為什么要測量土壤含水量，土壤水分測量的方法

土壤含水量影響農(nóng)作物收成和水保的重要因素之一。土壤濕度對于制定灌溉進(jìn)程，水與溶質(zhì)流的評價，凈輻射潛熱與顯熱的劃分等方面都有重要的意義。

作為預(yù)測水源耗竭模式中的重要參量，土壤濕度在水文學(xué)中是很重要的。在大氣數(shù)值模式中，陸氣相互作用的模擬及水氣循環(huán)的其他參量，也要求測量土壤濕度，衛(wèi)星遙感評價的驗證，也要求測量地表土壤水分。

總之:土壤含水量對灌溉控制,生態(tài)研究,渦度協(xié)方差,坡度穩(wěn)定性氣候科學(xué)等研究都具有重要的意義. 土壤中水分的多少有兩種表示方法：以土壤含水量和土壤水勢表示。

土壤含水量:

1、常見的含水量表示方法有質(zhì)量含水量和體積含水量:

質(zhì)量含水量：土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值

體積含水量：水的體積與樣品總體積的比即是體積含水量. 兩者之間的關(guān)系式 體積含水量等于質(zhì)量含水量乘以容重. (ρb) : 容重, 單位體積的重量.

2、土壤含水量有三個重要指標(biāo)：

（1）土壤飽和含水量，表明該土壤最多能含多少水，此時土壤水勢為0。

（2）田間持水量，是土壤飽和含水量減去重力水后土壤所能保持的水分。重力水基本上不能被植物吸收利用，此時土壤水勢為-0.3巴。

（3）萎蔫系數(shù)，是植物萎蔫時土壤仍能保持的水分。這部分水也不能被植物吸收利用，此時土壤水勢為-15巴。

3、土壤水分測量方法：

3.1、傳統(tǒng)方法：

烘干稱重法 、中子儀法、張力計法、射線法、電阻法

3.2、土壤介電特性測量含水量 (介質(zhì))：

時域反射法: (TDR)

頻域反射法(FDR) 與 電容法

3.3、熱脈沖傳感器

3.4、紅外（微波）遙感法

4、幾種測量方法的比較：

5、介電常數(shù)：(permittivity)

介電常數(shù)來自于庫侖定律，庫侖定律是電磁場理論的基本定律之一。真空中兩個靜止的點電荷之間的作用力與這兩個電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個點電荷的連線,同性電荷相斥，異性電荷相吸。

………………………………………….①

F（電荷間相互作用力），K（庫侖常數(shù)），Q1，Q2（兩個點電荷電量）。

由于歷史原因，庫侖常數(shù)常被寫成以下形式：

………………………………………….②

K（庫侖常數(shù)），ε0（真空介電常數(shù)），ε0=8.85*〖10〗^(-12)法拉/米

介電常數(shù)是一個表征電荷在介質(zhì)中相互作用力大小的量，從電場強(qiáng)度角度來看，介電常數(shù)是表征介質(zhì)中電場強(qiáng)弱的量。

將一對電偶極子(什么是電偶極子)放在兩個點電荷之間，這兩個點電荷的庫侖力會減小，見下圖：

電偶極子

上圖中F12是真空中q1對q2的作用力，介電常數(shù)為ε0，下圖中f12是加了電偶極子后q1對q2的作用力，介電常數(shù)為ε1。不難從計算得出F12>f12，ε1>ε0。所以我們將所有導(dǎo)致介電常數(shù)增大的物質(zhì)定義為電介質(zhì)。

介電常數(shù)是一個比較復(fù)雜的常數(shù)(ε0=8.85*〖10〗^(-12))，為簡化計算和便于分析問題，廣義介電常數(shù)或相對介電常數(shù)定義為電介質(zhì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)的比值,這只是個習(xí)慣性定義,沒有實在的意義,大家在以后看見的公式或閱讀的除物理學(xué)以外的文獻(xiàn)中所提到的介電常數(shù)一般指相對介電常數(shù)，我們簡稱介電常數(shù)，用K表示。

