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技術文章

農田土壤水分各種測量方法的比較與分析

更新時間2017-02-16 14:22:28  點擊次數:623次
農田土壤水分各種測量方法的比較與分析 郁進元 , 何   巖 , 趙忠福 , 王   棟

  農田土壤水分各種測量方法的比較與分析


  郁進元 , 何   巖 , 趙忠福 , 王   棟


  (昆山市水利技術推廣站 , 江蘇   昆山   215300)


  摘要 對目前應用較廣泛的幾種農田土壤水分測量方法的測量原理及其優缺點進行了對比分析 , 認為綜合性能較高的還屬技術較先進的時域反射儀法 (TDR) 和經濟型的頻域反射儀法 (FDR) , TDR多應用于便攜式的水分測定 , 而 FDR可應用于土壤水分的自動連續監測。提出智能化的農田土壤水分的監測 , 仍然是未來土壤水分監測的發展趨勢的觀點。


  關鍵詞: 土壤水分; 測量方法; TDR; FDR


  中圖分類號: S15217    文獻標識碼: A    文章編號: 10082701X (2007) 0620001202


  Comparison and analysis of measuring methods for soi l moisture of farmland


  Y U Jin2yuan , HE Y an , ZHAO Zhong 2 fu , WANGDong


  (Kunshan Water Conservancy Expansion Station , Kunshan 215300 , China)


  Abstract : Based on the measuring principle and the comparis on of advantages and disadvantages of several s oil moisture measuringmethods which are widely applied , it shows that the advanced T ime Domain Refiectometry (TDR) and the economical FrequencyDomain Refiectometry (FDR) have higher comprehensive characteristics , which are used for portable and automatic measuring ,respectively. The intelligentized s oil moisture measuring will still be the main research development trend of s oil moisturemeasuring in future.


  Key words : s oil moisture ; measuring method ; TDR; FDR


  農田作物生長需要最佳的水、肥、氣、熱環境 , 水是最重要的調節因子。適宜的農田土壤水分狀況 , 可達到節水增產的功效。因此 , 適時、方便、準確地監測農田土壤水分對農業生產有著重要的指導意義。目前 , 農田土壤水分測量方法層出不窮 , 如烘干法、張力計法、中子法或射線法、介電常數法或電磁波法、傳感器法、電阻法或粒狀列陣法、電容法、光電法、熱擴散法等 , 各種方法都有其自身的適用范圍和優缺點。本文對幾種應用較廣的農田土壤水分測量方法基本原理及其優缺點作一總結 , 在此基礎上提出未來土壤水分測量方法的發展方向。


  1   幾種主要的農田土壤水分測量方法


  目前 , 應用較廣泛的農田土壤水分測量方法有: 烘干法、張力計法、中子法、時域P 頻域反射儀等。


  111   烘干法


  烘干法 , 也叫稱重法或土鉆法。一般的做法是: 將用土鉆取好的土樣置于事先稱重的鋁盒 (若需要測土壤體積含水率 , 改用環刀取樣) 中稱重 , 然后一起放入烘箱 , 在105~110℃ (溫度過高 , 有機質易碳化散逸) 溫度下烘至恒重 (間隔3 h的測量差異不超過 3 mg) , 實際操作中一般烘12~14 h , 在干燥器中冷卻 20 min稱重即可 , 2 次重量的差即為土壤含水率。


  烘干法的優點是對硬件要求不高 , 就樣品本身而言結果可靠。一般認為 , 傳統的烘干法測得的土壤水分值是可信的 , 可作為其它各種土壤水分測量方法的校正標準。但它的缺點也是明顯的 , 烘干法費時、費力 , 深層取樣困難 ,取樣會破壞土壤 , 不能實現對土壤水分定點連續觀測 , 受土壤空間變異性影響較大。


  112   張力計法


  張力計法是1 種應用很廣泛的土壤水分測量方法 , 它測量的是土壤基質勢 , 即土壤水吸力。在應用張力計測量土壤含水率之前 , 必須建立土壤水吸力和當前土壤含水率之間的關系 , 即俗稱的土壤水分特征曲線。這種關系受土壤質地和結構的影響 , 在 1 個閉合的多孔陶瓷壓力盤產生不同壓力作用于測定土樣 , 測出土壤的不同殘余水分含量 ,便可得到對應的土壤水分特征曲線。


  張力計是1根充滿水的密閉的管子 , 一端有 1 個多孔陶瓷頭 (孔徑約 110~115μm) , 可插入土壤中 , 另一端連接1個負壓表。通過多孔陶瓷頭的吸力 , 水分不停地流動直到土壤水吸力與張力計的壓力達到平衡 , 這時壓力表指示的負壓值即為土壤水吸力。


