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        土壤水分含量測(cè)定方法的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

        2024-10-31 00:00:00郝萍萍韓金朝劉曉宋蕾苗發(fā)強(qiáng)馮俊杰
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2024年17期

        摘要:土壤水分含量是監(jiān)測(cè)土壤墑情、預(yù)測(cè)指導(dǎo)灌溉和響應(yīng)農(nóng)業(yè)旱情災(zāi)害的最直接和必要的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化和智能化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究重點(diǎn)評(píng)述了土壤水分含量測(cè)定方法的研究進(jìn)展,系統(tǒng)總結(jié)了土壤水分含量的多種測(cè)定方法。首先本研究依據(jù)測(cè)量范圍進(jìn)行分類,針對(duì)性地評(píng)述了取樣-定位法和遙感監(jiān)測(cè)法2種方法,結(jié)合各方法的工作原理和適用場(chǎng)景,系統(tǒng)整理了各測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍,以供研究人員在實(shí)際測(cè)量過程中,根據(jù)測(cè)量對(duì)象、設(shè)備預(yù)算、環(huán)境要求和準(zhǔn)確度要求選擇合適的土壤水分含量測(cè)定方法;其次通過中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索,對(duì)1980—2023年的各水分鈉含量測(cè)量方法分階段進(jìn)行趨勢(shì)分析,展示總體趨勢(shì)分析圖和各階段的研究熱點(diǎn)圖,體現(xiàn)各階段的發(fā)展趨勢(shì);最后結(jié)合各技術(shù)的發(fā)展水平和發(fā)展方向,進(jìn)行技術(shù)進(jìn)展分析,分析土壤水分含量測(cè)定方法的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景,為優(yōu)化改進(jìn)土壤水分測(cè)定方法技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)更方便、高實(shí)時(shí)度、高精度的土壤水分含量測(cè)定提供參考,以期促進(jìn)土壤水分含量測(cè)定研究的深入開展。

        關(guān)鍵詞:土壤;水分含量;取樣-定位法;遙感監(jiān)測(cè)法;研究熱點(diǎn);進(jìn)展

        中圖分類號(hào):S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號(hào):1002-1302(2024)17-0011-09

        收稿日期:2023-09-18

        基金項(xiàng)目:智慧灌溉物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備融合技術(shù)研究項(xiàng)目(編號(hào):IFI2023-27)。

        作者簡(jiǎn)介:郝萍萍(1999—),女,河南商丘人,碩士研究生,主要研究方向農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)。E-mail:599989422@caas.cn。

        通信作者:馮俊杰,博士,研究員,主要研究方向農(nóng)業(yè)水土工程。E-mail:fjjdg@sina.com。

        水是不可或缺的重要自然資源,而農(nóng)業(yè)是用水大戶,水利部發(fā)布的《中國(guó)水資源公報(bào)2022》顯示,2022年全國(guó)降水量和水資源量比多年平均值偏少,其中農(nóng)業(yè)用水為3 781.3 億m3,約占社會(huì)所有行業(yè)用水總量的63.0%[1]。灌溉作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有直接影響[2],2022年耕地實(shí)際灌溉用水量為5 460 m3/hm2,農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.572。農(nóng)業(yè)用水量較大,但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率低下[3],隨著水資源日益緊缺,節(jié)水農(nóng)業(yè)越來越受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注,實(shí)時(shí)測(cè)定土壤含水率、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)土壤水分含量對(duì)灌溉決策具有重要意義,也是節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展和智慧灌溉的研究重點(diǎn)[4]。

        土壤水分含量不僅是灌溉決策的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo),同時(shí)也是農(nóng)業(yè)決策、干旱防控等方面的關(guān)鍵因素之一。土壤水分含量直接影響著農(nóng)業(yè)灌溉,土壤水分含量過高或過低均會(huì)影響作物生長(zhǎng),水分含量過高會(huì)促進(jìn)作物根系無(wú)氧呼吸產(chǎn)生乙醇,出現(xiàn)爛根現(xiàn)象,還極易孳生病害,農(nóng)作物表現(xiàn)出細(xì)弱、抗寒抗病性差、產(chǎn)量低等特征;水分含量過低會(huì)直接影響作物的光合作用和蒸騰作用,同時(shí)限制農(nóng)作物對(duì)于肥料的吸收,抑制作物正常生長(zhǎng)發(fā)育,從而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量[5]。

