土壤水分含量是表達(dá)旱情的最直接指標(biāo)。國內(nèi)外從20世紀(jì)中葉就開始進(jìn)行土壤水分的監(jiān)測，國內(nèi)外一直都在進(jìn)行各種測量方法的研究，目前主要采用烘干稱重、張力計(jì)、中子水分計(jì)和時(shí)域反射儀、頻域發(fā)射儀等測量方法。這些方法雖然可以實(shí)現(xiàn)土壤水分的測量，但原理、特性各有不同。綜觀國內(nèi)墑情自動監(jiān)測現(xiàn)狀，目前還沒有一種產(chǎn)品在野外廣泛應(yīng)用，也沒有一種主導(dǎo)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)大范圍墑情信息自動采集、傳輸處理。
隨著國家抗旱指揮系統(tǒng)的規(guī)劃和實(shí)施，各省、市區(qū)域墑情自動監(jiān)測即將全面展開，特別是2010年春季我國西南部分省(區(qū))干旱的出現(xiàn)，迫切需要自動化土壤水分監(jiān)測儀器和信息傳輸系統(tǒng)，以獲取連續(xù)、可靠的土壤水分信息，為區(qū)域旱情分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)國家旱情監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)需要開展國內(nèi)外土壤水分監(jiān)測傳感儀器的調(diào)查研究工作，對調(diào)研產(chǎn)品進(jìn)行分類分析。
1 土壤水分監(jiān)測儀器分類和特點(diǎn)分析
按照測量原理，土壤水分監(jiān)測儀器可分成以下幾種類型：
1)時(shí)域反射型儀器 (TDR);
2)時(shí)域傳輸型儀器 (TDT);
3)頻域反射型儀器 (FDR);
4)中子水分儀器 (Neutron Probe);
5)負(fù)壓儀器(Tension meter);
6)電阻儀器(Resister Method)。
傳統(tǒng)的烘干法盡管也需要一些設(shè)備，但不屬于土壤水分監(jiān)測儀器的范疇，它只是一種方法。烘干法的內(nèi)容和方法在SL364-2006《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》5.2 節(jié)中有明確規(guī)定，目前烘干法依然是唯一校驗(yàn)儀器準(zhǔn)確度的方法[1]。
1.1 時(shí)域反射儀儀器(TDR)
TDR是近年來出現(xiàn)的測量土壤含水量的重要儀器，是通過測量土壤中的水和其它介質(zhì)介電常數(shù)之間的差異原理，并采用時(shí)域反射測試技術(shù)研制出來的儀器，具有快速、便捷和能連續(xù)觀測土壤含水量的優(yōu)點(diǎn)。
由于空氣、干土和水中的介電常數(shù)相對固定，如果對特定的土壤和介電常數(shù)的關(guān)系已知，就可間接對土壤水分進(jìn)行有效介電常數(shù)測量。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播速度與包圍在傳輸體上的物質(zhì)介電常數(shù)有關(guān)的基本原理，干燥土壤與水之間的介電常數(shù)具有很大的差別，所以該技術(shù)從理論上確立對土壤水分的測量有很好的響應(yīng)和靈敏度。
土壤的表觀介電常數(shù) K a 可以按如下公式轉(zhuǎn)換(Dirksen，1999)：
式中：T 為電磁波延波導(dǎo)頭傳輸?shù)臅r(shí)間，ns;L 為測量用的波導(dǎo)頭的長度，cm;C 為電磁波在真空中傳播速，cm/ns。
或直接將傳輸時(shí)間 T 和介電常數(shù) Ka 表達(dá)為：
TDR 信號脈沖延波導(dǎo)頭的起點(diǎn)到端點(diǎn)傳遞需要的時(shí)間可以通過測量確定。
TDR 特點(diǎn)分析如下：
1)時(shí)域反射法土壤水分監(jiān)測儀器沿著埋設(shè)在土壤中的波導(dǎo)頭發(fā)射高頻波，高頻波在土壤的傳輸速度(或傳輸時(shí)間)與土壤的介電常數(shù)相關(guān)，介電常數(shù)與土壤的含水量相關(guān)，這樣測量高頻波的傳輸時(shí)間或速度可直接測量土壤的含水量。理論上這是測量土壤水分監(jiān)測精度最高的技術(shù)。
2)因電磁波的傳輸速度很快，TDR 測定時(shí)間的精度需達(dá) 0.1 ns 級，因此 TDR的時(shí)間電路成本高，測量結(jié)果受溫度影響小。
