吳冬平

(黑龍江省防汛抗旱辦公室，哈爾濱150001)

1 背景和必要性

1.1 旱情監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)發(fā)展，我國(guó)在防洪體系工程與非工程措施建設(shè)上取得了很大成就，已建立起各類(lèi)水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，技術(shù)水平和自動(dòng)化程度不斷提高，在防洪減災(zāi)、保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。但與防洪減災(zāi)工作相比，我國(guó)的抗旱減災(zāi)工作嚴(yán)重滯后，與新時(shí)期防汛抗旱并重以及全面抗旱的需求還有較大差距。特別是作為抗旱減災(zāi)的重要基礎(chǔ)，我國(guó)的旱情監(jiān)測(cè)體系還很不完善，不能滿(mǎn)足當(dāng)前抗旱減災(zāi)的需要，主要表現(xiàn)是旱情監(jiān)測(cè)手段落后，基層站網(wǎng)不足，特別是土壤墑情監(jiān)測(cè)站嚴(yán)重不足，不足以形成站網(wǎng)體系［1］。

1.2 新技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)

鑒于目前我國(guó)旱情監(jiān)測(cè)工作十分薄弱而需求十分迫切的狀況，而土壤墑情又是反映旱情的一個(gè)直接的重要指標(biāo)，因此，國(guó)家防總在前期工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，根據(jù)最新的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果和相應(yīng)的業(yè)務(wù)需求分析，加大了對(duì)旱情信息采集系統(tǒng)的建設(shè)力度，重點(diǎn)增加了墑情信息采集實(shí)驗(yàn)站的數(shù)量，采用當(dāng)前國(guó)際新技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)墑情信息方法方式做了必要的改進(jìn)和重點(diǎn)建設(shè)［2］。

1.3 黑龍江省研究狀況

黑龍江省是國(guó)家防總旱情監(jiān)測(cè)試點(diǎn)省份之一，承擔(dān)項(xiàng)目前期儀器參數(shù)率定和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定任務(wù)，土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，走在全國(guó)前列。

2 土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

2.1 烘干法

烘干法是通過(guò)濕土稱(chēng)重、干燥脫水，然后再稱(chēng)干土重來(lái)測(cè)定土樣的質(zhì)量含水量。在田間用土鉆采集有代表性的土樣，刮去土鉆上部浮土，將所需深度的土壤10～20 g裝入已知準(zhǔn)確質(zhì)量的鋁盒內(nèi)蓋緊，帶回室內(nèi)稱(chēng)重，精確至0.01 g。將盒蓋傾斜放在鋁盒上，置于已預(yù)熱至105℃的恒溫干燥箱中烘6～8 h，取出，蓋好，在干燥器中冷卻到室溫，立即稱(chēng)重，精確至0.01 g。通過(guò)公式可計(jì)算出土壤質(zhì)量含水量。

烘干法具有各種操作不便等缺點(diǎn)，但作為直接測(cè)量土壤水分含量的唯一方法，在測(cè)量精度上具有其它方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此它作為一種實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法并用于其它方法的標(biāo)定將長(zhǎng)期存在。

2.2 中子法

中子法的基本原理是中子放射源所放射的快中子或高能中子在土壤中通過(guò)散射作用同各種原子核發(fā)生彈性碰撞，能量逐漸損失后成為慢中子(熱中子)。由于土壤中以不形式而存在的氫原子對(duì)快中子的慢化作用較之其它重原子大很多。因此可以認(rèn)為慢中子的有效強(qiáng)度同土壤中水分含量具有較密切的關(guān)系。此方法對(duì)水分反應(yīng)靈敏，可測(cè)出平均含水量隨深度的變化，測(cè)量的范圍寬。此方法不用取樣，不擾動(dòng)土壤，不受水分物理狀態(tài)(如冰凍、結(jié)晶水)的影響，鋁導(dǎo)管埋好后，可以長(zhǎng)期使用，測(cè)量速度快。中子法的主要缺點(diǎn)是標(biāo)定過(guò)程需要其他方法(一般是烘干法)配合使用，并且儀器比較昂貴，對(duì)深度分辨不準(zhǔn)確，測(cè)定結(jié)果與土壤中許多物理和化學(xué)特性有關(guān)。接近地表及地表水分的精度稍差。

相對(duì)于取土烘干法，中子法可以更快速準(zhǔn)確地測(cè)定田間土壤水分狀況，并且可以在相同地點(diǎn)連續(xù)反復(fù)監(jiān)測(cè)。

2.3 時(shí)域反射儀(TDR)法

時(shí)域反射儀法也是一種通過(guò)測(cè)量土壤介電常數(shù)來(lái)獲得土含水率的一種方法，是80年代發(fā)展起來(lái)的快速準(zhǔn)確測(cè)定土壤容積含水量的儀器，它可以定點(diǎn)、定位地、周期反復(fù)地測(cè)定土壤容積含水量的變化。其測(cè)定原理是自然水的相對(duì)介電常數(shù)為80(20℃時(shí))，干土的相對(duì)介電常數(shù)為5，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，水的相對(duì)介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣和土壤的相對(duì)介電常數(shù)，所以土壤含水量對(duì)土壤相對(duì)介電常數(shù)影響很大。時(shí)域反射儀(Time Domain Reflectormeter)是通過(guò)測(cè)定土壤的相對(duì)介電常數(shù)，再將其校準(zhǔn)為一個(gè)雙探頭(一般為30cm左右)，形成兩個(gè)平等的導(dǎo)波線，通過(guò)導(dǎo)線傳遞電磁輻射脈沖波，脈沖在探頭的末端反射出來(lái)，并返回到源，源通過(guò)示波器測(cè)其透射的時(shí)間和速度。導(dǎo)波線之間土壤的相對(duì)介電常數(shù)使得脈沖的速度與已知的真空中光的速度相偏離，據(jù)此可以根據(jù)透射的時(shí)間推算土壤介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。利用土壤含水量與相對(duì)土壤介電常數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算出土壤含水量。

