竇金熙，郭玉明，王 盛，劉蔣龍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

土壤含水率測定方法研究

竇金熙，郭玉明，王 盛，劉蔣龍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

總結(jié)了國內(nèi)外最主流的土壤含水率測定方法，包括稱重法、電阻率法、FDR法、灰度反演法、光譜分析法、紅外線感測法、中子法、γ射線法、TDR、分布式光纖測量法（DWS法）、遙感測定法、探地雷達法；并且對這些方法的原理優(yōu)缺點進行了介紹。

土壤；含水率；測定方法；參數(shù)

大量閱讀有關(guān)土壤水分入滲文獻之后發(fā)現(xiàn)，關(guān)于土壤含水率測定方法總結(jié)的文章幾乎沒有，廣大實驗員需要大量翻閱資料來查詢，所以，本綜述在滿足自身需要的同時，也希望幫助大家節(jié)省寶貴時間。另外，土壤含水率作為土壤的基本要素，影響著比如地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生、沙塵暴、邊坡失穩(wěn)、植物生長狀況、季節(jié)性凍土滲透特性、污染物運移等諸多問題。其中，土壤水分運動參數(shù)的測定包括土壤水吸力、土壤含水率、導(dǎo)水率K（θ）、擴散率D（θ）、水容量C（θ）等，應(yīng)用物理方法研究土壤水分運動，無論是解析法還是數(shù)值法都離不開土壤含水率的測定。所以，研究土壤水分運動規(guī)律，土壤含水率的測定是必不可少的，筆者對國內(nèi)外先進主流的土壤含水率的測定方法進行了總結(jié)。

1 土壤含水率測定方法研究進展

1.1 稱重法

稱重法是將土壤原封不動地采集到實驗室，進行濕質(zhì)量測量，然后放入105～110℃的烘干箱中烘干，再進行稱質(zhì)量。其中，根據(jù)土壤質(zhì)地不同要求，對土壤的烘干時限也不同，輕質(zhì)土壤6～8 h，黏質(zhì)土壤要求至少在8 h以上。

式中，gw為土壤原質(zhì)量；gs為土壤的干土質(zhì)量。

式中，土樣的烘干方法很多，除了在實驗室用烘干箱以外，在野外也可用酒精燒3次，或者用紅外線烘干儀器等。在這里有一點必須強調(diào)，對于土壤的采集必須放入鋁盒并加以封閉。稱重法測量土壤含水率的優(yōu)點是可以直接精確地測量出土壤準(zhǔn)確的含水率；缺點是破壞了土壤的連續(xù)觀測，且測定周期長，過程繁瑣。

1.2 電阻率法

電阻率法是將兩極電阻埋入土壤根據(jù)電阻來確定土壤含水率[1]，但是電阻的大小受土壤質(zhì)地影響較大，其中，包括空隙分布、顆粒分布、溫差等很多因素，所以，導(dǎo)致測量的結(jié)果誤差也很大[2-3]。由于該方法的標(biāo)定結(jié)果時間很難標(biāo)定，因此，工程中還不能普遍推廣。

1.3 FDR法

FDR法是利用LC電容電感的振蕩，通過電磁波在不同類型土壤中振蕩頻率的變化來測定其介電常數(shù)，進一步通過介電常數(shù)和含水率間關(guān)系反演出土壤含水率的方法[4]。由于FDR法受到土壤質(zhì)地（容重、顆粒、鹽度）影響較大，且該儀器不能放置到土壤深部，所以，很難獲得深層次土壤的含水率。

1.4 灰度反演法

此方法的主要原理是利用土壤的可見光反射作用，對于給定的土壤由于土壤成分的不同，土壤會對可見光的反射和散射發(fā)生改變，導(dǎo)致土壤表面的灰度值變化。通過土壤灰度值的變化來反映土壤的含水率簡單有效。因為野外土體被植被覆蓋影響太大，所以，此方法不適用于野外，一般不采用；然而，室內(nèi)測量誤差相對又較大，該方法基本棄用。

1.5 光譜分析法

光譜分析法是通過光譜分析儀，需要首先把光譜數(shù)據(jù)和土壤含水率建立關(guān)系圖，通過光譜的變化得知土壤含水率。這種方法由于誤差較大，所以沒有被廣泛使用。

