半個(gè)多世紀(jì)以來,對土壤水分測量的研究一直沒有停止，各種測量技術(shù)層出不窮 ,形成了各具特色的當(dāng)代土壤水分測量技術(shù)。對土壤水分的測量 ,可以從幾個(gè)方面進(jìn)行 ,一是直接測量土壤的重量含水量或容積含水量 ,如取樣稱重烘干法 、中子儀法 、測量土壤傳導(dǎo)性的各種方法等 ;另一類是測量土壤的基質(zhì)勢 ,如張力計(jì)法 、電阻塊法 、干濕計(jì)法等 ;還有一類非接觸式的間接方法 ,如遠(yuǎn)紅外遙測法 、地面熱輻射測量法 、聲學(xué)方法等

  烘干稱重法

這是目前國際上的標(biāo)準(zhǔn)方法 。烘干稱重法測量的是土壤重量含水量 ,有恒溫烘箱烘干法 、紅外線烘干法 、酒精燃燒法等 。烘干法的優(yōu)點(diǎn)是對設(shè)備要求不嚴(yán) ,就樣品本身而言結(jié)果可靠 。但它的缺點(diǎn)也是明顯的 ,烘干法費(fèi)時(shí) 、費(fèi)力 ,綜合費(fèi)用并不低 ;取樣會破壞土壤 ,深層取樣困難 ,定點(diǎn)測量時(shí)不可避免由取樣換位而帶來誤差 ,在很多情況下不可能長期定點(diǎn)監(jiān)測 ;受土壤空間變異性影響也比較大 ;如果測量目的是用于灌溉 ,還必須知道土壤各層次的容重。

張力計(jì)法

張力計(jì)是應(yīng)用得很廣泛的一種方法 ,它測量的是土壤的基質(zhì)勢 。張力計(jì)的關(guān)鍵部件是細(xì)孔毛瓷杯 ,孔徑約 110～115μm ,瓷杯與土壤緊密接觸 ,杯內(nèi)自由水通過杯壁孔隙與土壤水接觸 ,水和鹽可以順暢地進(jìn)出瓷杯 ,與土壤達(dá)到平衡 。通過與毛瓷杯相連的真空表或水銀柱讀出土壤基質(zhì)勢 。

張力計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)是在土壤比較濕潤的情況下測量土壤基質(zhì)勢很準(zhǔn)確 ,適合于灌溉和水分脅迫的監(jiān)測 。與測量土壤容積或重量含水量的方法相比 ,張力計(jì)法受土壤空間變異性的影響比較小 。它還是一種低成本設(shè)備的直接測量方法 ,能夠連續(xù)測量 。

張力計(jì)法的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在反應(yīng)慢 ,需要長時(shí)間平衡后才能讀數(shù) ;測量范圍通常只在水分飽和至70～80 kPa 吸力間 ,非常干燥的土壤中不適合 。如果瓷杯與土壤接觸不緊密 (如放置在根系活動(dòng)范圍內(nèi)或有機(jī)肥分解產(chǎn)生氣體的地方或土壤失水收縮嚴(yán)重時(shí)) ,會引起讀數(shù)的反應(yīng)遲鈍或停滯 。在測量過程中 ,特別是在高溫干旱季節(jié) ,需要經(jīng)常養(yǎng)護(hù)和給瓷杯補(bǔ)充水分 。毛瓷杯易損壞 ,需要定期維護(hù)和更換 ,勞力和時(shí)間消耗非常多 ,運(yùn)行費(fèi)用較高。

 射線法

 射線法包括中子散射法 、 γ射線法 、 Χ - 射線法等 。

射線法的原理是射線直接穿過土體的時(shí)候能量會衰減 ,衰減量是土壤含水量的函數(shù) ,通過射線探測器計(jì)數(shù) ,經(jīng)過校準(zhǔn)后得出土壤含水量 。

中子散射法測量結(jié)果非常準(zhǔn)確 ,是稱重法之外的第二標(biāo)準(zhǔn)方法 。測量相對比較簡單 、容易 ,速度也很快 。套管長久安放后不破壞土壤 ,能長期定位測定 ,可達(dá)根區(qū)土壤任何深度 。中子法需要田間校準(zhǔn)是主要的缺點(diǎn)之一 。另外 ,儀器設(shè)備昂貴 ,一次性投入大 。中子法對土壤采樣范圍為一球體 ,這使得在某些情況下測量結(jié)果出現(xiàn)偏差 ,如土壤處于干燥或濕潤周期時(shí) 、層狀土壤 、土壤表層等 。安裝套管時(shí)會破壞土壤 。

此外 ,中子儀存在潛在的輻射危害 ,操作者必須經(jīng)過培訓(xùn)并持有許可證 。目前有輕便手持式的中子儀 。另外 ,用自動(dòng)裝置把中子管在套管中按規(guī)定的時(shí)間和距離上下移動(dòng) ,使中子儀可用于短期實(shí)時(shí)測量 ,但長期大面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測仍幾乎不可能 。

   由土壤介電特性測量含水量的方法

TDR 和 FDR (包括電容法) 都是通過測量土壤表觀介電常數(shù)來得到土壤容積含水量的 。

   時(shí)域反射儀 (TDR)