        在干旱防控方面,我國(guó)的干旱或者半干旱地區(qū),如山西北部、陜西北部、甘肅南部等地區(qū),農(nóng)業(yè)用水主要來源為自然降水,對(duì)其開展土壤水分監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作,可以掌握大面積的土壤水分情況和土壤旱情程度,土壤水分含量信息能為農(nóng)民及時(shí)把握灌溉時(shí)機(jī)、適時(shí)適量灌溉和政府及時(shí)制定抗旱減災(zāi)對(duì)策提供科學(xué)依據(jù),最終達(dá)到旱情防控目的。而土壤水分監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作需要使用土壤水分含量信息作為參考依據(jù),進(jìn)而分析土壤狀況,選擇施肥或施水時(shí)間,充分發(fā)揮水資源效益,為實(shí)施正確的農(nóng)業(yè)決策提供依據(jù)。在土壤質(zhì)量方面,農(nóng)田大部分的土地遭受著鹽堿化的威脅,為避免土壤質(zhì)量下降和預(yù)防土地退化,必須了解土壤中水分含量,提高水資源的利用效率和土壤質(zhì)量,同時(shí)不同的土壤水分會(huì)帶來物理模式的偏差[6]。

        綜上,土壤水分的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可為灌溉決策方案響應(yīng)、預(yù)防旱災(zāi)發(fā)生和保證作物生長(zhǎng)處于更優(yōu)的水土環(huán)境等提供重要的指導(dǎo)意義[7]。當(dāng)前,土壤水分含量的測(cè)定方法主要集中在微波遙感、傳感器等方面,綜合對(duì)比分析關(guān)注較少。對(duì)此,本研究系統(tǒng)整理了土壤水分含量的多種不同監(jiān)測(cè)方法,針對(duì)性地評(píng)述了時(shí)域反射法、頻域反射法、遙感監(jiān)測(cè)法等方法,并結(jié)合綜合技術(shù)的發(fā)展水平和發(fā)展方向,分析其發(fā)展趨勢(shì),以期促進(jìn)農(nóng)業(yè)中土壤水分含量測(cè)定研究的深入開展。

        1 土壤水分含量測(cè)定方法及分類

        1.1 測(cè)定方法與配套設(shè)備

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的檢索與研究分析,參考相關(guān)研究結(jié)果,現(xiàn)有土壤水分含量的測(cè)定方法有烘干法、張力計(jì)法、中子儀法、時(shí)域反射法、頻域反射法、遙感法等多種方法,但因土壤類型多樣、土壤層次具有地域差異性、設(shè)備使用方法復(fù)雜等多種因素,在實(shí)際應(yīng)用中需綜合考慮選擇合適的測(cè)定方法。

        通過對(duì)市面上的各種土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備的調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前市面上有張力計(jì)(圖1)、土壤水分速測(cè)儀(圖2)、智墑(圖3)、中子儀(圖4)、無(wú)人機(jī)遙感設(shè)備(圖5)等多種土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備。

        1.2 土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備分類

        不同的土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備具有不同的工作原理、應(yīng)用方式和測(cè)量手段,因此按照測(cè)定手段、測(cè)定儀器、測(cè)定結(jié)果等,土壤水分含量測(cè)定方法又分為多種類別。從測(cè)定手段上,分為直接測(cè)定法和間接測(cè)定法,其中,直接測(cè)定方法有烘干法、張力計(jì)法、中子儀法等;間接測(cè)定法有時(shí)域反射法、頻域反射法、遙感法等。從測(cè)定儀器上,分為接觸式和非接觸式,其中,接觸式儀器有張力計(jì)法、中子儀法、時(shí)域反射法、頻域反射法等;非接觸形式有遙感法等。從測(cè)定結(jié)果上,分為測(cè)定質(zhì)量含水量和體積含水量,其中,測(cè)定質(zhì)量含水量的方法有烘干法、中子儀法等;測(cè)定體積含水量的方法有張力計(jì)法、時(shí)域反射法、頻域反射法等。從研究手段和范圍(尺度)上,將國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的土壤水分含量測(cè)定方法劃分為取樣-定位測(cè)量法和遙感監(jiān)測(cè)法[8]。

