水资源是民生之本,关系到子孙后代和国民经济发展水平。节约用水、高效用水乃众望所归,势在必行。这就需要一种输出稳定、成本低、适用于大多数土壤类型的测量,以及在生产实践中便于推广应用的土壤水分测试仪的问世。

1.2  各种土壤水分测量方法总览

从上世纪初至今,对土壤水分测量技术的探索从未间断过,各种测量技术也层出不穷。约有数十种方法得到提出,如烘干法、中子仪法、张力计法、电阻法、电容法、干湿计法、射线法、声学法、遥感法、时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、驻波法(SWR)等等。它们在各自所处的年代都凸显出了独一无二的魅力,但缺点尤存。

1.2.1 烘干法

烘干法是国际公认的经典测量法。其具体步骤为:称取质量为 的土样并置于105℃的烘箱中烘干至恒重,然后放在干燥器中冷却至室温再称得其质量为 。土壤质量含水量计算公式为:

 %

烘干法简便、直观、精度高。但费时、费力;取样时会破坏土壤,而且深层取样也比较困难;无法定点连续测量,给测量带来诸多不便。

1.2.2 张力计法

张力计法是一种应用相对广泛的土壤水分测量法。它的输入参数为土壤基质势(土壤水吸力),输出参数为土壤含水率[15]。张力计由一个可插在土壤中的多孔瓷头,一根充水的管子和一个负电压表所组成[19]。张力计法结构原理简单、设备低廉;可以在线定点连续测量;对土壤空间变异的影响不大。但测量反应慢;由于土壤水分能量关系比较复杂,所以在推求土壤含水量时会产生较大的误差;量程窄,土壤基质势不能大于 [19];费用昂贵,需要长期养护,从而限制了它的进一步发展。

1.2.3 中子仪法

中子仪是由探管和定标器两部分组成[19]。探管内有一个高能量的中子源,当发射到土壤中后,就会与土壤中的氢原子核碰撞,导致能量极剧衰减。由标定器检测到的这些中子转化得到土壤含水量[19]。中子仪法不破坏土壤结构,测量结果准确快捷;可长期定点连续测量且没有滞后反应。但不能实现长期大面积动态测量;土壤有机质中的氢会影响土壤含水量的测定;仪表价格昂贵,射线易泄漏,曾被禁止使用。

1.2.4 红外法

红外法是利用土壤的水谐振吸收特性来测量土壤含水率的[19]。当红外线穿过土壤时,能量会衰减,而衰减量是土壤含水率的含数。红外法测量简单、快速、不破坏土壤结构;能长期定位连续测量;但仅能测量表层土壤含水量;受土壤表面粗糙度的影响较大。

1.2.5 电阻法

电阻法是一种较为久远的方法。电阻是由多孔渗水介质制成的,电阻的大小与土壤含水率相关[19]。当把嵌有电极的电阻放入土壤后,待电阻块中的水势和土壤水势相平横时,测量电阻块的电阻,从而求出土壤水势。电阻法成本低,可在线实时测量;但测量范围窄,有滞后反应;电阻比较容易腐蚀;只适用于非盐碱地区。

1.2.6 时域反射法(TDR)

时域反射法是国际上技术最为先进的水分测量法。它是根据电磁波在介质中的传播速度计算出土壤介电常数[16],从而换算出土壤容积含水率。该方法操作简单、测量快速准确、可长期定点测量,且受土壤盐碱度影响小;但电路复杂,设备昂贵,难以测量表层土壤含水量。

1.2.7 频域反射法(FDR)

频域反射法的测量原理和TDR类似。利用失量电压测量技术[1],在理想测试频率下将土壤介电常数分解为实部和虚部,由实部换算出土壤含水率。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;但技术难度大,精度不及TDR;受土质影响较大。

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