1.6 紅外線感測法

紅外線感測法是通過對一個地區(qū)的紅外輻射強度來判斷含水率，因為不同的土壤具有不同的溫度，不同的溫度就會有不同的紅外輻射強度；由于紅外輻射強度受到外界影響因素較大（包括植被、太陽輻射強度以及大氣濕度等），測量誤差同樣很大[5-6]。

1.7 中子法

中子法屬于間接測量土壤水分的方法，中子儀是利用中子源放射出快中子與土壤水分中氫原子碰撞以后，變成慢中子得以被檢測。其中，土壤含水率和慢中子的多少有直接關(guān)系，慢中子的多少可以直接反映土壤水分的多少，慢中子越多土壤水分越多。中子儀對于不同的土壤要求直徑不同，較濕的土壤要求15 cm左右，較干燥的土壤要求大于15 cm小于30 cm。中子法測定土壤含水率的缺點是不能測定不連續(xù)的含水率，測量誤差相對較大，需要對誤差進行分析。中子法測量土壤含水率對于室外測量是一大突破，由于中子儀便于攜帶，而且測量速度快，保護原有土壤不破壞原有水分，且受到溫度影響較小，對于連續(xù)測量無后續(xù)滯后現(xiàn)象，可以定點定位一直持續(xù)使用，對于野外作業(yè)是一個很大優(yōu)勢[7]。對于中子儀還有一個別的方法無可比擬的優(yōu)點，當(dāng)土壤深度超過1.5 m以上，中子儀可以顯示其優(yōu)越的特點，同時無論是嚴(yán)寒酷暑，中子儀都可以測量，省時省力[8]。中子儀在國內(nèi)已經(jīng)有了商品，江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)院和核工業(yè)部的北京核子儀器公司都有制造，功能齊全可以貯存、顯示、打印。但是相對于國外的產(chǎn)品相形見絀[9]。圖1是CNC503DR智能中子水分儀。

1.8 γ射線法

γ射線法同樣是一種間接測量土壤含水率的方法。利用放射性同位素發(fā)出射線穿透土壤時，放射強度的衰減被固體和水分吸收。所以，可以根據(jù)放射強度衰減的改變，查找事先制定好的率定曲線，來確定含水率。γ射線法測定土壤含水率的優(yōu)點是精確度很高（在0.5%范圍之內(nèi)），但是γ射線的衰減不僅與水分有關(guān)，還與土壤的固相組成有關(guān)，所以，此方法在進行測量的時候要予以考慮；缺點是對人體輻射太大，有害身體健康。圖2為γ射線儀。

1.9 時域反射法 （Time Domain Reflectometry，TDR）

時域反射儀進入我國市場比較晚，20世紀(jì)80年代開始進入我國，它是利用電磁波進行土壤含水率測定，具有快速、簡便、精確等特點[10]，但是技術(shù)還不是相當(dāng)成熟，直到90年代TDR（圖3）才真正被使用。時域反射儀最突出的優(yōu)點是可以自動記錄數(shù)據(jù)長期監(jiān)測，而且時域反射儀探頭樣式很多（橫插式、直插式），同時時域反射儀較其他儀器也具有使用方便的功能，精度相對于其他儀器很高，時域反射儀是一款使用前景很大的儀器；缺點是國內(nèi)尚且沒有公司在生產(chǎn)，而且儀器價格昂貴，推廣困難。

1.10 分布式光纖測量法（DWS法）

DWS是一個加熱光纜和DTS的合成系統(tǒng)（圖4），其基本原理是對預(yù)先埋設(shè)如土壤中碳纖維加熱的溫度進行測定數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)事先建立的溫度與含水率的關(guān)系確定土壤含水率，如果土壤的含水率小則傳導(dǎo)能力弱，反之則強。該方法優(yōu)點是測量深度、范圍廣，可以深入到幾十米甚至幾百米，測量受植被的影響較小，可實現(xiàn)大尺度、大范圍、苛刻環(huán)境下的高精度測量，對于研究沙塵暴暴發(fā)條件、沙漠化進程、區(qū)域植被生長情況等意義巨大。缺點是影響土壤熱傳導(dǎo)性的因素很多，包括礦物成分、飽和度、化學(xué)成分、土壤質(zhì)地、顆粒、冰凍、孔隙率、干密度等，所以，這些因素都應(yīng)該考慮進去[11-12]。DWS法無法測量碌石等粗顆粒土體的含水率，實際應(yīng)用過程中土壤中夾雜有較多的腐殖質(zhì)、游泥、植物根系遺體等時，測量結(jié)果誤差大，測量的溫度要求較高，而且深度不能小于0.4 m，否則誤差受到外界影響較大[13]。

