王賽宵，李清河，徐 軍，趙英銘

（1.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京100091；2.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心，內蒙古磴口015200）

水資源短缺是一個世界性問題，全球干旱、半干旱地區(qū)涉及50多個國家和地區(qū)，約占全球陸地面積的34.9%[1-2]。我國干旱半干旱地區(qū)面積占國土面積的40%[3]，且還在不斷擴大。近年來，隨著全球氣候變暖，由大氣干旱導致的土壤干旱已成為制約植物生長的主要氣象災害。眾所周知，土壤水分是植物生長發(fā)育不可或缺的環(huán)境因素之一，而土壤水分供給的有效性更是植物生存的制約因素；土壤水分含量、運行狀況以及分布特性已成為決定植被恢復及重建的重要因素之一[4]。土壤水分含量準確及時的測定有利于研究和了解土壤水分動態(tài)變化規(guī)律和空間立體分布，其測定方法的研究主要體現(xiàn)在如何快捷、準確、經(jīng)濟地測定土壤含水量方面。

干旱半干旱地區(qū)土壤水分的測定依據(jù)其不同特點需要采取相應的測定方法。測定方法按照直接取土樣與否，可分為直接法和間接法兩大類。前者直接取土樣測定其含水量，而后者則通過對與土壤含水量有關系的其他物理量的測定來確定土壤含水量。

1 直接法

1.1 烘干法

直接法中的烘干法，是目前最通用的一種方法，也是一種測定精度最高的基準性方法[5]?？捎糜谵r田水利，也可用于工程質量控制，其常規(guī)操作為：將土樣稱重后放入烘箱，在105～110℃下烘干至恒質量后，測得烘干土質量，再根據(jù)該值計算蒸發(fā)損失量，由此得到土壤水分含量。雖然該方法所需環(huán)刀、土鉆、烘箱等均為常規(guī)儀器設備，較易獲取，但野外取樣時工作量大，費時費力，取樣時還會破壞土壤結構，在定點測量時由取樣換位帶來的誤差也難以避免，因此在大多數(shù)情況下難以進行長期原位監(jiān)測，且受土壤空間變異性影響也比較大。

該方法烘干土樣耗時較長，為彌補此缺陷，又提出了鍋炒法、酒精燃燒法、紅外線法等快速烘干的方法。對于細粒土及有機質含量較高的土樣，由于土粒極易掉落或難以避免由燃燒不均導致的誤差，所以前兩類方法并不適用。紅外線法測定精度雖高，但卻需要專門的儀器來實現(xiàn)其試驗要求。

1.2 瓶筒法

取廣口瓶、量筒或其他類似的容器充滿水，稱其重W1；再稱已取土樣W2，并將土樣放入上述容器中，加水至容器容積1/2左右，進行充分的攪拌，以盡量排出土樣中的空氣，然后加水到滿瓶，稱其重W3（W1，W3均包含廣口瓶玻璃蓋質量）。若105～110℃溫度下土樣烘至恒質量時的質量與同體積4℃時純水的質量之比，即土粒比重為GS，則土壤含水量w（以百分數(shù)表示）為：

該方法不需要烘干土樣，所需儀器也較為簡單，從理論上講有很高的測定精度，但由于土樣中空氣的排除程度不能完全掌握，導致測量精度不穩(wěn)定。

2 間接法

間接法是在現(xiàn)場埋設各種傳感器測定，不需要采取土樣，可以進行重復觀測和連續(xù)觀測。

2.1 電阻法

布氏（Bouyoucos）等提出的電阻法又稱塊體法，是間接法中最通用的一種。通常以石膏塊作為它的傳感器，石膏塊中有1對電極，由率定電阻—土壤含水量曲線，查出與傳感器所傳達的電阻值相對應的土壤含水量[5]。該方法所用的傳感器元器件價格低廉，不易腐壞，可以定點埋設，并通過與數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)連接實現(xiàn)遙測[6]。但該方法埋設探頭時在一定程度上會造成土壤結構的破壞，測定土壤水分時存在滯后現(xiàn)象[7]，測定結果易受溫度和土壤溶鹽的影響。因此，對于不同質地的土壤，測定時要分別進行標定，以保證測量精度。

2.2 射線法

射線法的原理是射線直接穿過土體時能量會衰減，衰減量是土壤含水量的函數(shù)，通過射線探測器計數(shù)，經(jīng)過校準后得出土壤含水量[8]。此類方法包括中子儀法、γ-透射法等。

