服务热线: 4009966754 010-82654320

土壤水分测量方法

发布时间:2020-05-25


国内外的土壤水分测定方法主要有以下几种:滴定法,Karl Fischer法,称重法,电容法,电阻法,γ射线法,微波法,中子法,核磁共振法,时域反射法(TDR),土壤张力法,FDR频域反射,探地雷达法(gpr)、分离示踪剂法(PT)、石膏法和红外遥感法。这几种土壤水分测定方法在应用中的地位是不一样,下面着重介绍土壤水分测定方法中常用的几种方法。

1)称重法:又称烘干法,即取土样放入烘箱,烘干至恒重。此时土壤水分中自由态水以蒸汽形式全部散失掉,再称重量从而获得土壤水分含量。烘干法还有红外法、酒精燃烧法和烤炉法等一些快速测定法。

2)中子法:将中子源埋入待测土壤中,中子源不断发射快中子,快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞,快中子损失能量,从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时,损失能量最大,更易于慢化,土壤中水分含量越高,氢原子就越多,从而慢中子云密度就越大。中子仪测定水分就是通过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量。

3γ射线法:与中子仪类似,γ射线透射法利用放射源137Cs放射出γ线,用探头接收γ射线透过土体后的能量,与土壤水分含量换算得到。

4FDR (FrequencyDomainReflectometry)FDR 的探头称为介电传感器 (Dielectric Sensor) ,主要由一对电极 (平行排列的金属棒或圆形金属环) 组成一个电容,其间的土壤充当电介质,电容与振荡器组成一个调谐电路。FDR应用100MHz正弦曲线信号,通过特殊设计的传输线到达介电传感器,介电传感器的阻抗依赖于土壤基质的介电常数。FDR 使用扫频频率来检测共振频率(此时振幅最大),土壤含水量不同,发生共振的频率不同。

5)时域反射法:高频电磁脉冲沿传输线在土壤中传播的速度依赖于土壤的介电特性。在一定的电磁波频率范围内 (50 M10 GHz) ,矿物质 、空气和水的介电特性为常数,因此土体的介电常数主要依赖于土壤容积含水量 (极微弱地依赖于土壤类型 、紧实度 、束缚水等),这样可以建立土壤容积含水量与土壤介电常数的经验方程。 TDR 通过测量高频电磁脉冲在土壤中的传播速度求得土壤的介电常数,从而计算出土壤的含水量。

6)探地雷达法(GPR:当高频雷达脉冲到达介电性质显著不同的两层物质界面时,部分信号被反射,由接收装置接收反射信号,并将其放大。反射信号的大小决定于两物质介电常数的差值大小和雷达波穿透深度。土壤含水量是影响介电常数的主要因子,而雷达脉冲穿透深度又受到土壤中水分含量的显著影响。

7)核磁共振法(NMR:利用经由不同激光发脉冲矩激发产生的核磁共振信号的初始振幅值与所探测范围内自由水含量成正比这一性质来探测水分含量的。

8)分离示踪剂法(PT:将非分离示踪剂和分离示踪剂通入气相系统中,分离示踪剂溶解于水,使得其在气相中的运移相对滞后于非分离示踪剂。且滞后因子为土壤含水量与亨利常数的函数。

不同测量方法优缺点

测量方法

优点

缺点

称重法

相对其他测量方法,测量结果最可靠

取样时会破坏土壤,深层取样困难,难以进行长期原位监测,且操作繁琐,费时费力

中子法

适用于田间土壤水分动态监测,能长期定位多土层连续测定,可记录数据

需要进行校准,设备昂贵,投入大;对土壤采样范围为一球体,某些情况下,测量结果出现偏差;此外,中子仪还存在潜在辐射危害

γ射线法

快速准确,可对土壤进行连续自动测量监测

受土壤密度容重影响大,仅适于实验室测定

TDR

TDR设备响应时间约10-20秒,适合移动测量和定点监测,操作简单,且测定结果受盐度影响很小

盐度增加时,脉冲信号从导波棒末端的反射会减弱,影响测量结果;在一些高有机质、高黏土矿物含量土壤,容重过高或过低时需要进行标定;此外,TDR仪电路复杂,价格比较昂贵