時(shí)域反射儀 ( Time Domain Reflectometry) 是一項(xiàng)高速測量技術(shù) ,用來測量液體介電常數(shù)與頻率的關(guān)系 ,自從 Topp 等人對 TDR 做出關(guān)鍵性的發(fā)展后 ,便開始了一個(gè)大量使用 TDR 測量土壤水分的時(shí)期。由于 TDR 測量快速 ,一般不需標(biāo)定 ,可以作定位連續(xù)測量 ,既可以做成輕巧的便攜式作野外測量 ,又可與計(jì)算機(jī)相連 ,自動(dòng)完成單個(gè)或成批監(jiān)測點(diǎn)的測量 ,因此 20世紀(jì)90 年代后國際上已把 TDR作為研究土壤水分的基本儀器設(shè)備 。

TDR為目前測量土壤含水量的主流方法 。TDR可對土壤樣品快速 、連續(xù) 、準(zhǔn)確地測量  。一般不需標(biāo)定 ,測量范圍廣 (含水量 0～100 %) ,操作簡便 ,野外和室內(nèi)都可使用 ,可做成手持式的進(jìn)行田間即時(shí)測量 ,也可通過導(dǎo)線遠(yuǎn)距離多點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測 。TDR 能夠測量表層土壤含水量 (中子儀法不行)TDR 測量結(jié)果受土壤鹽度影響很小 ,但當(dāng)含鹽量增加后 ,脈沖信號從導(dǎo)波棒末端的反射會減弱 ,有人試圖在導(dǎo)波棒上使用涂層解決這一問題 ,但涂層又帶來新的問題 。在測量高有機(jī)質(zhì)含量土壤、高2:1 型粘土礦物含量土壤 、容重特別高或特別低的土壤時(shí) ,需要標(biāo)定 。TDR 的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜 ,導(dǎo)致設(shè)備昂貴 。

頻域反射儀 (FDR)

頻域反射儀 ( Frequency Domain Reflectometry)測量土壤含水量的原理與TDR類似。FDR幾乎具有TDR的所有優(yōu)點(diǎn)。與TDR 相比 ,在電極的幾何形狀設(shè)計(jì)和工作頻率的選取上有更大的自由度 ,例如探頭可做成犁狀與拖拉機(jī)相 連 , 在運(yùn)動(dòng)中測量土壤含水量 。大多數(shù)FDR 在低頻 ( ≤ 100 MHz) 工作 ,能夠測定被土壤細(xì)顆粒束縛的水 , 這些水不能被工作頻率超過 250MHz 的 TDR 有效地測定 。FDR 校準(zhǔn)比 TDR 可更少 ,也不需要專業(yè)知識去分析波形 。大多數(shù) FDR 探頭可與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器相連 ,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測。FDR 的讀數(shù)強(qiáng)烈地受到電極附近土體孔隙和水分的影響 ( TDR 也是如此) ,特別是對于使用套管的 FDR ,探頭 —套管 —土壤接觸良好與否對測量結(jié)果可靠性的影響非常大 。在低 頻 ( ≤20MHz) 工作時(shí)比 TDR 更易受到土壤鹽度 、粘粒和容重的影響 。另外 , 與純粹的 TDR 波形分析相比 ,FDR 缺少控制和一些詳細(xì)信息 。

   干濕計(jì)法

干濕計(jì)測量的是土壤水吸力 , 土壤水吸力在100～1500 kPa 時(shí) ,此法很有用 (而張力計(jì)適用于低吸力) ,特別當(dāng)土壤中含大量粘粒時(shí)非常適合 (而FDR 受到影響) 。干濕計(jì)只需在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn) ,不受土壤類型和土壤顆粒大小的影響 ,速度也比較快 。因?yàn)樗鼫y量的是基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢 ,所以此法廣泛地應(yīng)用于測定植物葉 、莖和根的水勢 ,也可取微小土樣室內(nèi)測量 。

當(dāng)土壤吸力小于100 kPa時(shí) ,干濕計(jì)法測量結(jié)果不準(zhǔn)確 。干濕計(jì)在測量過程中受熱量梯度的強(qiáng)烈影響 ,所以它在土壤表層測量結(jié)果不好 。干濕計(jì)法取樣的土壤體積很小 ,另外需要特殊的儀器設(shè)備對探頭信號放大和讀數(shù) , 價(jià) 格 昂 貴 。

碳酸鹽法

田間速測的碳酸鹽法 。其原理是 ,一小塊待測濕土樣與 CaCO3 在一個(gè)密封的容器中反應(yīng) ,釋放出CO2氣體 ,然后測定所產(chǎn)生的氣體的壓強(qiáng) ,再換算成土壤含水量 。該法比較便宜 ,一般用于田間快速測定 ,1～3min可測完一個(gè)樣品 。取樣會破壞土壤 ,此法需要特殊的設(shè)備 ,要消耗試劑 。

非接觸式方法 (遙測法)

非接觸式方法 (遙測法)可以進(jìn)行大面積的土壤水分監(jiān)測 。目前主要方法有 : ①測量土壤表面的輻射溫度 ; ②土壤表面溫度與植被指數(shù)相結(jié)合 ; ③微波法 。這些方法與其他信息 (如土壤表面能量平衡)結(jié)合 ,可以得到許多重要的數(shù)據(jù) (如蒸散量 、冠層阻力) 。與塔臺遙感 、航空遙感 、衛(wèi)星遙感結(jié)合 ,不僅能指導(dǎo)灌溉 ,還可以為區(qū)域水量平衡和水分調(diào)配提供重要依據(jù) 。