中子儀測定土壤水分的基本原理是：將中子源埋入待測土壤中，中子源不斷發(fā)射快中子，快中子進入土壤介質與各種原子、離子相碰撞導致其能量損失，進而慢化為熱中子。而與氫原子碰撞時，快中子的能量損失最大，更易于慢化。土壤中水分含量越高，氫原子含量也就越高，熱中子云密度越大。中子儀測定水分就是通過測定慢中子云的密度與水分間的函數(shù)關系來確定土壤中的水分含量[9]。該方法可用于監(jiān)測土壤水分動態(tài)，且套管永久安放后對土壤結構不造成破壞，可以實現(xiàn)長期連續(xù)的定位觀測，不受土壤水分物理狀態(tài)限制且無滯后現(xiàn)象；通過數(shù)據(jù)自動記錄系統(tǒng)與計算機連接可成為原位測定土壤含水量的較好方法，并得到廣泛應用。

王文焰等[10]研究表明，γ-透射法于1950年由Belcher等提出，經(jīng)室內和田間實驗驗證，該方法測量土壤含水量的精度被證實不低于烘干法[11]。由于該法可在瞬時狀態(tài)下較為準確地測定土壤水分剖面的變化，并具有層間分辨率高等特點，因而愈來愈受到國內研究者的重視，取得了較多研究成果[12-14]。雙能γ-透射法的問世，使得該方法可以同時測定土壤容重和含水量[15]。但是由于受放射源防護、設備不完善以及測試過程中其他技術性的問題限制，如何正確使用和提高γ-透射法精度成為長期以來人們關注的問題。

2.3 介電特性法

由于包含的信息豐富，能夠反映土壤理化性質，土壤介電特性測量理論與方法的研究近年來受到了廣泛關注[16-19]。大量實驗事實表明，土壤介電常數(shù)不受土壤的構成成分和質地影響，且與體積含水量總是呈非線性單值函數(shù)關系。各種介電特性測量法均是通過測量土壤水分含量對土壤介電特性實部和虛部影響程度來實現(xiàn)的。綜上所述，通過測定土壤介電常數(shù)就可以間接確定土壤含水量。

時域反射儀法（Time Domain Reflectometry，TDR）是一種出現(xiàn)于20世紀60年代末的介電特性測定方法。TDR原理為：由于土壤中水的介電常數(shù)遠大于土壤中的固體顆粒和空氣的介電常數(shù)，因此隨土壤水分含量升高，土壤介電常數(shù)值增大，而沿波導棒的電磁波傳播時間也隨之延長。通過測定土壤中高頻電磁脈沖沿波導棒的傳播時間再計算出傳播速度，進而就可以確定土壤含水量[8]。由該方法獲得的含水量是整個探針長度范圍內的平均值，所以同一土體中埋置方式的不同可能會得到不同的結果。因此，在使用TDR時，應根據(jù)實驗要求選擇適宜的探針埋置方式。

由于垂直分辨率高，該方法測定土壤表層的含水量比中子儀精度要高得多[20]，加之具有快速、準確、安全無任何輻射、便于自動控制等特點，TDR法現(xiàn)受到極大的推崇。該法可以在原位連續(xù)測量，且測量范圍廣；它既可以做成輕巧的便攜式進行田間即時測量，又可通過導線與計算機相連，完成遠距離多點自動監(jiān)測。測定精度要求較低時，TDR一般不需標定，但當誤差要求很小時，需進行標定或校正[21]。該儀器目前主要依賴進口，且價格相當昂貴，不適宜鹽堿土測量，在測定時測點要埋多個探頭。

頻域反射儀（Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR）測量土壤含水量的原理與TDR類似。FDR是采用電磁脈沖的原理，根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測試土壤的介電常數(shù)（主要依賴于土壤的含水量），來得到土壤含水量。FDR的探頭稱為介電傳感器，主要由1對電極（平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán)）組成1個電容，其間的土壤充當電介質，電容與振蕩器組成一個調諧電路，頻率信號通過特殊設計的傳輸線到達介電傳感器，而振蕩器頻率與土壤含水量呈非線性反比關系。FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率（此時振幅最大），土壤含水量不同，發(fā)生共振的頻率不同。有些儀器，如英國Delta-T公司生產(chǎn)的一些土壤水分測定儀就是采用FDR原理，傳感器發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達底部后返回，檢測探頭輸出電壓，由輸出電壓和水分的關系則可計算出土壤的含水量。

