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(cè)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(guó)內(nèi)外最主流的土壤含水率測(cè)定方法，包括稱(chēng)重法、電阻率法、FDR法、灰度反演法、光譜分析法、紅外線感測(cè)法、中子法、γ射線法、TDR、分布式光纖測(cè)量法（DWS法）、遙感測(cè)定法、探地雷達(dá)法；并且對(duì)這些方法的原理優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

土壤；含水率；測(cè)定方法；參數(shù)

大量閱讀有關(guān)土壤水分入滲文獻(xiàn)之后發(fā)現(xiàn)，關(guān)于土壤含水率測(cè)定方法總結(jié)的文章幾乎沒(méi)有，廣大實(shí)驗(yàn)員需要大量翻閱資料來(lái)查詢，所以，本綜述在滿足自身需要的同時(shí)，也希望幫助大家節(jié)省寶貴時(shí)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(zhǎng)狀況、季節(jié)性凍土滲透特性、污染物運(yùn)移等諸多問(wèn)題。其中，土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)定包括土壤水吸力、土壤含水率、導(dǎo)水率K（θ）、擴(kuò)散率D（θ）、水容量C（θ）等，應(yīng)用物理方法研究土壤水分運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是解析法還是數(shù)值法都離不開(kāi)土壤含水率的測(cè)定。所以，研究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，土壤含水率的測(cè)定是必不可少的，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)主流的土壤含水率的測(cè)定方法進(jìn)行了總結(jié)。

1 土壤含水率測(cè)定方法研究進(jìn)展

1.1 稱(chēng)重法

稱(chēng)重法是將土壤原封不動(dòng)地采集到實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行濕質(zhì)量測(cè)量，然后放入105～110℃的烘干箱中烘干，再進(jìn)行稱(chēng)質(zhì)量。其中，根據(jù)土壤質(zhì)地不同要求，對(duì)土壤的烘干時(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)必須強(qiáng)調(diào)，對(duì)于土壤的采集必須放入鋁盒并加以封閉。稱(chēng)重法測(cè)量土壤含水率的優(yōu)點(diǎn)是可以直接精確地測(cè)量出土壤準(zhǔn)確的含水率；缺點(diǎn)是破壞了土壤的連續(xù)觀測(cè)，且測(cè)定周期長(zhǎng)，過(guò)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(lái)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(cè)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(shí)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(guò)電磁波在不同類(lèi)型土壤中振蕩頻率的變化來(lái)測(cè)定其介電常數(shù)，進(jìn)一步通過(guò)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(jiàn)光反射作用，對(duì)于給定的土壤由于土壤成分的不同，土壤會(huì)對(duì)可見(jiàn)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(guò)土壤灰度值的變化來(lái)反映土壤的含水率簡(jiǎn)單有效。因?yàn)橐巴馔馏w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(cè)量誤差相對(duì)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(guò)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(guò)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(méi)有被廣泛使用。

1.6 紅外線感測(cè)法

紅外線感測(cè)法是通過(guò)對(duì)一個(gè)地區(qū)的紅外輻射強(qiáng)度來(lái)判斷含水率，因?yàn)椴煌耐寥谰哂胁煌臏囟龋煌臏囟染蜁?huì)有不同的紅外輻射強(qiáng)度；由于紅外輻射強(qiáng)度受到外界影響因素較大（包括植被、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度以及大氣濕度等），測(cè)量誤差同樣很大[5-6]。

1.7 中子法

中子法屬于間接測(cè)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(cè)。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(duì)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(cè)定土壤含水率的缺點(diǎn)是不能測(cè)定不連續(xù)的含水率，測(cè)量誤差相對(duì)較大，需要對(duì)誤差進(jìn)行分析。中子法測(cè)量土壤含水率對(duì)于室外測(cè)量是一大突破，由于中子儀便于攜帶，而且測(cè)量速度快，保護(hù)原有土壤不破壞原有水分，且受到溫度影響較小，對(duì)于連續(xù)測(cè)量無(wú)后續(xù)滯后現(xiàn)象，可以定點(diǎn)定位一直持續(xù)使用，對(duì)于野外作業(yè)是一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)[7]。對(duì)于中子儀還有一個(gè)別的方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)土壤深度超過(guò)1.5 m以上，中子儀可以顯示其優(yōu)越的特點(diǎn)，同時(shí)無(wú)論是嚴(yán)寒酷暑，中子儀都可以測(cè)量，省時(shí)省力[8]。中子儀在國(guó)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(duì)于國(guó)外的產(chǎn)品相形見(jiàn)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(cè)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(shí)，放射強(qiáng)度的衰減被固體和水分吸收。所以，可以根據(jù)放射強(qiáng)度衰減的改變，查找事先制定好的率定曲線，來(lái)確定含水率。γ射線法測(cè)定土壤含水率的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行測(cè)量的時(shí)候要予以考慮；缺點(diǎn)是對(duì)人體輻射太大，有害身體健康。圖2為γ射線儀。

