為什么要測(cè)量土壤含水量，土壤水分測(cè)量的方法

土壤含水量影響農(nóng)作物收成和水保的重要因素之一。土壤濕度對(duì)于制定灌溉進(jìn)程，水與溶質(zhì)流的評(píng)價(jià)，凈輻射潛熱與顯熱的劃分等方面都有重要的意義。

作為預(yù)測(cè)水源耗竭模式中的重要參量，土壤濕度在水文學(xué)中是很重要的。在大氣數(shù)值模式中，陸氣相互作用的模擬及水氣循環(huán)的其他參量，也要求測(cè)量土壤濕度，衛(wèi)星遙感評(píng)價(jià)的驗(yàn)證，也要求測(cè)量地表土壤水分。

總之:土壤含水量對(duì)灌溉控制,生態(tài)研究,渦度協(xié)方差,坡度穩(wěn)定性氣候科學(xué)等研究都具有重要的意義. 土壤中水分的多少有兩種表示方法：以土壤含水量和土壤水勢(shì)表示。

土壤含水量:

1、常見(jiàn)的含水量表示方法有質(zhì)量含水量和體積含水量:

質(zhì)量含水量：土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值

體積含水量：水的體積與樣品總體積的比即是體積含水量. 兩者之間的關(guān)系式 體積含水量等于質(zhì)量含水量乘以容重. (ρb) : 容重, 單位體積的重量.

2、土壤含水量有三個(gè)重要指標(biāo)：

（1）土壤飽和含水量，表明該土壤最多能含多少水，此時(shí)土壤水勢(shì)為0。

（2）田間持水量，是土壤飽和含水量減去重力水后土壤所能保持的水分。重力水基本上不能被植物吸收利用，此時(shí)土壤水勢(shì)為-0.3巴。

（3）萎蔫系數(shù)，是植物萎蔫時(shí)土壤仍能保持的水分。這部分水也不能被植物吸收利用，此時(shí)土壤水勢(shì)為-15巴。

3、土壤水分測(cè)量方法：

3.1、傳統(tǒng)方法：

烘干稱(chēng)重法 、中子儀法、張力計(jì)法、射線(xiàn)法、電阻法

3.2、土壤介電特性測(cè)量含水量 (介質(zhì))：

時(shí)域反射法: (TDR)

頻域反射法(FDR) 與 電容法

3.3、熱脈沖傳感器

3.4、紅外（微波）遙感法

4、幾種測(cè)量方法的比較：

5、介電常數(shù)：(permittivity)

介電常數(shù)來(lái)自于庫(kù)侖定律，庫(kù)侖定律是電磁場(chǎng)理論的基本定律之一。真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與這兩個(gè)電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線(xiàn),同性電荷相斥，異性電荷相吸。

………………………………………….①

F（電荷間相互作用力），K（庫(kù)侖常數(shù)），Q1，Q2（兩個(gè)點(diǎn)電荷電量）。

由于歷史原因，庫(kù)侖常數(shù)常被寫(xiě)成以下形式：

………………………………………….②

K（庫(kù)侖常數(shù)），ε0（真空介電常數(shù)），ε0=8.85*〖10〗^(-12)法拉/米

介電常數(shù)是一個(gè)表征電荷在介質(zhì)中相互作用力大小的量，從電場(chǎng)強(qiáng)度角度來(lái)看，介電常數(shù)是表征介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)弱的量。

將一對(duì)電偶極子(什么是電偶極子)放在兩個(gè)點(diǎn)電荷之間，這兩個(gè)點(diǎn)電荷的庫(kù)侖力會(huì)減小，見(jiàn)下圖：

電偶極子

上圖中F12是真空中q1對(duì)q2的作用力，介電常數(shù)為ε0，下圖中f12是加了電偶極子后q1對(duì)q2的作用力，介電常數(shù)為ε1。不難從計(jì)算得出F12>f12，ε1>ε0。所以我們將所有導(dǎo)致介電常數(shù)增大的物質(zhì)定義為電介質(zhì)。

介電常數(shù)是一個(gè)比較復(fù)雜的常數(shù)(ε0=8.85*〖10〗^(-12))，為簡(jiǎn)化計(jì)算和便于分析問(wèn)題，廣義介電常數(shù)或相對(duì)介電常數(shù)定義為電介質(zhì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)的比值,這只是個(gè)習(xí)慣性定義,沒(méi)有實(shí)在的意義,大家在以后看見(jiàn)的公式或閱讀的除物理學(xué)以外的文獻(xiàn)中所提到的介電常數(shù)一般指相對(duì)介電常數(shù)，我們簡(jiǎn)稱(chēng)介電常數(shù)，用K表示。

…………………….……………………….③

K(相對(duì)介電常數(shù)), 相對(duì)介電常數(shù)K有時(shí)也會(huì)被表示為④式：

…………………….…………………..…….④

C1（有電介質(zhì)的電容）， C0（真空電容）。

6、介電常數(shù)與土壤水分的關(guān)系：

TDR和FDR是目前流行的土壤水分測(cè)量方法，兩者都是通過(guò)測(cè)量土壤的介電常數(shù)來(lái)得到土壤體積含水量的。因此他們又被稱(chēng)為介電常數(shù)傳感器。

