戲說幾種土壤水分測定方法

05-13

儘管監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。分別是烘乾法、電阻法、中子散射法、時域反射法TDR、頻域法FD。

烘乾法——測量土壤水分界的flag

烘乾法是測定土壤水分最經典的方法，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，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。

稱重完畢後，秒速放入105℃的烘箱，這個時候土樣要經歷整整12小時喪心病狂赤條條的燒烤模式。等燒烤模式結束，放入乾燥器內冷卻到室溫，然後馬上稱重。其中烘乾的標準為前後兩次稱重恆定不變。烘乾后土樣失去的水分即為土壤的水分含量。

烘乾法操作簡單、數據直觀，在測量精度上具有其他方法不可比擬的優勢；並且烘乾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。

而烘乾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，還需要乾燥箱及電源，中途多次需要人工看管，神煩！

它最大的槽點並不是持續時間長，而是無法實現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；所以烘乾法一直利用自己的優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。(*與其他方法數據對比時，需用環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後，測量電阻塊的電阻，然後得出土壤水勢。所謂的電阻是由多孔滲水介質（如石膏、尼龍、玻璃纖維）製成，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，可以多次重複使用；它不同於烘乾法，不破壞土壤，能留在田間連續自動，實現在線實時測量。

不妥的是電阻法有滯後作用，測量範圍一般只能到100kPa，乾燥後電阻塊易與土壤接觸不良，靈敏度也非常低。

適用範圍太過狹窄，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，結果就會出現偏差，所以此方法只適合非鹽鹼土。

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，並且標定結果會隨著時間發生變化。

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，更易於慢化；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，是烘乾法之外的第二標準方法；比烘乾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。套管永久安放後不破壞土壤，能長期定位測定，可達根區土壤任何深度。

儘管它作用強大，但設備昂貴，一次性投入大；並且需要田間校準；不得不提的是中子的發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定的時間和距離上下移動，中子儀即可用於短期實時測量，但長期大面積動態監測仍幾乎不可能。

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士，立求創立新世界；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。而且自帶殺手鐧，能在結冰狀態下測定土壤水分，這是其他方法都無法比擬的。

它徹底贏得了人類的芳心，因為它能同時監測土壤水鹽含量，且前後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籤，快速、準確、安全、方便、無需標定、便於自動控制……然而光環背後必有槽點，那就是貴！死貴！電路複雜導致它的造價成本高；儘管它可以實現在線連續監測，但穩定性差。

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，FD法帶著一股驕傲，向世人宣告：我，來了！

它有權驕傲，FD相比TDR測試原理，幾乎具備TDR的所有優點。它利用電磁脈衝原理、根據電磁波在介質中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數,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後面在運動中測量。它的測量結果最接近烘乾法的測量結果。

現在它是簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程、少標定的優質測量方法,受人推崇；但要知道這樣的成就並不是一蹴而就的。

多年以來，FD原理的土壤水分儀在精度上一直難以突破，成為它發展停滯的主要原因。但現在FD土壤水分儀的實驗測量精度已經達到了2%，這其中以東方生態自主研製的智墒為代表。

解決了精度的問題，FD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，穩定性好；比起TDR鋼鐵戰士的高冷，FD法顯得平易近人，無論從成本上還是從技術的實現難度上都比TDR 低，好用不貴成為它最突出的標籤。

掏出小本本總結：

烘乾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,不能實現土壤水分連續監測。受方法的制約,布設站點密度和監測頻次不可能很高。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、嚴格按規範流程進行操作。

電阻法、中子散射法,由於受自身技術的缺點限制,目前並沒有作為大規模推廣應用方法。

TDR法和FD法是現在土壤水分自動監測最常用的兩種技術方法,技術相對成熟、精度較高、便於攜帶。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,建立有關數學公式。這就要求相應的產品廠家要掌握其工作原理、標定方法,並根據不同土壤結構和特性建立不同的數學公式。

但從感測器性能、價格等方面綜合考慮, 相對於TDR,FD法具有穩定、受鹽分影響小、省電、電纜長度限制少,價格較低等優點。