1.9 時(shí)域反射法 （Time Domain Reflectometry，TDR）

時(shí)域反射儀進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)比較晚，20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)入我國(guó)，它是利用電磁波進(jìn)行土壤含水率測(cè)定，具有快速、簡(jiǎn)便、精確等特點(diǎn)[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(shí)域反射儀最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，而且時(shí)域反射儀探頭樣式很多（橫插式、直插式），同時(shí)時(shí)域反射儀較其他儀器也具有使用方便的功能，精度相對(duì)于其他儀器很高，時(shí)域反射儀是一款使用前景很大的儀器；缺點(diǎn)是國(guó)內(nèi)尚且沒(méi)有公司在生產(chǎn)，而且儀器價(jià)格昂貴，推廣困難。

1.10 分布式光纖測(cè)量法（DWS法）

DWS是一個(gè)加熱光纜和DTS的合成系統(tǒng)（圖4），其基本原理是對(duì)預(yù)先埋設(shè)如土壤中碳纖維加熱的溫度進(jìn)行測(cè)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(qiáng)。該方法優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量深度、范圍廣，可以深入到幾十米甚至幾百米，測(cè)量受植被的影響較小，可實(shí)現(xiàn)大尺度、大范圍、苛刻環(huán)境下的高精度測(cè)量，對(duì)于研究沙塵暴暴發(fā)條件、沙漠化進(jìn)程、區(qū)域植被生長(zhǎng)情況等意義巨大。缺點(diǎn)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(jìn)去[11-12]。DWS法無(wú)法測(cè)量碌石等粗顆粒土體的含水率，實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差大，測(cè)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(cè)定法

遙感測(cè)定法的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且可以實(shí)現(xiàn)大面積主動(dòng)與被動(dòng)的監(jiān)測(cè)[14-15]。遙感測(cè)定法屬于大范圍的測(cè)定方法，這是由其本身性質(zhì)決定的，但是由于測(cè)量范圍比較廣，導(dǎo)致測(cè)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(jìn)一步提高，從而適應(yīng)土壤含水率真實(shí)的測(cè)量。

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

其是利用電磁波的性質(zhì)（反射、透射、折射）進(jìn)行測(cè)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(shí)候會(huì)影響到電磁波的傳播路徑強(qiáng)度和波形，因?yàn)殡姶挪ㄊ艿浇殡姵?shù)影響，不同的介質(zhì)會(huì)釋放出不同的介電常數(shù)；當(dāng)電磁波再次返回來(lái)的時(shí)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(huì)根據(jù)波形行走時(shí)間和波形大小幅度來(lái)區(qū)分不同的介質(zhì)，從而起到監(jiān)測(cè)的作用[16]。GPR是一種中度范圍的測(cè)量方法[17]，彌補(bǔ)了中度范圍測(cè)量的缺失，GPR的出現(xiàn)是現(xiàn)代科技的發(fā)展物，它以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)讓測(cè)量土壤含水率更加方便快捷精確[18-20]。國(guó)外的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟[21-22]。缺點(diǎn)是國(guó)內(nèi)尚且沒(méi)有廠家生產(chǎn)，從國(guó)外引進(jìn)價(jià)格昂貴。GPR自身的優(yōu)勢(shì)也是其自身的缺點(diǎn)，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(shí)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(cè)定，對(duì)于大深度（20 m以上）的土壤含水率測(cè)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(wú)規(guī)律，且埋入較深，用物理方法和定性定量的方法無(wú)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(diǎn)決定了有解決此問(wèn)題的可能性[29-30]，相信在不久的將來(lái)GPR將會(huì)有一個(gè)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(cè)定方法，可以滿足廣大實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)員要根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)要求合理適當(dāng)?shù)剡x擇方法，才可以準(zhǔn)確地測(cè)量出土壤真實(shí)的含水率。概括了國(guó)內(nèi)外測(cè)量含水率的主流方法，各種方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)以及技術(shù)原理上的缺陷。希望通過(guò)廣大實(shí)驗(yàn)員的實(shí)踐，不斷地改進(jìn)方法，改進(jìn)儀器的技術(shù)，讓土壤含水率的測(cè)定更加簡(jiǎn)單、直接、有效、真實(shí)。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(cè)定土壤含水率的方法，來(lái)滿足各種實(shí)驗(yàn)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。