性質(zhì)，土壤介電特性測(cè)量理論與方法的研究近年來受到了廣泛關(guān)注[16-19]。大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，土壤介電常數(shù)不受土壤的構(gòu)成成分和質(zhì)地影響，且與體積含水量總是呈非線性單值函數(shù)關(guān)系。各種介電特性測(cè)量法均是通過測(cè)量土壤水分含量對(duì)土壤介電特性實(shí)部和虛部影響程度來實(shí)現(xiàn)的。綜上所述，通過測(cè)定土壤介電常數(shù)就可以間接確定土壤含水量。

時(shí)域反射儀法（Time Domain Reflectometry，TDR）是一種出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末的介電特性測(cè)定方法。TDR原理為：由于土壤中水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于土壤中的固體顆粒和空氣的介電常數(shù)，因此隨土壤水分含量升高，土壤介電常數(shù)值增大，而沿波導(dǎo)棒的電磁波傳播時(shí)間也隨之延長。通過測(cè)定土壤中高頻電磁脈沖沿波導(dǎo)棒的傳播時(shí)間再計(jì)算出傳播速度，進(jìn)而就可以確定土壤含水量[8]。由該方法獲得的含水量是整個(gè)探針長度范圍內(nèi)的平均值，所以同一土體中埋置方式的不同可能會(huì)得到不同的結(jié)果。因此，在使用TDR時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇適宜的探針埋置方式。

由于垂直分辨率高，該方法測(cè)定土壤表層的含水量比中子儀精度要高得多[20]，加之具有快速、準(zhǔn)確、安全無任何輻射、便于自動(dòng)控制等特點(diǎn)，TDR法現(xiàn)受到極大的推崇。該法可以在原位連續(xù)測(cè)量，且測(cè)量范圍廣；它既可以做成輕巧的便攜式進(jìn)行田間即時(shí)測(cè)量，又可通過導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)相連，完成遠(yuǎn)距離多點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。測(cè)定精度要求較低時(shí)，TDR一般不需標(biāo)定，但當(dāng)誤差要求很小時(shí)，需進(jìn)行標(biāo)定或校正[21]。該儀器目前主要依賴進(jìn)口，且價(jià)格相當(dāng)昂貴，不適宜鹽堿土測(cè)量，在測(cè)定時(shí)測(cè)點(diǎn)要埋多個(gè)探頭。

頻域反射儀（Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR）測(cè)量土壤含水量的原理與TDR類似。FDR是采用電磁脈沖的原理，根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測(cè)試土壤的介電常數(shù)（主要依賴于土壤的含水量），來得到土壤含水量。FDR的探頭稱為介電傳感器，主要由1對(duì)電極（平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán)）組成1個(gè)電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容與振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路，頻率信號(hào)通過特殊設(shè)計(jì)的傳輸線到達(dá)介電傳感器，而振蕩器頻率與土壤含水量呈非線性反比關(guān)系。FDR使用掃頻頻率來檢測(cè)共振頻率（此時(shí)振幅最大），土壤含水量不同，發(fā)生共振的頻率不同。有些儀器，如英國Delta-T公司生產(chǎn)的一些土壤水分測(cè)定儀就是采用FDR原理，傳感器發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達(dá)底部后返回，檢測(cè)探頭輸出電壓，由輸出電壓和水分的關(guān)系則可計(jì)算出土壤的含水量。

2.4 遙感法

遙感法（Remote Sensing）是一種非接觸式、大面積、多時(shí)相的土壤水分監(jiān)測(cè)方法。遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的可行性研究始于20世紀(jì)60年代，其應(yīng)用研究開展于70年代中期。土壤及其水分具有不同的光譜反射特性，影響它們的內(nèi)在和外在因素很多，對(duì)于特定環(huán)境條件下的土壤來說，其水分狀況往往處在一種動(dòng)態(tài)變化之中。因此，通過各種傳感器來接收土壤水分的光譜信息，并經(jīng)過相應(yīng)的信息處理技術(shù)，結(jié)合地面必要的調(diào)查，估測(cè)土壤水分狀況是可行的[22-23]。

