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农业信息感知-土壤水分测定常用方法

已有 913 次阅读 2019-12-20 20:56 |系统分类:科研笔记

测定土壤含水量是土壤物理研究的基础,是植物生理、节水灌溉等科学研究的重要研究对象。土壤是由矿物质、有机质、水、空气和生物组成的复杂共生体,相互作用、相互依存、相互制约。由于土壤、大气环境、水与植物也构成了一个非常复杂的生态系统,各种因素交互作用、交叉影响导致了土壤水分的变化具有一定的不确定性,使得土壤水分的测量增加了难度。    

1)烘干法

烘干法(Thermo-gravimetric method)是目前公认的最准确的土壤含水量测定方法。它是将土样放到105℃的恒温箱中烘干24小时,然后计算此过程后的失水,通过失水情况进行土壤含水量计算的一种方法。烘干法能去除颗粒间大部分水分,但不能去除粘粒层间的水分子,土样温度保持105℃几天后,土样质量仍有下降[7],而且在烘干过程中还会挥发有机质的一些成分,这造成损失水分计量的误差。另外,在烘干时,烘箱温度有时很难精确、长期控制在105℃,这造成土样内部温度的不均匀,影响最后的测量精度。测定时间较长是此法的另一个缺陷,虽然一般情况下,恒温箱中烘干68小时已经具有足够精度[1],但有时仍然无法满足科研和生产的具体要求。由于此法需要实验室中进行,土壤扰动是这种方法无法避免的另一技术问题,根据Holmes等人的研究,田间取样的变异系数为10%甚至更大[8],这造成了烘干法测量的重要人为误差。烘干法不能在同一地点进行重复数据采集,这制约了土壤物理微观特性研究和性状改变的对比研究。

微波烘干法是一种取代常规高温烘烤的快速干燥土壤的方法。此法烘干土样一般只需36min左右,但由于土样内部温度更不均匀,温度更不易控制,土壤有机质极易氧化变性及挥发,所以这种方法并未推广开来[7, 9]

(2)射线法

射线法包括中子法和γ射线法两大类。

中子法是采用中子仪进行土壤含水量测定的方法。中子仪由探头和计数器两部分组成,其中探头由一个压缩的放射源和探测器组成,放射源通常是Ra-9Be241Am-9Be的混合物。土壤含有很多元素(AlSiO),其中的氢原子主要由H20提供,RaAm发射出的中子与土壤中H原子核碰撞,其速度会减缓(H原子与中子质量相当)并最终达到氢原子热运动的特征速度,所以热化中子数量与放射源附近氢原子浓度成比例,故能反映土壤含水量大小。中子法测定土壤体积大(0.150.5m[10],可现场测量,能连续反复检测,不受土壤盐分和气隙影响,适用于长期的科研和生产任务。但中子法具有放射性,在使用前的标定较为繁琐,仪器体积大、价格昂贵、空间分辨率低是目前中子仪的主要不足,中子仪在测定表层土壤时也可能产生较大误差。

γ射线仪采用放射性同位素137Cs241Am进行水分测量。与中子仪不同,其放射源和监测器分离为两部分。放射源射出波长很窄的一束γ射线,透过已知厚度土壤后,由于康普顿作用,γ射线被吸收和散射,监测器接收到较少的γ射线,由此可推断土壤含水量。γ射线法的空间分辨率高,可以测定表层土壤水分,但测量时需要两个精确的平行测孔,这在一定程度上限制了其精度和推广[8]

(3)张力计法

建立在土壤水分能量关系基础上的张力计法是检测土壤水势和水分的常用方法之一。Gardner [11]较早开始利用张力计进行土壤水分试验,Deans and Milne [12]将张力计和压力传感器结合,研制了自动记录功能的测量系统。一些采用石膏包裹电极的方法实际也属于此法[13]。张力计法需要根据土壤水分特性曲线确定土壤含水量,其测量精度受到十分复杂的土壤水能关系影响,其误差有时很大;同时受陶土头限制,其测试范围较窄[14]

(4)热学法

土壤中,热容量最大的是水分,其体积热容量数值为4.2 J/(cm3 ),干土壤的热容量约为0.84 J/(cm3 ),两者比值约为5,虽然相差较小,但还是可以通过测量土壤热容量来推算土壤含水量的多少。Patten最早在1905便发现土壤热传导随含水量的变化而变化的规律,ShawBauer利用热阻丝与1939年进行了热学法土壤水分研究[14]Bristow, Campbell and Calissendorff [15]Bristow [16]用双针热脉冲法进行了土壤含水量测量及误差分析,Ren, Ochsner, Horton and Ju [17]使用热脉冲法进行了土壤含水量测定方法研究,取得了较好的研究结果。由于土壤热特性十分复杂,受土壤和水等许多因素影响,热学法还需更多研究予以推进。