        本研究依據(jù)測(cè)定范圍進(jìn)行分類,討論取樣-定位法和遙感監(jiān)測(cè)法2種方法。取樣-定位法適用于單點(diǎn)土壤水分含量測(cè)定,遙感法適用于區(qū)域的土壤水分含量測(cè)定,因此土壤水分含量測(cè)定方法的詳細(xì)分類,見圖6。

        1.3 取樣-定位測(cè)量法

        目前,常用的土壤水分含量測(cè)定方法有烘干法、張力計(jì)法、中子儀法、時(shí)域反射法和頻域反射法等[9-12]。取樣-定位測(cè)量法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、方式多等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),但多基于單點(diǎn)土壤水分測(cè)量,難于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、大范圍的土壤水分含量測(cè)量

        的需要。

        1.3.1 烘干法

        烘干法是最早使用土壤水分含量的測(cè)定方法,計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確、符合實(shí)際,且操作簡(jiǎn)單、成本低廉,其測(cè)定結(jié)果一般作為其他測(cè)量結(jié)果的對(duì)照參考,可以確定其他測(cè)試結(jié)果精度,是衡量其他辦法的標(biāo)尺。烘干法是測(cè)量土壤含水量的參考方法,用于校準(zhǔn)和修正其他水分測(cè)量方法[13]。

        烘干法的工作原理:通過提高土壤的溫度,加速內(nèi)部水分向表面轉(zhuǎn)移的速度。工作流程:將獲得的土樣盛放入鋁盒,蓋緊送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稱重。稱重完畢后,放入105 ℃的恒溫烘箱,烘干時(shí)間為 12 h。結(jié)束后取出放入干燥環(huán)境內(nèi)冷卻至室溫,進(jìn)行稱重。烘干后土樣失去的水分含量即為土壤的水分含量。干燥后稱量土壤和鋁盒的總重,土壤含水量(W)用式(1)表示:

        W=m1-m2m2-m3。(1)

        式中:m1為干燥前土壤與鋁盒重量之和;m2為干燥后土壤與鋁盒重量之和;m3為空鋁盒的重量[14]。

        1.3.2 張力計(jì)法

        土壤水分張力計(jì)是從能量角度表征和測(cè)量土壤水分含量信息的基本儀器,基于土壤張力計(jì)電阻應(yīng)變?cè)碓O(shè)計(jì),電阻應(yīng)變?cè)硎侵附饘賹?dǎo)體的電阻在導(dǎo)體受力產(chǎn)生長(zhǎng)度變形時(shí)發(fā)生變化的現(xiàn)象,當(dāng)金屬電阻絲受到拉力時(shí),其長(zhǎng)度伸長(zhǎng)引起電阻增加;長(zhǎng)度縮短引起電阻減小。

        土壤張力計(jì)是由電子真空表,真空玻璃管和陶瓷頭組成,由真空表顯示水分信息。張力計(jì)法工作原理:真空玻璃管中注滿水后,陶瓷頭阻止外部空氣進(jìn)入裝置。當(dāng)被測(cè)土壤的水勢(shì)與玻璃管內(nèi)存在壓強(qiáng)差值時(shí),張力計(jì)通過放水和吸水過程,直至與外部土壤達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài),此時(shí),壓力表所顯示的值即為被測(cè)土壤的土壤水勢(shì)。土壤水分含量是土壤的參數(shù)指標(biāo),土壤對(duì)水的吸力大小從能量角度反映土壤水分含量狀況,土壤吸力愈小時(shí),反映出土壤含水量愈大;土壤吸力愈大時(shí),反映出土壤含水量愈小。因此,土壤張力計(jì)的真空表讀數(shù)能反映出土壤水分含量信息。

        它可以定義為植物根系從土壤中吸取水分所需的能量,也可以將其視為土壤基質(zhì)為保持水分而施加的力[15]。土壤水的勢(shì)能可以用表達(dá)式(2)表示:

        φ=φm+φo+φp+φg。(2)