  張力計法的優點是能夠比較準確地測量濕潤土壤的基質勢 , 能夠定點連續觀測 , 受土壤空間變異性的影響較小 ,而且設備低廉 , 適于灌溉和水分脅迫的監測。其缺點是讀數反應慢 , 需要長時間平衡后才能讀數 , 且量程較窄 , 僅能測定小于8 kPa 的土壤水吸力 , 不適用于極端干燥土壤。在長期測量過程中 , 如遇高溫干旱季節 , 需要給管子補充水分 , 且陶瓷頭易損壞 , 需要定期養護或更換 , 運行費用較高。土壤水勢測定儀就是采取張力計法的測量原理研制的,適用于任何的土壤性質監測。


  113   中子法


  中子法的原理是中子從 1 個高能量的中子源發射到土壤中 , 與土壤中氫原子 (絕大部分存在于水分子中) 碰撞后 , 能量衰減 , 這些能量衰減的中子可被檢測器檢測到 ,通過標定建立檢測到的中子數與土壤含水率的函數關系 ,便可轉化得到土壤含水率。


  利用中子儀測量土壤水分含量 , 只需預先埋設 , 測量時不破壞土壤結構 , 測量速度快 , 測量結果準確[1 ], 可定點連續觀測 , 且無滯后現象 , 但中子法并不能實現長期大面動態監測[2 ]。由于中子法測量的實際上是半徑約幾到幾十厘米的球體含水量 , 其半徑隨著土壤含水率大小而改變 , 所以土壤處于干燥或濕潤周期時 , 或對于層狀土壤以及表層土壤 , 中子法的測量結果并不可靠。對于高有機質土壤 , 有機質中的氫也會影響中子儀對土壤含水率的測定。另外 , 中子儀在使用前也需要田間校準 , 受土壤質地和容重的影響 , 室內外校準曲線差異較大[3 ], 同時中子儀設備昂貴 , 又需專門的防護設備 , 一次性投入大 , 特別是對人存在潛在的輻射危害 , 因此并不能廣泛應用。


  114   時域反射儀 (TDR)


  TDR (T ime Domain Reflectometry) 是 1 種介電常數法 ,其基本原理是高頻電磁脈沖沿傳輸線在土壤中傳播的速度依賴于土壤的介電常數 Ka , 而 Ka 主要受土壤水分含量支配 (20℃ 時 , 自然水、空氣和土壤顆粒的 Ka 分別為 80、1、3~5) 。根據電磁波在介質中傳播頻率計算出土壤的介電常數 Ka , 從而利用土壤介電常數和土壤體積含水量 ( θ v) 之間的經驗關系計算出土壤含水率。


  Ka 在電磁波頻率為1 MHz~1GHz時 , 與電磁波在電極(長度 L) 中往復的傳播速度 ( V) 呈如下關系:Ka = ( cP V)2= ( ct/ 2L)2


  (1)式中: c為光速 , c = 3 ×108mP s ; t為電磁波的傳達時間 ,s。 電磁波在各點的反射很明顯 ,可以很準確的計測出 t ,從而可用(1) 式計算出 Ka。 T opp等用TDR測定了電磁波的傳播時間 ,并得出該傳播時間在大部分土壤中與土壤體積含水率(θv) 的經驗公式[4 ]


  :θv = - 513 ×10- 2+ 2192 ×10- 2Ka - 515 ×10- 4K2a + 413×10- 6Ka3 當θv ≤016時 (2)但該經驗關系只適用于當 Ka →1 或 Ka →80136 (20℃)時 ,且主要適用于砂性土壤。


  TDR為新近發展起來的測定土壤含水率的主流方法 ,具有許多優點 , 如無核輻射 , 極其快速 , 可以定點原位連續測定 , 且測定值精確。在常規土壤中 , 這一儀器的測量誤差小于5 %。一般不需標定 , 測量范圍廣 (含水率 0~100 %) , 操作簡便 , 野外和室內都可使用 , TDR 探針可長期埋在土壤中 , 需要的時候再連上 TDR 測量。另外 , TDR受土壤鹽度影響很小 , 能夠測量表層土壤含水率 (中子儀法不行) 。但是 , TDR 的測量值受溫度、容重、土質的影響[5 - 6 ], 在導電率較高的土壤中 (如鹽堿地) , 其測量精度也會降低 , 對有機質含量高、容重特別高或特別低以及重黏土壤需要重新標定后才能使用。目前 , TDR 在國內的使用主要依賴進口 , 且價格較高 , 其應用也受到一定限制。


  115   頻域反射儀 (FDR)


