九州晟欣解析幾種土壤水分測定方法

　　盡管監(jiān)測土壤含水量的方法眾多，但在具體測定土壤水分時，只是選擇其中一種，今天我們就介紹幾種常用的測定方法。分別是烘干法、電阻法、中子散射法、時域反射法TDR、頻域法FD。

　　烘干法——測量土壤水分界的flag

　　烘干法是測定土壤水分最經(jīng)典的方法，也是標準方法，是衡量其他方法是否靠譜的標尺。它需要從野外獲得新鮮土樣，為了避免土壤水分蒸發(fā)，一拿到土樣就得趕緊伺候到鋁盒，蓋緊八百里加急送回實驗室，立即稱重。

　　稱重完畢后，秒速放入105℃的烘箱，這個時候土樣要經(jīng)歷整整12小時喪心病狂赤條條的燒烤模式。等燒烤模式結束，放入干燥器內(nèi)冷卻到室溫，然后馬上稱重。其中烘干的標準為前后兩次稱重恒定不變。烘干后土樣失去的水分即為土壤的水分含量。

　　烘干法操作簡單、數(shù)據(jù)直觀，在測量精度上具有其他方法不可比擬的優(yōu)勢；并且烘干法所有的操作者都有一個令人印象深刻的特點，那就是快！能做2秒的實驗員堅決不做5秒的。

　　而烘干法最常被吐槽的就是費時費力費心，操作時長超過12小時，操作過程繁雜，還需要干燥箱及電源，中途多次需要人工看管，神煩！

　　它最大的槽點并不是持續(xù)時間長，而是無法實現(xiàn)對土壤水分的在線快速測量；在實時性方面，無法達到性能要求；在灌溉自動控制方面，不能滿足快速測量的要求；所以烘干法一直利用自己的優(yōu)點承擔測量土壤水分界的flag；也正因為它的缺點，所以一直是flag。(*與其他方法數(shù)據(jù)對比時，需用環(huán)刀法或者乘以容重換算得到土壤體積含水量。)

　　電阻法——古老的第三者插足法

　　這次人類沒有選擇和土壤親密接觸，而是利用了第三者，即電阻。電阻法是一種比較古老的方法，把嵌有電極的電阻塊放到土壤中，當電阻塊中的水勢與土壤水勢平衡后，測量電阻塊的電阻，然后得出土壤水勢。所謂的電阻是由多孔滲水介質（如石膏、尼龍、玻璃纖維）制成，利用它們的電阻大小與含水量相關的特性測量土壤水分。

　　電阻法最令人欣慰的就是成本低，可以多次重復使用；它不同于烘干法，不破壞土壤，能留在田間連續(xù)自動，實現(xiàn)在線實時測量。

　　不妥的是電阻法有滯后作用，測量范圍一般只能到100kPa，干燥后電阻塊易與土壤接觸不良，靈敏度也非常低。

　　適用范圍太過狹窄，任何與土壤水分變化無關的土壤電導變化（如施肥）都會被檢測到，結果就會出現(xiàn)偏差，所以此方法只適合非鹽堿土。

　　而最遭人詬病的是需要標定，因為電阻法很容易受土壤性質影響，并且標定結果會隨著時間發(fā)生變化。

　　中子散射法——此物危險！

　　中子法適合測定野外土壤水分。它是將中子源埋入土壤中，中子源不斷發(fā)射快中子，快中子進入土壤介質與各種原子離子相碰撞，快中子損失能量，從而使其慢化。當快中子與氫原子碰撞時，損失能量最大，更易于慢化；慢中子云密度與氫元素含量呈正比。土壤中水分含量越高，氫就越多，使得慢中子云密度就越大，從而可以由慢中子云密度得到相應的土壤水分含量。

　　中子散射法測量結果非常準確，是烘干法之外的第二標準方法；比烘干法先進的是它可以消除土壤水分田間不均勻的影響。而且測量簡單、容易，快速。套管永久安放后不破壞土壤，能長期定位測定，可達根區(qū)土壤任何深度。