        式中:φ是每單位質(zhì)量、體積或重量水的勢(shì)能;下標(biāo)m、o、p和g分別是矩陣、滲透、壓力和重力勢(shì)[16]。

        1.3.3 中子儀法

        中子儀法使用放射性元素的原子核變化形成了快中子,將快中子碰到水分中的氫,并在碰撞下產(chǎn)生能量變化而形成了慢中子云,由專門的電子傳感器接收數(shù)據(jù)并將其能量轉(zhuǎn)化,可通過測(cè)定慢中子云的密度與土壤含水量的相關(guān)關(guān)系以確定土壤中的水分含量[17],即氫原子越多,慢中子云密度就越大,土壤中水分含量越高。中子儀的工作原理:通過測(cè)量中子源與土壤中各種元素相碰撞損失的能量,繪制土壤含水率變化和中子計(jì)數(shù)的曲線,利用回歸方程計(jì)算出土含水量百分比,可適用于多種土壤類型、各種土質(zhì)層次、土壤質(zhì)地及土剖面含水率變化規(guī)律等要求的曲線[18],并用直線回歸方程式(3)表示:

        Ov=a+bRn。(3)

        式中:Ov為土壤含水量(干土重)百分?jǐn)?shù);Rn為計(jì)數(shù)率比;b是標(biāo)定曲線的斜率,它反映的是儀器靈敏度,與中子源有關(guān);a是標(biāo)定曲線的截距,受土壤容重、質(zhì)地、化學(xué)組成的影響[19]。

        1.3.4 時(shí)域反射法

        時(shí)域反射法是一種電容測(cè)量方法,它利用電磁波在傳輸線上的反射特性來測(cè)量電容器的電容值。時(shí)域反射法的工作原理:通過測(cè)量高頻電磁波中導(dǎo)波探頭(插入土壤內(nèi))的傳輸時(shí)間來確定土壤介電常數(shù),從而利用土壤介電常數(shù)和土壤體積含水量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算出土壤含水量,間接測(cè)量土壤水分[20]。介電常數(shù)的計(jì)算采用表達(dá)式(4):

        =ct2L2。(4)

        式中:介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)取決于土壤水分含量等土壤性質(zhì),水分含量變化將引起相對(duì)介電常數(shù)的變化;c為光速;L為導(dǎo)波探頭長(zhǎng)度;t為高頻電磁波沿導(dǎo)波探頭傳輸和返回時(shí)間[21]。

        1.3.5 頻域反射法

        頻域反射法利用電磁脈沖原理得到土壤水分含量。頻域反射法的探頭主要由1對(duì)電極組成1個(gè)電容,電極間的土壤作為電介質(zhì),傳感器電容量與兩級(jí)間被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)成正比關(guān)系[22]。頻域反射法的工作原理:當(dāng)土壤中水分增加時(shí),土壤介電常數(shù)會(huì)相應(yīng)增大,測(cè)量電容值也相應(yīng)上升,導(dǎo)致傳播頻率發(fā)生變化,由此測(cè)得土壤水分含量。

        頻域反射法通過測(cè)量介質(zhì)中電磁波的傳播頻率,得到土壤的表觀介電常數(shù)。電容與介電常數(shù)的關(guān)系采用表達(dá)式(5)表示:

        =CC0。(5)

        式中:C為所測(cè)介質(zhì)的電容,C0是介質(zhì)為空氣時(shí)的電容[23]。利用上式可以求得土壤的相對(duì)介電常數(shù)。

        研究證實(shí)土壤介電常數(shù)與土壤水分含量之間具有線性關(guān)系,采用表達(dá)式(6)表示:

        ω=a+b。(6)

        式中:a、b是2個(gè)常數(shù),由土壤的類型決定,可以獲取測(cè)量值[24]。

        1.4 遙感監(jiān)測(cè)法

        遙感技術(shù)提供了一種周期性、區(qū)域性、全覆蓋、多時(shí)相的觀測(cè)手段,具有時(shí)效快、測(cè)量范圍廣、精度高及較優(yōu)的時(shí)間、空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)[25-27],為土壤水分含量信息的獲取提供基礎(chǔ)保證和土壤水分測(cè)量方法帶來技術(shù)支持。目前,遙感技術(shù)已成為測(cè)定大區(qū)域范圍內(nèi)土壤水分時(shí)空分布和變化的主要方法。遙感監(jiān)測(cè)法主要分為熱紅外遙感、可見光-近紅外遙感和微波遙感法等。