…………………….……………………….③

K(相對介電常數(shù)), 相對介電常數(shù)K有時也會被表示為④式：

…………………….…………………..…….④

C1（有電介質(zhì)的電容）， C0（真空電容）。

6、介電常數(shù)與土壤水分的關(guān)系：

TDR和FDR是目前流行的土壤水分測量方法，兩者都是通過測量土壤的介電常數(shù)來得到土壤體積含水量的。因此他們又被稱為介電常數(shù)傳感器。

從電磁理論角度來看，土壤由四種介電物質(zhì)組成：空氣，土壤固體物質(zhì)，自由水和束縛水。在無線電頻率，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時（20℃，1個大氣壓）純水的介電常數(shù)為80.4，土壤固體物質(zhì)約為3～7，有機(jī)質(zhì)為2～5，空氣為1.由于這種較大的介電常數(shù)差值，濕土壤的介電常數(shù)主要依賴于土壤中水分的含量。

7、測量原理：

7.1、TDR測量原理：

電磁波在探針上的傳輸時間決定于傳輸速度和探針的長度，速度取決于探針周圍介質(zhì)的介電常數(shù)，土壤介電常數(shù)的公式如下：

上式中L為實際探針的長度，C為真空中的電磁波傳輸速度，t是傳輸時間，εb為介電常數(shù)

（如：TDR350 、TDR200、SoilVUE 、HD2 便攜式土壤水分速測儀、都是TDR 測量原理）

7.2、反射法測量原理：

周期t與介電常數(shù)有關(guān)。代表性傳感器：

=?周期 (us) ，Sf= 比例因子 ，L= 探針長度 (m) ， td= 時間 (s)， c= 光速 (299.79 m/s)

（如：CS616 、CS655 、CS650、HS2 采用的是反射法測量原理 )

7.3、頻域反射法 FDR:

傳感器向周圍發(fā)射高頻電磁波，電磁波進(jìn)入周圍土壤，土壤中水分子被極化后會引起共振，共振頻率與土壤的介電常數(shù)有關(guān)系。電容兩個電極間檢測到的高頻信號會受到水分子共振頻率的嚴(yán)重影響，水分子越多，檢測到的高頻信號越小。

(ML3便攜式土壤水分速測儀、SM150便攜式土壤水分速測儀、PR2-6 土壤水剖面分速測儀、 PR2-4 土壤水剖面分速測儀、smart 是FDR 測量原理)

7.4：TDT 測量原理

和TDR技術(shù)類似，TDT(Time domain transmission)時域傳輸法也是基于測量土壤介質(zhì)的介電常數(shù)來確定土壤含水量的.不同的是, TDT探頭發(fā)射的電磁波在介質(zhì)中是單向傳播的, 檢測的是電磁波單向傳輸后的信號,不需要獲取反射信號.

如下圖:TDT探頭電磁波的發(fā)射端和接收端在探針的兩端, 行成一個閉路.通過測定電磁波單 程傳播到接收端時接收 信號和初始發(fā)射信號之間的壓差來反映 介電常數(shù).在探針長度固定,脈沖頻率一定的情況下, 電壓差的大小取決于 介質(zhì)的介電常數(shù),對于土壤來說,就是取決于土壤含水量

（如： TDT 傳感器）

7.5：雙針熱脈沖原理：

通過間接測量容積熱容來測定容積水含量的方法恒流通過加熱元件在一個針產(chǎn)生熱通量用熱電偶或熱敏電阻在其他針上測量溫升。

特征：小體積測量。

缺點：受土壤溫度梯度影響（時間、深度）土壤體積小

8、土壤含水量測量影響因素：

8.1、土壤孔隙 ：

如果土壤與探針件的距離太大，測量的是空氣的介電常數(shù) ，而不是土壤的。

8.2 、電導(dǎo)率

土壤電導(dǎo)率是土壤鹽分的重要指標(biāo)，在使用TDR測量高含鹽量的土壤時，鹽分會衰減反射回來的電磁波，影響反射時間，從而影響了土壤含水量的測量

8.3、土壤容重和有機(jī)質(zhì)：

一般情況下，當(dāng)土壤干密度在1.1～ 1.7 g/cm^3范圍之內(nèi)時，土壤密度對土壤水分測量的影響可以不予考慮，而當(dāng)土壤干密度> 1.7 g/cm^3或<1.1 g/cm^3 時，就需要校正。

審核編輯：符乾江