TDR法是一種快速測(cè)定土壤含水量的方法之一，相對(duì)不受土壤類(lèi)型的影響，不損壞土體，適合于表層和剖面上的重復(fù)連續(xù)測(cè)定，且分辨率高，精度好。它既可測(cè)定土壤某一點(diǎn)水分，也可以連續(xù)多路傳感器，測(cè)定多點(diǎn)土壤含水量。此外，TDR沒(méi)有輻射，不會(huì)對(duì)人體造成危害。由于以上優(yōu)點(diǎn)，TDR不僅適于野外大規(guī)模的田間水分連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，也能滿(mǎn)足室內(nèi)試驗(yàn)土壤含水量測(cè)定的需求，是一種具有前景的土壤水分測(cè)定設(shè)備。黑龍江省當(dāng)前就采用這種方法監(jiān)測(cè)。

3 TDR法土壤水分傳感器的標(biāo)定

每一臺(tái)TDR法土壤水分傳感器在應(yīng)用前，必須根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥捞匦赃M(jìn)行標(biāo)定，方可應(yīng)用。采用三次方程轉(zhuǎn)換法進(jìn)行標(biāo)定，在0～60%(m3/m3)范圍內(nèi)，可通過(guò)設(shè)定以下三次多項(xiàng)式的常數(shù)，得到土壤含水量的轉(zhuǎn)換結(jié)果。計(jì)算公式為:

黑龍江某地區(qū)土壤的標(biāo)定特性如下:

3.1 線性轉(zhuǎn)換表

線性轉(zhuǎn)換表見(jiàn)表1。

表1 線性轉(zhuǎn)換表

3.2 標(biāo)定方程

3.3 特性曲線

SWR型土壤水分傳感器3次特性曲線見(jiàn)圖1。

4 烘干法和儀器測(cè)量的對(duì)照

4.1 試驗(yàn)原理

用烘干法測(cè)量土壤水分傳感器埋設(shè)點(diǎn)附近的土壤質(zhì)量含水量，即用土鉆采集土樣，放入105～110℃的烘箱中烘干24 h，稱(chēng)取烘干前后的質(zhì)量，根據(jù)公式計(jì)算出土壤質(zhì)量含水量。用環(huán)刀測(cè)量土壤的容重，計(jì)算出土壤的容積含水量并做記錄，同時(shí)記錄下當(dāng)時(shí)通過(guò)儀器測(cè)量的土壤容積含水量，每間隔10 d采樣1次，如果遇到降水，每3 d測(cè)量1次，通過(guò)3～4個(gè)月的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，然后對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖1 SWR型土壤水分傳感器三次特性曲線

4.2 烘干法和儀器測(cè)量的相關(guān)分析

烘干法與儀器法對(duì)照是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程，兩種方法之間出現(xiàn)的偏差主要是由烘干法測(cè)量時(shí)的隨機(jī)誤差(來(lái)源是操作誤差和取樣點(diǎn)的空間變異性)引起的。因此需要通過(guò)對(duì)一段時(shí)間(3～4個(gè)月)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，然后經(jīng)過(guò)校正，測(cè)量誤差將減至允許范圍內(nèi)(＜±2.5%)。

黑龍江省某地區(qū)的對(duì)照測(cè)量數(shù)據(jù)為例，表2所記錄的是站2006年5月—9月的20 cm深處的測(cè)量與對(duì)照數(shù)據(jù):

測(cè)量深度:20cm 容重:1.46g/cm3

表2 2006年5月—9月20cm深處的測(cè)量與對(duì)照數(shù)據(jù)

表2中的數(shù)據(jù)顯示儀器法測(cè)量的數(shù)據(jù)比烘干法測(cè)量的數(shù)據(jù)均偏小，其主要原因是容重沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，而是采用的經(jīng)驗(yàn)值，取值偏大。

以下是20 cm深處數(shù)據(jù)的歷史趨勢(shì)曲線和烘干法與儀器法測(cè)量的相關(guān)性分析曲線，從曲線可以看出儀器法和烘干法測(cè)量結(jié)果的變化趨勢(shì)是一致的，相關(guān)系數(shù)達(dá)到99%，呈極顯著相關(guān)。

圖2 20cm深處烘干法與儀器法測(cè)量的相關(guān)性分析曲線

如果將儀器測(cè)量的結(jié)果經(jīng)公式的校正后，測(cè)量結(jié)果和偏差如下表，式中X為校正前儀器的測(cè)量值，Y為校正后的測(cè)量值:

表3 經(jīng)公式校正后的測(cè)量結(jié)果和偏差

土壤各種成分含量千差萬(wàn)別，密度和孔隙率也不一樣，以上是取土樣理想均勻的地區(qū)，獲得了良好的相關(guān)結(jié)果。很多地區(qū)，需要多次實(shí)驗(yàn)，并且不斷調(diào)換地點(diǎn)，方能得到穩(wěn)定的相關(guān)性，才可以應(yīng)用于旱情監(jiān)測(cè)工作中。

［1］宋斌.旱作農(nóng)業(yè)區(qū)土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005，15(20):278-279.

［2］劉炳忠，張?chǎng)?國(guó)內(nèi)外土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用［J］.山東水利，2008(12):13-16.