        1.4.1 熱紅外遙感

        熱紅外遙感利用土壤的性質(zhì),其原理為土壤水的比熱大,受熱后溫度變化較慢,因此,白天下墊面溫度的空間分布能間接反映土壤水分的分布,是間接反演土壤水分的一種方法[28]。熱紅外遙感是指紅外傳感器工作在紅外波段范圍之內(nèi)的遙感,利用光學(xué)技術(shù),記錄地球表面的發(fā)射輻射能,通過應(yīng)用紅外遙感器(如紅外攝影機(jī)、掃描儀、紅外波譜儀、遙感光譜儀)獲取遠(yuǎn)距離的植被等地面物體所反射或輻射紅外特性差異的信息,由此確定地面物體性質(zhì)、狀態(tài)和變化規(guī)律[29]。熱紅外遙感主要用來觀測(cè)土壤表層水分。常見的熱紅外遙感法有熱慣量法和作物缺水指數(shù)法。

        1.4.1.1 熱慣量法

        熱慣量法是國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)土壤水分含量常用的方法之一。熱慣量是土壤性質(zhì)中的一種熱性質(zhì),是引起土壤溫濕度變化的內(nèi)在因素,熱慣量法的工作原理:通過計(jì)算土壤熱特性得到的模型對(duì)土壤水分含量進(jìn)行推算,該模型的物理基礎(chǔ)是水分具有較大的熱性質(zhì),因此較高水分的土壤具有較大的熱慣量,成正比關(guān)系。熱慣量可用表達(dá)式(7)表示:

        P=λρc。(7)

        式中:P為熱慣量;λ為土壤熱導(dǎo)率;ρ為土壤密度;c為土壤比熱[30]。

        在得出相應(yīng)的熱慣量后,即可通過經(jīng)驗(yàn)公式(8)計(jì)算得出土壤水分含量(W):

        W=aP+b。(8)

        式中:a和b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),經(jīng)驗(yàn)公式包含多種類型函數(shù),可為線性的冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)等[31]。

        熱慣量法主要適用于裸地或植被生長(zhǎng)早期,對(duì)裸土地、植被覆蓋低、干旱荒漠地區(qū)效果較好,在高植被覆蓋區(qū)監(jiān)測(cè)效果不佳。熱慣量遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的理論逐步成熟,基于熱慣量的眾多水分監(jiān)測(cè)模型和遙感方法已經(jīng)在實(shí)際的農(nóng)田中得到應(yīng)用。

        1.4.1.2 作物缺水指數(shù)法

        作物缺水指數(shù)法的工作原理:計(jì)算植被水分蒸騰與最大可能蒸發(fā)的比值,可在一定程度上反映植物根系范圍內(nèi)土壤水分的信息,用來衡量作物缺水程度[32]。Jackson等以能量平衡為基礎(chǔ),利用熱紅外遙感溫度和氣象資料,間接監(jiān)測(cè)植被覆蓋條件下的土壤水分,提出了作物缺水指數(shù)(CWSI)的概念[33],采用表達(dá)式(9)表示:

        CWSI=1-EtEtp。(9)

        式中:Et為實(shí)際蒸發(fā)量;Etp為潛在蒸散發(fā)量。

        作物缺水指數(shù)法以單層能量模型為基礎(chǔ),在反演過程中所需的資料多、計(jì)算量大、不易模擬研究,適用于植被覆蓋度較高的區(qū)域。其模型中使用的溫度和氣象數(shù)據(jù)主要來自地面氣象站,作物缺水指數(shù)法的反演精度會(huì)受到氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的影響。

        1.4.2 可見光-近紅外遙感

        可見光-近紅外遙感主要是利用地面物體反射光譜信息,使用相關(guān)儀器顯示土壤和植物的光譜,采用光學(xué)遙感實(shí)現(xiàn)土壤水分的快速測(cè)定,利用光學(xué)技術(shù),記錄地球表面對(duì)太陽(yáng)輻射能的反射輻射能。通過測(cè)量可見光和近紅外光反射率的變化來檢測(cè)植物水分脅迫。一般來說,受脅迫植物在近紅外區(qū)域的反射率較低,在可見光區(qū)域的反射率較高[34]。目前,在可見光-近紅外波段,常用的方法是利用Landsat或MODIS等多光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建相應(yīng)的干旱指數(shù)或植被指數(shù)來反映土壤水分含量[35]。

        1.4.3 微波遙感

        微波遙感的工作原理是利用無(wú)線電技術(shù)反演土壤含水量,利用傳感器接收并測(cè)量作物以及周圍環(huán)境反射或發(fā)射的不同波長(zhǎng)微波信號(hào),提取和分析有效數(shù)據(jù)[36]。微波遙感對(duì)土壤濕度反應(yīng)敏感,可以用于測(cè)定土壤水分含量。從技術(shù)上劃分,微波遙感分為主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感2類,主動(dòng)遙感記錄地球表面對(duì)人為微波輻射能的反射輻射能;被動(dòng)微波記錄地球表面的微波輻射能。