FDR

简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定,具有TDR几乎所有的优点

FDR读数受电极土壤孔隙的影响比较大,需与土壤紧密接触;低频(20MHz)下受土壤盐度影响比较大

探地雷达法(GPR

快速、无损、非扰动、适用于大范围内土壤含水量的监测

该技术刚起步,未达到成熟的地方,需要进一步探索其应用

核磁共振法(NMR

能够探测地下水资源,测定冻土区未冻土壤含水量、以及为土壤水分含量及特性提供重要的定性定量信息和动态行为描述

NMR信息与土壤物理本质之间的关系存在不确定因素,需对NMR信息进行仔细分析,才能获取较准确的结果;易受电磁噪声干扰,仍需进一步探索

分离示踪剂法(PT

能够测定从小尺度至区域尺度下的土壤水分,而且测深不限,还能适应特殊需求的测定;同时,还能测定田间尺度下的土壤水分区域分布,还能确定土壤水分的垂直分布

用于区域土壤水分测定时,需增加示踪剂的用量,导致费用高昂,且分离示踪剂法在较理想的条件下测得水分含量结果精度较高。

 

目前,市场上大部分水分测试仪的基本原理与TDRFDR法类似,均是利用电磁波或电流与土壤介电常数之间的函数关系来测量土壤水分的。从电磁角度看,土壤由4种介电物质组成:空气、土壤固体物质、束缚水和自由水。在无线电频率、标准状态时(20℃,1大气压)纯水的介电常数为80.4,土壤固体物质约37,空气为1。水中有盐存在时会直接影响其介电特性,特别是在低频(<30MHz)时。许多试验表明土壤表观介电常数与容积含水量存在非线性关系,当频率>1GHz时,非线性的原因主要是因为土壤束缚水的存在,束缚水的多少与土壤比表面有关。因此在一定频率(100mhz-200mhz)下,利用FDRTDR仪能够满足对盐碱地的测量。

冯磊等[1]在基于TDT原理的土壤水分测试仪研究中对比了砂土和壤土的不同测量结果,其中砂土电导率为0.06dS/m,壤土为0.15dS/m,结果表明TDT仪测量结果与称量法相比均方误差分别为0.029cm3/cm30.039cm3/cm3,能准确测量出该盐度的土壤水分。赵艳东[2]潘延鑫[3]研究表明,100MHZde TDT仪和TDR仪能够满足高盐碱土壤、高有机土壤水分实时检测的要求。目前TDR仪和FDR仪已广泛应用于盐碱地土壤水分测量中[4-5]

其他方法中,烘干法应用依然十分广泛,而中子法在区域(半径在几百米)土壤水分测量和监测中具有很大应用潜能[6-7],其他方法由于自身的局限性,没有得到广泛应用。

 

参考文献:

[1]    冯磊, 杨卫中, 石庆兰, . 基于时域传输原理的土壤水分测试仪研究[J]. 农业机械学报, 2017, 48(3): 181-187.

[2]    赵燕东, 高超, 刘卫平, . 基于相位检测的高盐碱与高有机土壤水分传感器研究[J]. 农业机械学报, 2015, 46(9): 151-158.

[3]    潘延鑫, 罗纨, 贾忠华, . TRIME-T3 用于盐碱地土壤含水量测定的试验研究 [J]. ARID LAND GEOGRAPHY, 2017, 40(1).

[4]    苏雪玲, 郑国琦, 刘根红, . 盐碱地采果期土壤水分对宁夏枸杞品质的影响[J]. 西北农业学报, 2015, 24(11): 126-132.

[5]    寇丹, 苏德荣, 吴迪, . 地下调亏滴灌对紫花苜蓿耗水, 产量和品质的影响[J]. 农业工程学报, 2014, 30(2): 116-123.

[6]    赵纯, 袁国富, 刘晓, . 宇宙射线土壤水分观测方法在黄土高原草地植被的应用[J]. 土壤学报, 2015, 6: 025.

[7]    焦其顺, 朱忠礼, 刘绍民, . 宇宙射线快中子法在农田土壤水分测量中的研究与应用[J]. 地球科学进展, 2013, 28(10): 1136-1143.