3)TDR 水分傳感器高頻波的發(fā)射和測量在傳感器體內(nèi)完成，工作時(shí)產(chǎn)生 1 個(gè) 1GHz以上的高頻電磁波，傳輸時(shí)間為皮秒級，輸出信號一般為模擬電壓信號，可精確表達(dá)插入點(diǎn)處土壤的水分。根據(jù)不同的信號采集要求，TDR土壤水分傳感器也可輸出4～20 mA，或 232 串行接口數(shù)據(jù)。TDR 的上述輸出容易接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器，形成自動測量系統(tǒng)。
4)目前市場上的 TDR 土壤水分傳感器是典型的點(diǎn)式土壤水分測量儀器，體積小，重量輕，單個(gè)傳感器損壞可更換，運(yùn)行維護(hù)方便。
TDR 土壤水分傳感器主體是1個(gè)含有探針的密封探頭，當(dāng)探針完全插入土壤中時(shí)，測量輸出信號通過有線電纜輸出，可以接遙測終端，也可以接手持式儀表。TDR產(chǎn)品水分監(jiān)測示意圖如圖 1 所示。
1.2 時(shí)域傳輸型儀器(TDT)
TDT技術(shù)是另外一種土壤水分測量技術(shù)，TDT技術(shù)的特點(diǎn)就是電磁波在介質(zhì)中是單程傳播，檢測電磁波單向傳輸后的信號，并不要求獲取反射后的信號。該技術(shù)也是基于土壤介電常數(shù)的差異性來測定土壤含水率的[2]。
TDT 特點(diǎn)分析如下：
1)以 TDT 原理研制出的水分測定儀工作頻率較低，線路設(shè)計(jì)比較簡單，成本比 TDR 儀器低;
2)典型產(chǎn)品為帶狀土壤水分傳感器，在部分土質(zhì)不均勻土壤類型應(yīng)用中具有推廣應(yīng)用潛力;
3)基于 TDT 原理研制出的水分測定儀輸出信號一般為模擬量，可以接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器，形成自動測量系統(tǒng)。
圖 2 是一種長 3 m 的帶狀TDT水分傳感器應(yīng)用示例，土中所測植物根部土壤水分是圍繞著帶狀傳感器的圓柱體土壤水分的均值，因測量范圍是圓柱型土體帶，測量土體體積多，可有效避免點(diǎn)狀測量的偶然性，能取得測定地帶土壤水分的空間平均值。圖片上方是一些外掛的采集和顯示儀表。
1.3 頻域反射型儀器(FDR)
FDR土壤水分監(jiān)測傳感器的測量原理是插入土壤中的電極與土壤(土壤被當(dāng)作電介質(zhì))之間形成電容，并與高頻震蕩器形成1個(gè)回路。通過特殊設(shè)計(jì)的傳輸探針產(chǎn)生高頻信號，傳輸線探針的阻抗隨土壤阻抗變化而變化。阻抗包括表觀介電常數(shù)和離子傳導(dǎo)率。應(yīng)用掃頻技術(shù)，選用合適的電信號頻率使離子傳導(dǎo)率的影響最小，傳輸探針阻抗變化幾乎僅依賴于土壤介電常數(shù)的變化。這些變化產(chǎn)生1個(gè)電壓駐波。駐波隨探針周圍介質(zhì)的介電常數(shù)變化增加或減小由晶體振蕩器產(chǎn)生的電壓。電壓的差值對應(yīng)于土壤的表觀介電常數(shù)。
FDR 特點(diǎn)分析如下：
1)頻域測量技術(shù)用于土壤科學(xué)是近年才得到應(yīng)用的，采用在某個(gè)頻率上測定相對電容，即介電常數(shù)的方法測量土壤水分含量，已開展了近半個(gè)世紀(jì)了(Halbertsma等，1987)。頻域法，相比時(shí)域法結(jié)構(gòu)更簡單，測量更方便。但是，在過去，通常人們很難得到準(zhǔn)確的介電常數(shù)測量值。可靠的土壤水分含量必須對每一個(gè)應(yīng)用通過后續(xù)的標(biāo)定來得到。近年來，隨著電子技術(shù)和元器件的發(fā)展，測量介電常數(shù)的頻域水分傳感器已研制成功，由于頻域法采用了低于TDR的工作頻率，在測量電路上易于實(shí)現(xiàn)，造價(jià)較低。
2)頻域法儀器一般工作在 20～150MHz的頻率范圍內(nèi)，由多種電路可將介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為直流電壓或其它模擬量輸出形式，輸出的直流電壓在廣泛的工作范圍內(nèi)與土壤含水量直接相關(guān)。對傳輸電纜沒有十分嚴(yán)格的要求。
3)最初國內(nèi)研制 FDR 傳感器采用的是高頻電容式傳感器，后來逐漸更新為駐波式 FDR 傳感器。國內(nèi)最早研制的駐波式FDR土壤水分監(jiān)測傳感器因參照國外第 1 代 FDR 傳感器的設(shè)計(jì)思路，沒有溫度補(bǔ)償，測量結(jié)果變異大。國外駐波式FDR土壤水分監(jiān)測傳感器也在不斷革新，逐步增加了溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，相?yīng)提高了測量精度。但是，F(xiàn)DR 土壤水分監(jiān)測傳感器采用的是 100MHz左右的電磁波，所以，波在傳輸過程中受土壤的溫度和電導(dǎo)率(鹽份)的影響較大時(shí)，導(dǎo)致測量精度比 TDR 和TDT土壤水分監(jiān)測傳感器要低一些。