1.11 遙感測定法

遙感測定法的特點是動態(tài)實時監(jiān)測，而且可以實現(xiàn)大面積主動與被動的監(jiān)測[14-15]。遙感測定法屬于大范圍的測定方法，這是由其本身性質(zhì)決定的，但是由于測量范圍比較廣，導(dǎo)致測量的空間分辨率比較低，而且受到地表植被的影響較大。其技術(shù)原理和方法都有待于進一步提高，從而適應(yīng)土壤含水率真實的測量。

1.12 探地雷達 （Ground Penetrating Radar，GPR）法

其是利用電磁波的性質(zhì)（反射、透射、折射）進行測量。當(dāng)電磁波穿越土壤、水分、介質(zhì)、巖體、晶體、冰層等掩體時候會影響到電磁波的傳播路徑強度和波形，因為電磁波受到介電常數(shù)影響，不同的介質(zhì)會釋放出不同的介電常數(shù)；當(dāng)電磁波再次返回來的時候，由于波形的變化差異不同導(dǎo)致波形的不同，顯示器上會根據(jù)波形行走時間和波形大小幅度來區(qū)分不同的介質(zhì)，從而起到監(jiān)測的作用[16]。GPR是一種中度范圍的測量方法[17]，彌補了中度范圍測量的缺失，GPR的出現(xiàn)是現(xiàn)代科技的發(fā)展物，它以其獨特的優(yōu)勢讓測量土壤含水率更加方便快捷精確[18-20]。國外的測量技術(shù)已經(jīng)相對成熟[21-22]。缺點是國內(nèi)尚且沒有廠家生產(chǎn)，從國外引進價格昂貴。GPR自身的優(yōu)勢也是其自身的缺點，由于電磁波受到介質(zhì)的介電常數(shù)影響較大，但是土壤的介電常數(shù)受到土壤質(zhì)地影響很大；“εθ模型”是反應(yīng)土壤含水率的重要模型，“εθ模型”同時也受到土壤質(zhì)地影響較大，所以必須引起重視[23-26]。目前的GPR主要用于小深度的土壤含水率測定，對于大深度（20 m以上）的土壤含水率測量準(zhǔn)確性還需要研究；由于潛水上的包氣帶含水率分布無規(guī)律，且埋入較深，用物理方法和定性定量的方法無法研究[27-28]，但是GPR的優(yōu)越性是不可掩蓋的，其技術(shù)特點決定了有解決此問題的可能性[29-30]，相信在不久的將來GPR將會有一個更寬廣的應(yīng)用范圍。

2 總結(jié)與展望

本文列出了12種主流的土壤含水率的測定方法，可以滿足廣大實驗員的要求，其中，有適用室內(nèi)，也有適用室外的，有適用于小范圍、中尺度的，也有適用于大范圍的，廣大實驗員要根據(jù)自己的實驗要求合理適當(dāng)?shù)剡x擇方法，才可以準(zhǔn)確地測量出土壤真實的含水率。概括了國內(nèi)外測量含水率的主流方法，各種方法都有自己的優(yōu)缺點以及技術(shù)原理上的缺陷。希望通過廣大實驗員的實踐，不斷地改進方法，改進儀器的技術(shù)，讓土壤含水率的測定更加簡單、直接、有效、真實。隨著研究的深入與科技的發(fā)展，希望能有更多更有效的測定土壤含水率的方法，來滿足各種實驗的需求。

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Study on Determination Methods of Moisture Content in Soil

DOUJinxi，GUOYuming，WANGSheng，LIUJianglong

（College ofEngineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

：This article summarizes the determination methods of soil moisture in most mainstream domestic and foreign rates,and the principle of the advantages and disadvantages of the method are introduced.Determination methods include weighing method,resistivity method,FDR method,gray inversion method,spectral analysis,infrared sensing method,neutron,gamma ray,TDR,distributed optical fiber measurement（DWS）,remote sensing method,GPR method.

soil;water content;determination method;parameter

S152.7

A

1002-2481（2017）03-0482-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.39

2016-11-04

竇金熙（1989-），男，江蘇徐州人，在讀碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)水土工程。郭玉明為通信作者。