  FDR (Frequency Domain Reflectometry) 測量土壤含水率的原理與 TDR類似[7 ], 利用電磁脈沖原理 , 根據電磁波在土壤中傳播頻率來測試土壤的表觀介電常數 K a 的變化 , 這些變化轉變為與土壤體積含水量成比例的毫伏信號。


  FDR的探頭由1對電極 (如平行排列的金屬棒) 組成 1個電容 , 其間的土壤充當電介質 , 電容與振蕩器組成 1 個調諧電路 , 振蕩器頻率 F 與土壤電容 C 呈非線性反比關系:


  F =12π L1C +1Cb015


  (3)式中:L 為振蕩器的電感; Cb 為與儀器有關的電容。 由于土壤電容 C隨土壤含水率的增加而增加 ,于是振蕩器頻率 F與土壤含水率的相關關系被建立。


  與 TDR相比 , FDR在電極的幾何形狀設計和工作頻率的選取上有更大的自由度 , 大多數 FDR探頭還可與傳統的數據采集器相連 , 從而實現自動連續監測。但是 FDR在低頻 ( ≤ 20 MHz) 工作時 , 比 TDR 更易受到土壤鹽度、黏粒和容重的影響。另外 , 與純粹的 TDR波形分析相比 FDR缺少控制和一些詳細信息。


  FDR具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程、少標定等優點[8 ], 不但測量精度高 , 而且價格不高 , 既可以單點測量也可以多點測量垂直深度的一段剖面。盡管 FDR方法還存在一些問題 , 如 FDR的讀數受到電極附近土壤孔隙和水分的影響 (TDR也是如此) , 對于使用探管的 FDR , 探頭、探管和土壤是否接觸良好對測量結果的可靠性有影響等 , 但 FDR方法確實遠遠優于現有的其它測定方法。


  2   結   語


  在測定土壤含水率的諸多方法中 , 烘干法簡單直觀 ,結果可靠 , 可作為其他測量方法的校準 , 但是烘干法采樣困難 , 破壞土壤 , 在田間留下的取樣孔 , 會切斷作物的某些根并影響土壤水分運動 , 不能定點連續觀測; 中子儀法可以在原位的不同深度周期性的反復測定而不破壞土壤 ,但是儀器的垂直分辨率較差 , 表層測量困難 , 且對人存在輻射危害。筆者認為 , 綜合性能較高的


  還屬技術較先進的時域反射儀法 (TDR) 和經濟型的頻域反射儀法 (FDR) , 它們都具有技術成熟、精度高、定點連續、便于攜帶的優點。TDR 由于具有快速、準確、可連續原位測定及無輻射等優點 , 多應用于便攜式的水分測定。FDR 由于具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程、少標定等優點 , 其探頭還可與傳統的數據采集器相連 , 在土壤水分的自動連續監測中表現出良好的發展勢頭。總之 , 智能化的農田土壤水分的監測仍然是未來土壤水分監測的發展趨勢。


  參考文獻:


  [1 ] Evett SR , JL. Steiner. Precision of neutron scattering and capacitancetype s oil water content gauges from field calibration. S oil Sci . S oc.Am. J . , 1995 , 59 (4) : 961 - 968.


  [2 ] 陳家宙, 陳明亮, 何圓球. 各具特色的當代土壤水分測量技術[J ] . 湖北農業科學, 2001 (3) : 25 - 28.


  [3 ] 陳本華. 中子儀室內外標定曲線誤差成因略析 [J ] . 核農學通報, 1995 , 16 (1) : 56 - 60.


  [ 4 ] T opp G. C. , Davis J . L. , Annan A. P. Electromagneticdetermination of s oil water content : measurement in coaxial transmissionlines [J ] . Water Res ourecs Research , 1980 , 16 : 574 - 582.


  [5 ] 姜小三, 倪紹祥, 潘劍君, 等. 溫度條件對TDR測定土壤水分的影響 [J ] . 江蘇農業科學, 2004 (4) : 102 - 104.


  [6 ] 龔元石, 曹巧紅, 黃滿湘. 土壤容重和溫度對時域反射儀測定土壤水分的影響. 土壤學報, 1999 , 36 (2) : 146 - 153.


  [7 ] G askin G J , Miller JD. Measurement of s oil water content using asimplified impedance measuring technique [J ] . Journal of AgriculturalEngineering Research , 1996 , 63 : 153 - 160.


  [8 ] 郭衛華, 李波, 張新時, 等. FDR系統在土壤水分連續動態監測中的應用 [J ] . 干旱區研究. 2003 , 20 (4) : 247 - 251.


邯鄲益盟多點土壤溫濕度記錄儀 土壤水分速測儀


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