4)FDR土壤水分監(jiān)測傳感器一般輸出為直流電壓量，容易接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)連續(xù)、動態(tài)墑情監(jiān)測，可組建墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用比前2種低。
1.4 中子儀、負(fù)壓計(jì)、電阻儀
中子儀是歷史悠久的測量土壤體積含水量的儀器。中子水分計(jì)由高能放射性中子源和熱中子探測器構(gòu)成。中子源向各個(gè)方向發(fā)射能量在0.1～10.0M電子伏特的快中子射線。在土壤中，快中子迅速被周圍的介質(zhì)，其中主要是被水中的氫原子減速為慢中子，并在探測器周圍形成密度與水分含量相關(guān)的慢中子“云球”。散射到探測器的慢中子產(chǎn)生電脈沖，且被計(jì)數(shù);在1個(gè)指定時(shí)間內(nèi)被計(jì)數(shù)的慢中子的數(shù)量與土壤的體積含水量相關(guān)，中子計(jì)數(shù)越大，土壤含水量越大。
中子儀適合人工便攜式測量土壤墑情，采用中子水分儀定點(diǎn)監(jiān)測土壤含水率時(shí)，每次埋設(shè)導(dǎo)管之前，都應(yīng)以取土烘干法為基準(zhǔn)對儀器進(jìn)行率定[3]。
因中子儀器帶有放射源，設(shè)備管理使用受到環(huán)境的限制。
張力計(jì)是測量非飽和狀態(tài)土壤中張力的儀器。常用的張力計(jì)測量范圍為0～100kPa(Dirksen，1999)。水總是從高水勢的地方向流向低水勢的地方，土壤中的水分運(yùn)移基于土壤水勢梯度。水勢反映了土壤的持水能力。水分在土壤中受多種力的作用，使得其自由能降低，這種勢能的變化稱為土水勢(土壤吸力)。張力計(jì)的應(yīng)用原理類似于植物根系從土壤中獲取水分的抽吸方式，它測量的是作物要從土壤中汲取水分所施加的力。
因張力計(jì)價(jià)格低廉，可以在應(yīng)用研究田塊中大量布設(shè)來研究土壤水分布。壓力值顯示可以是指針式表和壓力傳感器，通過電氣改造，傳感器可用于自動測量。
電阻法常用多孔介質(zhì)塊石膏電阻塊測量土壤水分，因靈敏度低，目前應(yīng)用較少。
2 土壤水分監(jiān)測儀器技術(shù)指標(biāo)
土壤墑情監(jiān)測儀器的核心是土壤水分監(jiān)測傳感器，它將土壤中的含水特性物理量轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所能識別的電量。以建設(shè)自動墑情監(jiān)測站為目的，按照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，對土壤水分傳感器提出以下一些技術(shù)要求。
1)工作環(huán)境溫度：-25 ～ +55℃;
2)工作環(huán)境濕度：100 % RH(無凝結(jié));
3)誤差不超過 2 %(絕對含水率在 5 %～50 %范圍內(nèi)時(shí));
4)測量范圍：一般為 0～50 %;
5)穩(wěn)定時(shí)間：一般情況下應(yīng)不大于 10 s;
2.1 典型 TDR 儀器技術(shù)指標(biāo)
典型 TDR 土壤水分監(jiān)測傳感器以國外Trime-EZ便攜式土壤水分速測儀為例。
Trime-EZ TDR 土壤水分傳感器和手持讀表連用，可便攜式測量土壤水分，也可連接有模擬量接口的自動測報(bào)裝置。
測量范圍：0～100 % 體積含水量;
含水量 0～40 % 范圍： 精度 ±2 %;
含水量 40 %～70 % 范圍： 精度 ± 3 %;
重復(fù)測量精度：± 0.5 % ;
操作溫度 ：-15～50 ℃;
供電：7～15 VDC;
電量消耗： 靜態(tài) 8 mA，測量時(shí) 250 mA;
輸出：0～1 V 或 4～20 mA 或 RS-232 數(shù)字接口;
外殼防護(hù)等級：IP68;
纜線長度 5 m(可訂制特殊長度)。
2.2 典型 FDR 技術(shù)指標(biāo)
1)國外 FDR 產(chǎn)品以英國 ML2x 為例
該 FDR儀器能夠?qū)Ω黝愅寥篮投喾N介質(zhì)的水分進(jìn)行測量，可用作為水分定點(diǎn)監(jiān)測或移動測量的基本工具，該土壤水分探頭各項(xiàng)指標(biāo)如下：
測量范圍：0～100 % 體積含水量;
精度：± 5 %(0～ 70 ℃，儀器默認(rèn)土壤類型);
工作溫度： -10～+ 70 ℃;