從電磁理論角度來(lái)看，土壤由四種介電物質(zhì)組成：空氣，土壤固體物質(zhì)，自由水和束縛水。在無(wú)線(xiàn)電頻率，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)（20℃，1個(gè)大氣壓）純水的介電常數(shù)為80.4，土壤固體物質(zhì)約為3～7，有機(jī)質(zhì)為2～5，空氣為1.由于這種較大的介電常數(shù)差值，濕土壤的介電常數(shù)主要依賴(lài)于土壤中水分的含量。

7、測(cè)量原理：

7.1、TDR測(cè)量原理：

電磁波在探針上的傳輸時(shí)間決定于傳輸速度和探針的長(zhǎng)度，速度取決于探針周?chē)橘|(zhì)的介電常數(shù)，土壤介電常數(shù)的公式如下：

上式中L為實(shí)際探針的長(zhǎng)度，C為真空中的電磁波傳輸速度，t是傳輸時(shí)間，εb為介電常數(shù)

（如：TDR350 、TDR200、SoilVUE 、HD2 便攜式土壤水分速測(cè)儀、都是TDR 測(cè)量原理）

7.2、反射法測(cè)量原理：

周期t與介電常數(shù)有關(guān)。代表性傳感器：

=?周期 (us) ，Sf= 比例因子 ，L= 探針長(zhǎng)度 (m) ， td= 時(shí)間 (s)， c= 光速 (299.79 m/s)

（如：CS616 、CS655 、CS650、HS2 采用的是反射法測(cè)量原理 )

7.3、頻域反射法 FDR:

傳感器向周?chē)l(fā)射高頻電磁波，電磁波進(jìn)入周?chē)寥?，土壤中水分子被極化后會(huì)引起共振，共振頻率與土壤的介電常數(shù)有關(guān)系。電容兩個(gè)電極間檢測(cè)到的高頻信號(hào)會(huì)受到水分子共振頻率的嚴(yán)重影響，水分子越多，檢測(cè)到的高頻信號(hào)越小。

(ML3便攜式土壤水分速測(cè)儀、SM150便攜式土壤水分速測(cè)儀、PR2-6 土壤水剖面分速測(cè)儀、 PR2-4 土壤水剖面分速測(cè)儀、smart 是FDR 測(cè)量原理)

7.4：TDT 測(cè)量原理

和TDR技術(shù)類(lèi)似，TDT(Time domain transmission)時(shí)域傳輸法也是基于測(cè)量土壤介質(zhì)的介電常數(shù)來(lái)確定土壤含水量的.不同的是, TDT探頭發(fā)射的電磁波在介質(zhì)中是單向傳播的, 檢測(cè)的是電磁波單向傳輸后的信號(hào),不需要獲取反射信號(hào).

如下圖:TDT探頭電磁波的發(fā)射端和接收端在探針的兩端, 行成一個(gè)閉路.通過(guò)測(cè)定電磁波單 程傳播到接收端時(shí)接收 信號(hào)和初始發(fā)射信號(hào)之間的壓差來(lái)反映 介電常數(shù).在探針長(zhǎng)度固定,脈沖頻率一定的情況下, 電壓差的大小取決于 介質(zhì)的介電常數(shù),對(duì)于土壤來(lái)說(shuō),就是取決于土壤含水量

（如： TDT 傳感器）

7.5：雙針熱脈沖原理：

通過(guò)間接測(cè)量容積熱容來(lái)測(cè)定容積水含量的方法恒流通過(guò)加熱元件在一個(gè)針產(chǎn)生熱通量用熱電偶或熱敏電阻在其他針上測(cè)量溫升。

特征：小體積測(cè)量。

缺點(diǎn)：受土壤溫度梯度影響（時(shí)間、深度）土壤體積小

8、土壤含水量測(cè)量影響因素：

8.1、土壤孔隙 ：

如果土壤與探針件的距離太大，測(cè)量的是空氣的介電常數(shù) ，而不是土壤的。

8.2 、電導(dǎo)率

土壤電導(dǎo)率是土壤鹽分的重要指標(biāo)，在使用TDR測(cè)量高含鹽量的土壤時(shí)，鹽分會(huì)衰減反射回來(lái)的電磁波，影響反射時(shí)間，從而影響了土壤含水量的測(cè)量

8.3、土壤容重和有機(jī)質(zhì)：

一般情況下，當(dāng)土壤干密度在1.1～ 1.7 g/cm^3范圍之內(nèi)時(shí)，土壤密度對(duì)土壤水分測(cè)量的影響可以不予考慮，而當(dāng)土壤干密度> 1.7 g/cm^3或<1.1 g/cm^3 時(shí)，就需要校正。

審核編輯：符乾江