        1.4.3.1 主動(dòng)遙感

        主動(dòng)微波遙感是利用主動(dòng)式的傳感器,發(fā)射微波再接收由地面物體反射或散射回來的波段,傳感器主要為雷達(dá),如合成孔徑雷達(dá)、側(cè)視雷達(dá)等,它測(cè)量土壤的后向散射系數(shù)(主要由介電常數(shù)和土壤粗糙度決定,介電常數(shù)由土壤濕度決定),因此通過構(gòu)建后向散射系數(shù)與土壤水分的數(shù)理關(guān)系來進(jìn)行土壤水分遙感監(jiān)測(cè)[37],可以利用雷達(dá)反演土壤水分含量。反演土壤濕度的原理是通過設(shè)定系統(tǒng)參數(shù),使土壤濕度作為敏感參數(shù),把植物的幾何特征參數(shù)設(shè)為不敏感參數(shù),從而利用后向散射系數(shù)反演出土壤水分信息[38]。目前,主動(dòng)微波反演方法大致可分為:經(jīng)驗(yàn)法、理論建模法、變化檢測(cè)法和人工智能法[39]。研究表明,主動(dòng)微波遙感的信號(hào)強(qiáng),圖像數(shù)據(jù)分辨率高,今后的研究中可將地表粗糙度這一影響因子應(yīng)用于模型中以提高其適用性。

        1.4.3.2 被動(dòng)遙感

        被動(dòng)微波遙感是利用被動(dòng)式的傳感器,依靠接收地面物體自身輻射的微波,如微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)等,通過觀測(cè)輻射亮溫(由土壤介電常數(shù)和土壤溫度決定,介電常數(shù)與土壤濕度有關(guān)),再結(jié)合土壤物理溫度計(jì)算土壤的發(fā)射率,進(jìn)而反演土壤水分含量?,F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者已建立相關(guān)的理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,被?dòng)微波遙感將反演方法劃分為統(tǒng)計(jì)擬合法、機(jī)理模擬法和人工智能法[40-41]。被動(dòng)微波遙感具有監(jiān)測(cè)面積大、重復(fù)周期短、數(shù)據(jù)量低、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、對(duì)土壤水分更為敏感等優(yōu)點(diǎn),成為反演土壤水分最有潛力的方式,適合大區(qū)域土壤水分反演的算法[42]。

        2 綜合對(duì)比分析

        2.1 對(duì)比分析

        綜上對(duì)土壤水分含量測(cè)定方法的相關(guān)介紹,土壤水分測(cè)量技術(shù)方法眾多,結(jié)合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行對(duì)比分析,幫助研究人員在實(shí)際測(cè)量過程中,根據(jù)測(cè)量對(duì)象、設(shè)備預(yù)算、環(huán)境要求和準(zhǔn)確度要求選擇合適的水分測(cè)量方法。取樣-定位法、遙感、監(jiān)測(cè)法的對(duì)比分別見表1、表2。

        2.2 總體趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

        本研究采用中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)(期刊-所有期刊),研究時(shí)段為1980—2023年,檢索時(shí)間為2023年9月12日;研究方向?yàn)椋和寥浪譁y(cè)量,分別在CNKI中的專業(yè)檢索中檢索。文獻(xiàn)總數(shù):3 996篇;檢索條件:主題%=‘土壤水分測(cè)量’ or 關(guān)鍵詞%=‘土壤水分測(cè)量’;檢索范圍:總庫(kù)。

        從中國(guó)知網(wǎng)檢索1980—2023年土壤水分測(cè)定方法領(lǐng)域的期刊論文,由圖7可知,1980—2023年期刊論文的數(shù)量呈上升趨勢(shì), 在近10年內(nèi),土壤水分測(cè)量是研究熱點(diǎn)趨勢(shì),每年度發(fā)表期刊數(shù)量均超過200篇,2019年發(fā)文量達(dá)到頂峰,數(shù)量高于400篇。

        由圖7、圖8可知,1980—2001年年均發(fā)表論文數(shù)量少,在此期間,土壤水分含量測(cè)定方法的熱點(diǎn)包括中子儀、稱重法、烘干法。在測(cè)量土壤水分含量的手段上,測(cè)量方法相對(duì)單一,大多采用的是單點(diǎn)定位法。