随着光纤测温技术的发展,目前可通过分布式光纤感测技术实现分布式、大范围、实时性、稳定性以及鲁棒性的广域土壤水分测量。

(5)电磁法

电磁法是所有依靠土壤阻抗、电容等特性进行土壤含水量测量的方法总称。土壤和水的混合物可视为有损耗的阻抗元件,不同含水量会造成土壤电导和电容的变化,通过传感器形成的夹具,将土壤和传感器视为一变化的阻抗器件,通过特殊电路便可测量出土壤水分的多少。按照目前传感器的种类和原理,电学法可分为电导(电阻)传感器和介电传感器两大类。由于土壤和水的混合介质中,电导(电阻)受土壤水、土壤矿物质盐分、土壤有机质、胶体电荷等多种因素影响,所以其精度无法保障,只能用于简单的土壤干湿度表示。介电传感器是通过测量土壤介电常数(视在介电常数)进行土壤含水量测量的一种传感器,由于土壤矿物质的介电常数一般为25左右,空气的介电常数为1,25℃水的介电常数为80,所以可以通过混合物的介电常数进行土壤含水量的精确表示。虽然介电常数受一些因素影响,但可以通过时域、频域等不同手段找出其精确测量的方法,所以介电传感器成为目前土壤含水量测量的主要形式,成为自动化测量、精确测量、小型化测量的主力代表。介电传感器目前分为时域传感器,包括TDRTDTGPR(探底雷达,Ground penetrating radar)等技术;以及频域传感器,包括FDRADR(幅域反射,Amplitude domain reflectometry)、电容传感器(Capacitance)、PT(移相法,Phase transmission)和RS(遥感法,Remote sensing)等几种技术[18]

    微波遥感卫星是进行广域土壤含水量或者全球气候监测系统(GCOS-the Global Climate Observing System)的重要工具。它通过主动或者被动微波雷达进行土壤含水量的监测。CCIthe Climate Change Initiative)通过C波段散射计(ERS-1/2METOP先进散射计)和多频段散射计(SMMR, SSM/I, TMI, AMSR-E, Windsat)进行土壤监测。

6)超声波法

    利用超声波波速与土壤含水量关系,可以通过仪器检测超声波波速,然后计算出土壤含水量。[19]以广东省红壤、赤红壤、水稻土为研究对象,设计了一种超声波土壤含水量检测装置,并利用 ZBL-U510 型非金属超声波检测仪在 3 种不同温度环境下(102030 ℃)对不同含水量的土壤样本进行声速测定,构建了土壤体积含水量与超声波差值声速的温度效应数学模型。

7)近红外反射法

    根据水在特定红外波段上大量吸收红外辐射的原理进行工作。当红外辐射从土壤中反射或透射时,辐射的衰减情况就可以反射土壤中水的含量。近红外反射法优点是与土壤非接触:但受土壤表面粗糙程度影响大,同时受土壤表面水分孔隙充满状况的影响,而且它能测量土壤表层含水量,如果要测量土壤深层含水量,就必须对土壤进行开槽测量。

    随着科学技术的发展,新的科学技术不断应用到土壤测量之中,目前X光断层技术、核磁共振技术(NMR-Nuclear manetic resonance)和PT(分离示踪剂法,Partitioning tracer)已经应用到土壤水分测量技术之中[18]NMR可确定土壤中水分的静态和动态特征,但目前土壤中水分特性与NMR测量值关系还需进一步研究。PT法适用于小尺度至大面积的土壤水分含量测量,但在非均匀介质中的精度较差。PT法在进行区域水分测量时,其分离示踪剂的消耗成本太高。因此,这些新技术还需要进一步的提高和推广。此外,法国国立农学研究所(INRA)曾开发过一种旱敏传感器(Pepista);[20]发现棉花颈部收缩和恢复与棉花缺水程度密切相关 Mcburn1984年考察了白菜茎部水势同茎部直径的关系,探讨了生物方式进行土壤水分的检测[21];Tyree and Hammel [22]认为植物缺水会产生一个150kHz左右的超声波,利用声波强度可以检测植物乃至土壤缺水情况;Okushima, Sase, Ohtani, Shimojyo and Higo [23]利用特殊仪器,发现植物缺水时会发出“劈啪声”;Tanner [24]提出利用叶片温度推断植物水分亏缺,进而推断土壤水分。

    从以上土壤水分检测手段来看,受检测精度、适应性、技术成熟度、价格高低和自动化程度等因素影响,电磁法中的介电法是目前精度较高、价格适中、自动化程度最高的一种土壤量测方式,深入开展土壤介电特性研究,不断挖掘土壤介电机理特性,从技术角度上更好的提高介电传感器的精度和适应性,解决温度、盐分、频率、土壤种类等对介电技术的影响,这在理论研究和应用方面都有着重要意义。







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2 檀成龙 杨卫东

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