遙感法中所涉及的波段很寬，從可見光、近紅外、熱紅外到微波都有一定的研究。尤其在熱紅外、微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分研究方面取得了可喜的進(jìn)展。微波遙感雖具有全天時(shí)、全天候、多極化和一定的穿透特性等優(yōu)點(diǎn)，但由于眾多影響土壤水分變化的因素中，土壤質(zhì)地、容重、地表坡度和植被覆蓋等也對(duì)雷達(dá)等微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分造成影響，因此用于監(jiān)測(cè)土壤水分的傳感器，必須要有較高的地面分辨率，同時(shí)要有對(duì)土壤水分較為敏感的波段。單純地采用一種方法可能會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，必須借助于其他輔助措施進(jìn)行修正[22]。因此，多種遙感技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用以及與地面技術(shù)的結(jié)合是目前遙感技術(shù)的主要方向。且就目前技術(shù)手段發(fā)展的水平來看，遙感法只適合區(qū)域尺度下土壤表層水分狀況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)查，而非田間尺度下深層土壤水分的監(jiān)測(cè)，因而對(duì)其理論模型、成像機(jī)制與極化方式、土壤水分、地表粗糙度和植被覆蓋等的關(guān)系還有必要進(jìn)行更加深入的研究。

3 結(jié)語

土壤含水量的測(cè)定方法還有很多[24]，且新的測(cè)定手段也不斷出現(xiàn)[25-26]。土壤含水量的測(cè)定方法還包括計(jì)算機(jī)斷層掃描法（CT）、探地雷達(dá)法（GPR）、磁共振法（NMR）、分離示蹤劑法（PT）等，同類方法還常常有變種。各廠家生產(chǎn)的同類型儀器盡管基本原理相同，但在具體技術(shù)上還會(huì)有差別[26]。綜合現(xiàn)有研究不難發(fā)現(xiàn)，過去國內(nèi)外對(duì)土壤水分含量的測(cè)定進(jìn)行了大量研究，并取得了可喜的成果。

應(yīng)當(dāng)指出的是受田間土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和容重的變異性以及土壤分層等問題的影響，幾乎每一種方法在測(cè)定土壤含水量時(shí)，都存在一定程度的誤差，而且測(cè)定技術(shù)和儀器方面的缺陷以及方法本身存在的問題，都是造成此類誤差的原因。由于現(xiàn)有方法大多由其他領(lǐng)域引進(jìn)而來，往往缺乏對(duì)土壤復(fù)雜、多變性質(zhì)，特別是土壤理化性質(zhì)空間變異的充分考慮。當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量中存在問題時(shí)，可以采用標(biāo)定法解決，若從物理機(jī)理上進(jìn)行分析解決也是一條有效途徑。

隨著人們對(duì)水分測(cè)量物理機(jī)理上認(rèn)識(shí)的不斷深入，必然加快測(cè)量手段的不斷改進(jìn)和完善，且土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器的研制會(huì)進(jìn)一步向準(zhǔn)確、安全、快速、自動(dòng)采集、價(jià)格低廉方向發(fā)展，遙感傳感器性能在未來將不斷改進(jìn)?；?S技術(shù)的遙感信息與地面自動(dòng)遙測(cè)點(diǎn)面信息相結(jié)合的大面積土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將是一個(gè)重要的研究內(nèi)容，上述研究成果也必將使得土壤水分測(cè)量技術(shù)朝著更加精確、用時(shí)少、安全、自動(dòng)化、低成本、寬量程、少標(biāo)定、易操作的方向發(fā)展。

在干旱半干旱地區(qū)，土壤水分是作物生長的控制因子之一，是監(jiān)測(cè)土地退化的一個(gè)重要指標(biāo)，也是氣候、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域研究的主要參數(shù)。其在地表與大氣界面水分和能量交換中起著重要作用。針對(duì)干旱半干旱地區(qū)土壤水分普遍很低的特點(diǎn)，在小范圍、小規(guī)模、非定時(shí)土壤水分測(cè)定中，烘干稱重法是最準(zhǔn)確的方法，當(dāng)然可以應(yīng)用一些接觸類傳感器，但對(duì)其精度要求較高，且通常需要進(jìn)行標(biāo)定。而在大范圍的土壤水分測(cè)定中最好選擇遙感手段。

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