　　盡管它作用強大，但設備昂貴，一次性投入大；并且需要田間校準；不得不提的是中子的發(fā)射源會對測量人員的健康造成損害，因此推廣受到限制。

　　此外，用自動裝置把中子管在套管中按規(guī)定的時間和距離上下移動，中子儀即可用于短期實時測量，但長期大面積動態(tài)監(jiān)測仍幾乎不可能。

　　時域反射法TDR——離完美只差一點點

　　TDR法是上世紀80年代發(fā)展起來的一種土壤水分測定方法。它就像在舊社會中突起的鋼鐵戰(zhàn)士，立求創(chuàng)立新世界；獨立性強，掙脫各種束縛，測量結果不受土壤類型、密度、溫度的影響。而且自帶殺手锏，能在結冰狀態(tài)下測定土壤水分，這是其他方法都無法比擬的。

　　它徹底贏得了人類的芳心，因為它能同時監(jiān)測土壤水鹽含量，且前后兩次測量的結果幾乎沒有差別，TDR精確度可見一斑。

　　它測定的土壤表層的含水量比中子儀所測定的精度要高出太多，渾身貼滿了倍受愛慕的標簽，快速、準確、安全、方便、無需標定、便于自動控制……然而光環(huán)背后必有槽點，那就是貴！死貴！電路復雜導致它的造價成本高；盡管它可以實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測，但穩(wěn)定性差。

　　頻域法FD——被偏愛的有恃無恐

　　當其他原理還在努力修復自己的缺點，F(xiàn)D法帶著一股驕傲，向世人宣告：我，來了！

　　它有權驕傲，F(xiàn)D相比TDR測試原理，幾乎具備TDR的所有優(yōu)點。它利用電磁脈沖原理、根據(jù)電磁波在介質中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù),從而得到土壤容積含水量。比TDR更高級的是，它的探頭形狀非常靈活，甚至可以做成犁狀放在拖拉機后面在運動中測量。它的測量結果最接近烘干法的測量結果。

　　現(xiàn)在它是簡便安全、快速準確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標定的優(yōu)質測量方法,受人推崇；但要知道這樣的成就并不是一蹴而就的。

　　解決了精度的問題，F(xiàn)D法徹底所向披靡，無需嚴格校準，操作簡單，方便快捷，更重要的是精度高，穩(wěn)定性好；比起TDR鋼鐵戰(zhàn)士的高冷，F(xiàn)D法顯得平易近人，無論從成本上還是從技術的實現(xiàn)難度上都比TDR 低，好用不貴成為它最突出的標簽。

　　掏出小本本總結：

　　烘干法雖然能較準確地獲得土壤水分含量,但工作量大,耗時耗力,不能實現(xiàn)土壤水分連續(xù)監(jiān)測。受方法的制約,布設站點密度和監(jiān)測頻次不可能很高。作為標準方法, 在實際應用中還需進一步加強技術人員培訓、嚴格按規(guī)范流程進行操作。

　　電阻法、中子散射法,由于受自身技術的缺點限制,目前并沒有作為大規(guī)模推廣應用方法。

　　TDR法和FD法是現(xiàn)在土壤水分自動監(jiān)測最常用的兩種技術方法,技術相對成熟、精度較高、便于攜帶。不可避免的它們都受土壤質地、容重、溫度、土壤空隙的影響；土壤濕度過大時，測量結果會有偏差。

　　需要提示的是這兩種方法都是通過測定土壤介電常數(shù)間接測量土壤體積含水量, 需要對土壤進行標定,建立有關數(shù)學公式。這就要求相應的產(chǎn)品廠家要掌握其工作原理、標定方法,并根據(jù)不同土壤結構和特性建立不同的數(shù)學公式。

　　但從傳感器性能、價格等方面綜合考慮, 相對于TDR,FD法具有穩(wěn)定、受鹽分影響小、省電、電纜長度限制少,價格較低等優(yōu)點。

?