2.4 遙感法

遙感法（Remote Sensing）是一種非接觸式、大面積、多時相的土壤水分監(jiān)測方法。遙感監(jiān)測土壤水分的可行性研究始于20世紀60年代，其應用研究開展于70年代中期。土壤及其水分具有不同的光譜反射特性，影響它們的內在和外在因素很多，對于特定環(huán)境條件下的土壤來說，其水分狀況往往處在一種動態(tài)變化之中。因此，通過各種傳感器來接收土壤水分的光譜信息，并經(jīng)過相應的信息處理技術，結合地面必要的調查，估測土壤水分狀況是可行的[22-23]。

遙感法中所涉及的波段很寬，從可見光、近紅外、熱紅外到微波都有一定的研究。尤其在熱紅外、微波遙感監(jiān)測土壤水分研究方面取得了可喜的進展。微波遙感雖具有全天時、全天候、多極化和一定的穿透特性等優(yōu)點，但由于眾多影響土壤水分變化的因素中，土壤質地、容重、地表坡度和植被覆蓋等也對雷達等微波遙感監(jiān)測土壤水分造成影響，因此用于監(jiān)測土壤水分的傳感器，必須要有較高的地面分辨率，同時要有對土壤水分較為敏感的波段。單純地采用一種方法可能會產(chǎn)生較大的偏差，必須借助于其他輔助措施進行修正[22]。因此，多種遙感技術的聯(lián)合應用以及與地面技術的結合是目前遙感技術的主要方向。且就目前技術手段發(fā)展的水平來看，遙感法只適合區(qū)域尺度下土壤表層水分狀況的實時動態(tài)調查，而非田間尺度下深層土壤水分的監(jiān)測，因而對其理論模型、成像機制與極化方式、土壤水分、地表粗糙度和植被覆蓋等的關系還有必要進行更加深入的研究。

3 結語

土壤含水量的測定方法還有很多[24]，且新的測定手段也不斷出現(xiàn)[25-26]。土壤含水量的測定方法還包括計算機斷層掃描法（CT）、探地雷達法（GPR）、磁共振法（NMR）、分離示蹤劑法（PT）等，同類方法還常常有變種。各廠家生產(chǎn)的同類型儀器盡管基本原理相同，但在具體技術上還會有差別[26]。綜合現(xiàn)有研究不難發(fā)現(xiàn)，過去國內外對土壤水分含量的測定進行了大量研究，并取得了可喜的成果。

應當指出的是受田間土壤結構、質地和容重的變異性以及土壤分層等問題的影響，幾乎每一種方法在測定土壤含水量時，都存在一定程度的誤差，而且測定技術和儀器方面的缺陷以及方法本身存在的問題，都是造成此類誤差的原因。由于現(xiàn)有方法大多由其他領域引進而來，往往缺乏對土壤復雜、多變性質，特別是土壤理化性質空間變異的充分考慮。當發(fā)現(xiàn)測量中存在問題時，可以采用標定法解決，若從物理機理上進行分析解決也是一條有效途徑。

隨著人們對水分測量物理機理上認識的不斷深入，必然加快測量手段的不斷改進和完善，且土壤水分監(jiān)測傳感器的研制會進一步向準確、安全、快速、自動采集、價格低廉方向發(fā)展，遙感傳感器性能在未來將不斷改進?；?S技術的遙感信息與地面自動遙測點面信息相結合的大面積土壤水分動態(tài)監(jiān)測，將是一個重要的研究內容，上述研究成果也必將使得土壤水分測量技術朝著更加精確、用時少、安全、自動化、低成本、寬量程、少標定、易操作的方向發(fā)展。

在干旱半干旱地區(qū)，土壤水分是作物生長的控制因子之一，是監(jiān)測土地退化的一個重要指標，也是氣候、生態(tài)、農業(yè)等領域研究的主要參數(shù)。其在地表與大氣界面水分和能量交換中起著重要作用。針對干旱半干旱地區(qū)土壤水分普遍很低的特點，在小范圍、小規(guī)模、非定時土壤水分測定中，烘干稱重法是最準確的方法，當然可以應用一些接觸類傳感器，但對其精度要求較高，且通常需要進行標定。而在大范圍的土壤水分測定中最好選擇遙感手段。

［1］ 張義豐，王又豐，劉錄祥，等.中國北方旱地農業(yè)研究進展與思考[J].地理研究，2002，21（3）：305-312.