        由圖7、圖9可知,2002—2012年,發(fā)表論文一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì),年均發(fā)表論文約200篇,總體約 2 000 篇,在此期間,土壤水分含量測(cè)定方法的熱點(diǎn)包括介電常數(shù)、監(jiān)測(cè)、土壤水分傳感器等。研究?jī)?nèi)容和研究方向較上階段明顯變豐富,且研究重點(diǎn)從烘干法、中子儀法等方法轉(zhuǎn)向時(shí)域反射法、頻域反射法,集中在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、土壤水分傳感器等方面的研究。在測(cè)量土壤水分含量的手段上,采用時(shí)域反射法、頻域反射法、無(wú)線傳感器等方法。

        由圖7、圖10可知,2013—2023年,此階段發(fā)表論文最多,年均300篇,總體發(fā)表高于3 000篇,在此期間,土壤水分含量測(cè)定方法的熱點(diǎn)包括遙感、遙感反演、微波遙感等。研究?jī)?nèi)容和研究方向從時(shí)域反射法、頻域反射法等轉(zhuǎn)向遙感監(jiān)測(cè)法,發(fā)表的大多是利用遙感技術(shù)測(cè)定土壤水分含量的文章。在測(cè)量土壤水分含量的手段上,已從傳統(tǒng)的單點(diǎn)-定位法轉(zhuǎn)向遙感監(jiān)測(cè)法。

        3 技術(shù)進(jìn)展分析

        隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,取樣-定位方法中,張力計(jì)法、時(shí)域反射法和頻域反射法在實(shí)際農(nóng)田應(yīng)用中越來越受歡迎。同時(shí),隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和遙感模型的改進(jìn), 遙感技術(shù)在土壤水分監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的前景。

        3.1 取樣-定位法的分析

        在傳統(tǒng)的土壤水分含量測(cè)定方法中,取樣-定位法適用于測(cè)定單點(diǎn)的土壤水分狀況,且在過去長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),一直使用此法。作物土壤水分的復(fù)雜性和多樣性,導(dǎo)致了土壤水分測(cè)定的困難。以下是對(duì)取樣-定位中各方法的深入分析。

        (1)烘干法作為標(biāo)準(zhǔn)方法,其準(zhǔn)確度不容置疑,但流程復(fù)雜,工作量大,多用于研究試驗(yàn),需要其他方法的校準(zhǔn)。烘干法在取土?xí)r會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)及其理化性質(zhì),且樣本無(wú)法重復(fù)使用,提高烘干箱的工作效率、確保干燥環(huán)境的要求,按照規(guī)定流程進(jìn)行操作。

        (2)張力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且無(wú)需電源,可使用不同長(zhǎng)度的張力計(jì)測(cè)定不同土壤深度的土壤水分含量,但在實(shí)際使用中無(wú)法直接測(cè)定土壤水分含量,需要根據(jù)土壤水分特性曲線將土壤水分的吸力換算成土壤水分含量。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得張力計(jì)結(jié)合傳感器技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的采集和發(fā)送,達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看土壤水分信息的效果。目前,研發(fā)的張力計(jì)式傳感儀器,實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械式到數(shù)字化的跨越,朝向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。

        (3)中子儀能長(zhǎng)期定位連續(xù)測(cè)定,不破壞土壤,是測(cè)定土壤水分含量較好的方法,但此法存在輻射,對(duì)人體健康危害較大,在實(shí)際使用時(shí)要嚴(yán)格遵守流程。中子儀法適用于測(cè)定深層土壤水分含量,對(duì)表層土壤水分含量的測(cè)定不準(zhǔn)確,在以后使用中可與自動(dòng)記錄系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)連接,重視分層分布測(cè)定水分含量方向。

        (4)時(shí)域反射法和頻域反射法是常用的土壤水分含量測(cè)定方法,測(cè)量速度快且安全性高,不會(huì)對(duì)人體健康造成危害。時(shí)域反射型、頻域反射型的傳感器和微控制器易于連接,測(cè)量精度高,可根據(jù)不同土壤特性建立不同的數(shù)學(xué)公式。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,提高探針的靈敏度,研發(fā)的多傳感器網(wǎng)絡(luò)和分布式測(cè)定方法得到廣泛應(yīng)用,在土壤水分自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)中具有很好的發(fā)展前景[43]。