尺寸：探針，60 mm 長， 總長，207 mm;
標(biāo)準(zhǔn)電纜長度： 5 m(最長可至 100 m)
2)國內(nèi) FDR 產(chǎn)品以水分傳感器 MP-406 為例
該土壤水分探頭各項(xiàng)指標(biāo)如下：
測量參數(shù)：0～100 % 體積含水量;
測量精度：給定土壤標(biāo)定后 ± 5 %;
測量區(qū)域：90 % 的影響在圍繞中央探針的直徑為 2.5 cm，長為 6 cm 的圓柱體內(nèi);
穩(wěn)定時(shí)間：通電后約 10 s;
響應(yīng)時(shí)間：0.5 s 內(nèi)對 99 % 的變化有響應(yīng);
工作電壓：7～15 V;
工作電流：20 mA;
輸出信號：0～1 V;
密封材料：PVC;
探針材料：不銹鋼;
電纜長度：標(biāo)準(zhǔn)長度 5 m;
最大傳輸長度：100 m。
3 土壤水分監(jiān)測儀器應(yīng)用與選型
3.1 使用要求
土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)包括土壤水分信息的采集、傳輸、存儲、處理及自動報(bào)送功能，其中采集是旱情監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，自動化的水分采集儀器必須測驗(yàn)準(zhǔn)確，質(zhì)量可靠。因此，監(jiān)測儀器從使用方面應(yīng)具備以下要求：
1)率定或標(biāo)定后，工作特性穩(wěn)定，無須再次標(biāo)定;
2)批量產(chǎn)品特性一致;
3)體積小巧，便于測量地點(diǎn)現(xiàn)場埋設(shè)后長期自動工作;
4)無須日常維護(hù)，適合于大批量建設(shè)無人監(jiān)測站;
5)價(jià)格適中，推廣應(yīng)用成本低廉。
3.2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例
在某實(shí)驗(yàn)站，按照 SL364-2006《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》中的儀器布設(shè)深度要求，采用 3 只土壤水分監(jiān)測傳感器，按10、20、40 cm 深度垂直布設(shè)[1]，連接數(shù)據(jù)采集傳輸終端(YDH-1型)，組建了 1 座墑情自動站，傳輸方式有GPRS、SMS 等通信選擇。圖 4為實(shí)驗(yàn)站土壤水分變化過程線圖，圖中曲線由細(xì)到粗分別代表 10、20、40cm的土壤深度處的水分變化;圖中豎線代表日降雨量，豎線下方標(biāo)明了日雨量值。附加的日降雨量信息用于對應(yīng)觀察土壤墑情的跟隨降雨的反應(yīng)變化情況。
4 結(jié)語
TDR土壤水分傳感器可水平或垂直埋設(shè)在土壤不同的深度，依照SL364-2006《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》要求，采用多點(diǎn)法測量不同土壤深度下的土壤水分分布。TDR儀器因發(fā)射頻率高，故測量精度高，儀器造價(jià)高。TDT儀器適用于土壤墑情的空間變異大或土壤質(zhì)地多樣的地帶，當(dāng)點(diǎn)狀的墑情不具備測點(diǎn)的代表性時(shí)，采用帶狀TDT 更為合適。FDR使用方法同TDR ，儀器發(fā)射頻率比 TDR 低，精度略低，儀器造價(jià)低。
土壤水分傳感器原理上存在土壤含水量→電壓/電流→土壤體積含水率的2個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)化過程。前一個(gè)過程由儀器的電磁波在介質(zhì)中傳播得到測量值后轉(zhuǎn)化為電壓/電流量，后一個(gè)過程由根據(jù)測得電壓/電流量來率定土壤水體積含水率的轉(zhuǎn)化公式。2個(gè)過程存在不同程度的轉(zhuǎn)化誤差，第 1 個(gè)過程受產(chǎn)品品質(zhì)因素影響，第2個(gè)過程受人為因素影響,均會導(dǎo)致儀器的準(zhǔn)確性存在一定的誤差。
目前國內(nèi)外土壤水分傳感器品種雖然較多，但是國內(nèi)還沒有 1 種儀器形成主流產(chǎn)品，國內(nèi)還沒有商品化TDR傳感儀器產(chǎn)品出現(xiàn)，土壤水分監(jiān)測傳感儀器產(chǎn)品還不太成熟，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對土壤水分監(jiān)測儀器的技術(shù)研究，并且要在實(shí)際應(yīng)用中加強(qiáng)儀器的對比測試、優(yōu)化篩選和應(yīng)用考核工作