［2］ 梁新華，馮瑞云，孟晉建，等.土壤改良劑擴蓄增容效果研究[J].山西農業(yè)科學，2009，37（4）：53-55.

［3］ 胡隱樵，張強.開展干旱環(huán)境動力學研究的若干問題[J].地球科學進展，2002，16（1）：18-23.

［4］ 姚小英，王澄海，蒲金涌，等.甘肅黃土高原地區(qū)土壤水熱特征分析研究[J].土壤通報，2006，37（4）：666-670.

［5］ 吳文義，尉永平.瓶筒法快速測定土壤含水量[J].山西水利科技，2001（4）：20-22.

［6］ 高峰，胡繼超，賈紅.農田土壤水分測定與模擬研究進展[J].江蘇農業(yè)科學，2008（1）：11-15.

［7］ 希勒爾D.土壤和水——物理原理和過程[M].華孟，葉和才，譯.北京：農業(yè)出版社，1981.

［8］ 張學禮，胡振琪，初士立.土壤含水量測定方法研究進展[J].土壤通報，2005，36（1）：118-123.

［9］ 張曉虎，李新平.幾種常用土壤含水量測定方法的研究進展[J].陜西農業(yè)科學，2008（6）：114-117.

［10］ 王文焰，張建豐，汪志榮.μ值對γ透射法測定土壤含水量精度的影響[J].西北農業(yè)大學學報，1991，19（1）：27-32.

［11］ 王文焰，張建豐，汪志榮.γ透射法在土壤水量測中的精度控制[J].地下水，1989，11（3）：161-164.

［12］ 熊運章，林性粹，董家倫.γ透射法在土壤水動態(tài)研究中的應用及改進[J].西北農學院學報，1981（1）：23-34.

［13］ 雷廷武，趙軍，袁建平，等.利用γ透射法測量徑流含沙量及算法[J].農業(yè)工程學報，2002，18（1）：18-21.

［14］ 沈晉，王文焰，沈冰，等.動力水文實驗研究[M].西安：陜西科學技術出版社，1991.

［15］ 王文焰，張建豐，汪志榮.γ透射法在土壤水動態(tài)研究中的應用[J].農業(yè)工程學報，2004，20（1）：95-98.

［16］ Rothk，Wollschlaeger U，Chen Z，et al.Exploring soil layers and water tables with ground-penetrating radar[J].Pedosphere，2004，14（3）：273-282.

［17］ BhattiA U，Khang，GurmaniA H，etal.Effectof organicmanure and chemical amendments on soil properties and crop yield on a saltaffected Entisol[J].Pedosphere，2005，15（1）：46-51.

［18］ 孫宇瑞，汪懋華，趙燕東.一種基于駐波比原理測量土壤介電常數(shù)的方法[J].農業(yè)工程學報，1999，15（2）：37-41.

［19］ 孫宇瑞，汪懋華.一種土壤電導率測量方法的數(shù)學建模[J].農業(yè)工程學報，2001，17（2）：30-36.

［20］ 逢春浩.土壤水分測定方法的新進展[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，1994，8（2）：69-76.

［21］ 周凌云，陳志雄，李衛(wèi)民.TDR法測定土壤含水量的標定研究[J].土壤學報，2003，40（1）：59-64.

［22］ 王讓會.土壤水分遙感研究進展 [J].遙感技術與應用，1994，9（4）：61-65.

［23］ 王紀華，趙春江，郭曉維，等.利用遙感方法診斷小麥葉片含水量的研究[J].華北農學報，2000，15（4）：68-72.

［24］ Calbo A G.A rapidmethod for soilwater content in the field with aaerometer[J].Scientia Agricola，2002，59（4）：811-814.

［25］ Brien JJ，Oberbauer F S.An inexpensive,portablemeter for measuring soilmoisture[J].Soil SciSoc Am J，2001，65（3）：1081-1083.

［26］ 裘正軍，何勇，葛曉峰，等.基于GPS定位的土壤水分快速測量儀的研制[J].浙江大學學報，2003，29（2）：135-138.