        3.2 遙感監(jiān)測(cè)法的分析

        相對(duì)于傳統(tǒng)的取樣-定位測(cè)量方法,遙感在測(cè)定土壤水分含量方面具有眾多的優(yōu)勢(shì),克服傳統(tǒng)方法單點(diǎn)土壤水分監(jiān)測(cè)、范圍有限、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性差等問題,遙感可以測(cè)定各種地形和植被覆蓋的土壤水分信息,因其自身優(yōu)勢(shì)成為測(cè)定土壤水分含量的研究重點(diǎn),引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,對(duì)遙感法深入分析發(fā)現(xiàn)其具有以下優(yōu)勢(shì)。

        (1)熱紅外遙感法屬于光學(xué)遙感,測(cè)定特定波段范圍內(nèi)植被反射的輻射能。熱紅外傳感器可以在不同深度采集土壤水分信息,近些年來星載熱紅外遙感技術(shù)和無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載熱紅外傳感器的快速發(fā)展,利用熱紅外遙感測(cè)定土壤水分成為研究的熱點(diǎn)。

        (2)可見光-近紅外遙感法屬于光學(xué)遙感,對(duì)可見光-近紅外波段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,構(gòu)建相應(yīng)的干旱指數(shù)或植被指數(shù)來反映土壤含水量,此方法對(duì)干旱區(qū)域測(cè)定結(jié)果更為準(zhǔn)確真實(shí)。在獲取光光譜數(shù)據(jù)時(shí)多使用無(wú)人機(jī)獲取圖譜數(shù)據(jù),無(wú)人機(jī)遙感可以提高測(cè)定土壤水分的時(shí)效。使用無(wú)人機(jī)獲取多光譜數(shù)據(jù),構(gòu)建土壤水分反演模型,為土壤水分測(cè)定提供新的技術(shù)和方向。

        (3)微波遙感使用無(wú)線電技術(shù),其主動(dòng)微波和被動(dòng)微波均適合大區(qū)域土壤水分反演的算法。隨著各種新型傳感器的開發(fā)與應(yīng)用,土壤水分反演模型也將得到進(jìn)一步的創(chuàng)新和改進(jìn),國(guó)內(nèi)外專家目前正在對(duì)所使用的雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行完善,加上氣象、地形等多數(shù)據(jù)的融合,土壤水分時(shí)空分辨率和精度將得到全面提升[44]。主動(dòng)、被動(dòng)遙感微波融合方法在測(cè)定土壤水分信息方面具有發(fā)展?jié)撃?,兩者的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)反演精度提升和獲取長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

        4 總結(jié)

        傳統(tǒng)的取樣-定位法適用于單點(diǎn)區(qū)域的土壤水分測(cè)定。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外研究人員研制出眾多智能土壤水分傳感器,不僅能夠測(cè)定單土層的土壤水分含量,還能夠測(cè)定多層次的土壤水分含量及土壤溫度、鹽分等信息,并實(shí)現(xiàn)土壤信息的實(shí)時(shí)采集和傳輸,遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看,為灌溉提供決策依據(jù)。

        遙感法是一種無(wú)接觸、遠(yuǎn)距離的探測(cè)技術(shù),該技術(shù)主要通過現(xiàn)代化的運(yùn)載工具和傳感器快速獲取大面積地表信息,是測(cè)定土壤水分含量的重要技術(shù)和發(fā)展方向。人工智能技術(shù)的普及、衛(wèi)星遙感的不斷進(jìn)步、反演算法的改進(jìn)、波段范圍的擴(kuò)大均會(huì)使反演精度和分辨率得到提升,遙感法的不斷發(fā)展為土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的獲取提供了發(fā)展?jié)摿Α?/p>

        國(guó)內(nèi)外研究人員在遙感法的基礎(chǔ)上,構(gòu)建和改進(jìn)土壤水分反演模型;但針對(duì)不同的區(qū)域地形建立不同的理論模型過于復(fù)雜,因而在研究中根據(jù)具體的區(qū)域?qū)δP瓦M(jìn)行相應(yīng)改進(jìn),提高土壤水分模型的靈活度,從而提升模型在農(nóng)田應(yīng)用中的實(shí)用性和適用性,為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中大面積快速獲取土壤水分信息、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

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