土壤水分测定方法介绍

土壤水分测定方法包括烘干法、中子法、TDR、FDR、电阻法、电容法、遥感方法、地探雷达等。 

烘干法

烘干法包括经典烘干法和快速烘干法。

经典烘干法是国际上仍在沿用的测定土壤水分标准方法。此方法操作过程为在田间地块选择代表性取样点, 按照观测规范要求深度分层取得土样, 将土样放入铝盒并立即盖好, 以减少水分蒸发对测量结果的影响。对装有土样的铝盒进行称后打开盖子, 置于烘箱内, 将温度设为105-110℃对土样烘干约6-8h, 直至土样重量不再变化, 对干土及铝盒进行称重 。

此方法简便、可靠, 测定精度较高, 所需的工具均为常规农气观测设备, 容易得到。不足之处是观测人员较为辛苦, 野外取样的工作量大, 烘干至恒重需时较长, 不能及时得出结果;定期测定土壤含水量时, 不能在原处再取样, 而不同位置上由于土壤的空间变异性, 给测定结果带来误差, 而且对土壤有一定的破坏性。

快速烘干法包括红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃烧法等。这些方法虽可缩短烘干和测定的时间, 但需要特殊设备或消耗大量药品, 也不能避免由于每次取出土样和更换位置等所带来的误差。

中子法

中子法是把一个快速中子源和慢中子探测器置于套管中, 埋入土内。其中的中子源以很高速度放出中子, 当这些快中子与水中的氢原子碰撞时, 就会改变运动方向, 并失去一部分能量变成慢中子。土壤水越多, 氢越多, 产生的慢中子也就越多。慢中子被探测器和一个定器量出, 经过校正可求出土壤水的含量。中子法较精确并且克服了烘干法的一些缺点, 可以实现对土壤水分的定点连续观测, 设备只能测出较深土层中的水, 而不能用于土表的薄层土。另外在有机质多的土壤中, 因有机质中的氢存在干扰作用而影响水分测定的结果。

时域反射仪TDR

TDR法是20世纪80年代初发展起来的一种测定方法, TDR土壤水分测量系统具有方便、快速、精确、不扰动土壤等优点。Topp[1]最早发展TDR法, 并认为当温度在10~36℃, 实际含水量在0~0.35cm3/cm3变化时, 此法不受土壤质地、容重、温度等物理因素的影响。

利用TDR测定土壤含水量, 在观测土壤水分过程中可以不破坏土壤原状结构, 操作简便, 能长期连续工作, 具有非常明显的优点。利用TDR连续测量土壤含水量的同时, 还可得到土壤的体积电导率[2,3];由土壤中溶液的电导率则可进而精确推算土壤溶液的盐分浓度[4]。TDR的优越性是土壤水分和土壤的溶质可以同时在同一个体积元中测定。

TDR的测量值精度受质地、容重以至温度等物理因素的影响。

频域反射仪FDR

FDR型土壤水分监测仪是一种利用LC电路的振荡, 根据电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的介电常数ε, 进而通过一定的对应关系反演出土壤水分θv的仪器。该仪器安装时要垂直植入土层中, 其核心为内部的一单杆多节式传感器, 可以根据需要增加、减少传感器的数量, 也可以调整传感器的位置来测量不同深度的土壤含水量, 外部有对电磁波透明的PVC材质所制造的保护套管, 可防止水或其他流体干扰内部的电子元器件影响监测结果。

其变化要受到电感 (L) 与电容 (C) 变化的影响, 由于此仪器采用固定的电感值, 因此, 振荡频率的变化取决于电容的改变, 而电容的改变受到两铜环之间套管外的土壤部分影响, 所以通过对频率的分析就可反演出土壤的含水量。

由于水的介电常数远远大于土壤基质中其它材料的介电常数和空气的介电常数, 因此土壤的介电常数主要依赖于土壤的含水量, 这也是能够用FDR法测量土壤含水率的先决条件。

FDR型土壤水分监测仪是通过测量土壤的介电特性来反演土壤水分含量的, 因此它的测量精度与土壤的容重、颗粒状态、盐度等有密切的联系。由于自动监测仪的位置是固定不变的, 而人工取土的地点是不断变化的, 容易造成自动监测仪与烘干法对比时产生误差。此外FDR仪器的安装过程, 不同的土质类型的参数设置等因素增加了误差的可能。

电阻法和电容法

电阻法所用的传感器元器件价格低廉, 不易腐坏, 可以定点埋设, 与数据自动采集系统连接可以实现遥测, 在埋设探头时会破坏土壤结构, 测值存在滞后现象, 测定结果易受温度和土壤溶盐的影响, 对各种不同质地的土壤测定时要分别进行标定。电容法与电阻法有相似的优缺点, 耐腐蚀, 造价低, 适宜定点不取样遥测。与电阻法相比, 电容法受土壤盐分的影响较小。电容法对土壤接触状况敏感, 易受土壤物理结构的影响。

探地雷达法

探地雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术。若能将先进的GPR技术的应用于地下潜水资源勘探, 将具有重大现实意义。

探地雷达工作原理

探地雷达勘探是一种以地下不同介质的介电常数差异为基础的物探方法。它通过发射天线向地下发射高频电磁脉冲, 在向地下传播过程中, 遇到介质的介电常数变化的界面时会产生反射, 接收天线接收返回地面的反射波, 将其传入仪器内进行显示和记录。

电磁波在介质中传播时的路径、电磁场强度和波形与所穿过介质的介电性质密切相关。对大多数地质环境, 水是引起介电常数差异的主要因素。在介质均一的情况下, 含水量的微小变化将会引起介质的介电常数较大改变, 介质中含水率增加, 介电常数值也会增大, 而电磁波在介质中的传播速度则会降低。介电常数的差异则有利于雷达剖面图同相轴的形成与判别。在地下潜水面与毛细水带附近必将形成反映地下潜水面信息的同相轴, 这正是GPR探测潜水埋深的理论基础。

误差分析

GPR探测精度除受探测方式与数据处理方法影响外, 还受天线频率、毛细水带、地表起伏等因素影响。分辨率是探地雷达的重要技术参数, 在探测潜水埋深的工作中垂直分辨率应重点考虑。垂向分辨率主要取决于脉冲讯号的宽度, 雷达天线的脉宽大致为1个波长, 因此雷达天线选定之后, 视探测讯号的信噪比情况, 分辨率约为该天线主频的1/4或1/2波长。在相同地介质条件下, 天线频率越低, 探测深度越深, 反之亦然。因此潜水位埋深越大, 所需天线频率就越低。天线频率的降低势必降低GPR的垂直分辨率, 从而降低探测的精度。

GPR优缺点

探地雷达具有探测效率高、数据采集到资料处理成像一体化、抗干扰能力强、探测分辨率高、对土壤具有非破坏性等优势。但探地雷达用于土壤水分的测定技术尚不成熟, 对黏土和盐碱土水分测定误差较大。