新型土壤墑情監測技術方法在黑龍江省的應用研究

吳冬平

(黑龍江省防汛抗旱辦公室，哈爾濱150001)

1 背景和必要性

1.1 旱情監測現狀

經過多年的建設發展，我國在防洪體系工程與非工程措施建設上取得了很大成就，已建立起各類水文監測站網，技術水平和自動化程度不斷提高，在防洪減災、保障人民生命和財產安全，促進經濟社會發展等方面發揮了重要作用。但與防洪減災工作相比，我國的抗旱減災工作嚴重滯后，與新時期防汛抗旱并重以及全面抗旱的需求還有較大差距。特別是作為抗旱減災的重要基礎，我國的旱情監測體系還很不完善，不能滿足當前抗旱減災的需要，主要表現是旱情監測手段落后，基層站網不足，特別是土壤墑情監測站嚴重不足，不足以形成站網體系［1］。

1.2 新技術應用趨勢

鑒于目前我國旱情監測工作十分薄弱而需求十分迫切的狀況，而土壤墑情又是反映旱情的一個直接的重要指標，因此，國家防總在前期工程建設經驗成果基礎上，根據最新的調查統計結果和相應的業務需求分析，加大了對旱情信息采集系統的建設力度，重點增加了墑情信息采集實驗站的數量，采用當前國際新技術，對傳統墑情信息方法方式做了必要的改進和重點建設［2］。

1.3 黑龍江省研究狀況

黑龍江省是國家防總旱情監測試點省份之一，承擔項目前期儀器參數率定和相關標準的制定任務，土壤墑情監測技術研究，走在全國前列。

2 土壤墑情監測技術介紹

2.1 烘干法

烘干法是通過濕土稱重、干燥脫水，然后再稱干土重來測定土樣的質量含水量。在田間用土鉆采集有代表性的土樣，刮去土鉆上部浮土，將所需深度的土壤10～20 g裝入已知準確質量的鋁盒內蓋緊，帶回室內稱重，精確至0.01 g。將盒蓋傾斜放在鋁盒上，置于已預熱至105℃的恒溫干燥箱中烘6～8 h，取出，蓋好，在干燥器中冷卻到室溫，立即稱重，精確至0.01 g。通過公式可計算出土壤質量含水量。

烘干法具有各種操作不便等缺點，但作為直接測量土壤水分含量的唯一方法，在測量精度上具有其它方法不可比擬的優勢，因此它作為一種實驗室測量方法并用于其它方法的標定將長期存在。

2.2 中子法

中子法的基本原理是中子放射源所放射的快中子或高能中子在土壤中通過散射作用同各種原子核發生彈性碰撞，能量逐漸損失后成為慢中子(熱中子)。由于土壤中以不形式而存在的氫原子對快中子的慢化作用較之其它重原子大很多。因此可以認為慢中子的有效強度同土壤中水分含量具有較密切的關系。此方法對水分反應靈敏，可測出平均含水量隨深度的變化，測量的范圍寬。此方法不用取樣，不擾動土壤，不受水分物理狀態(如冰凍、結晶水)的影響，鋁導管埋好后，可以長期使用，測量速度快。中子法的主要缺點是標定過程需要其他方法(一般是烘干法)配合使用，并且儀器比較昂貴，對深度分辨不準確，測定結果與土壤中許多物理和化學特性有關。接近地表及地表水分的精度稍差。

相對于取土烘干法，中子法可以更快速準確地測定田間土壤水分狀況，并且可以在相同地點連續反復監測。

2.3 時域反射儀(TDR)法

時域反射儀法也是一種通過測量土壤介電常數來獲得土含水率的一種方法，是80年代發展起來的快速準確測定土壤容積含水量的儀器，它可以定點、定位地、周期反復地測定土壤容積含水量的變化。其測定原理是自然水的相對介電常數為80(20℃時)，干土的相對介電常數為5，空氣的相對介電常數為1，水的相對介電常數遠大于空氣和土壤的相對介電常數，所以土壤含水量對土壤相對介電常數影響很大。時域反射儀(Time Domain Reflectormeter)是通過測定土壤的相對介電常數，再將其校準為一個雙探頭(一般為30cm左右)，形成兩個平等的導波線，通過導線傳遞電磁輻射脈沖波，脈沖在探頭的末端反射出來，并返回到源，源通過示波器測其透射的時間和速度。導波線之間土壤的相對介電常數使得脈沖的速度與已知的真空中光的速度相偏離，據此可以根據透射的時間推算土壤介質的相對介電常數。利用土壤含水量與相對土壤介電常數經驗公式來計算出土壤含水量。

TDR法是一種快速測定土壤含水量的方法之一，相對不受土壤類型的影響，不損壞土體，適合于表層和剖面上的重復連續測定，且分辨率高，精度好。它既可測定土壤某一點水分，也可以連續多路傳感器，測定多點土壤含水量。此外，TDR沒有輻射，不會對人體造成危害。由于以上優點，TDR不僅適于野外大規模的田間水分連續動態監測，也能滿足室內試驗土壤含水量測定的需求，是一種具有前景的土壤水分測定設備。黑龍江省當前就采用這種方法監測。

3 TDR法土壤水分傳感器的標定

每一臺TDR法土壤水分傳感器在應用前，必須根據當地土壤特性進行標定，方可應用。采用三次方程轉換法進行標定，在0～60%(m3/m3)范圍內，可通過設定以下三次多項式的常數，得到土壤含水量的轉換結果。計算公式為:

黑龍江某地區土壤的標定特性如下:

3.1 線性轉換表

線性轉換表見表1。

表1 線性轉換表

3.2 標定方程

3.3 特性曲線

SWR型土壤水分傳感器3次特性曲線見圖1。

4 烘干法和儀器測量的對照

4.1 試驗原理

用烘干法測量土壤水分傳感器埋設點附近的土壤質量含水量，即用土鉆采集土樣，放入105～110℃的烘箱中烘干24 h，稱取烘干前后的質量，根據公式計算出土壤質量含水量。用環刀測量土壤的容重，計算出土壤的容積含水量并做記錄，同時記錄下當時通過儀器測量的土壤容積含水量，每間隔10 d采樣1次，如果遇到降水，每3 d測量1次，通過3～4個月的長期監測，然后對所記錄的數據進行分析處理。

圖1 SWR型土壤水分傳感器三次特性曲線

4.2 烘干法和儀器測量的相關分析

烘干法與儀器法對照是一個長時間的過程，兩種方法之間出現的偏差主要是由烘干法測量時的隨機誤差(來源是操作誤差和取樣點的空間變異性)引起的。因此需要通過對一段時間(3～4個月)的測量數據進行相關分析，然后經過校正，測量誤差將減至允許范圍內(＜±2.5%)。

黑龍江省某地區的對照測量數據為例，表2所記錄的是站2006年5月—9月的20 cm深處的測量與對照數據:

測量深度:20cm 容重:1.46g/cm3

表2 2006年5月—9月20cm深處的測量與對照數據

表2中的數據顯示儀器法測量的數據比烘干法測量的數據均偏小，其主要原因是容重沒有經過實際測量，而是采用的經驗值，取值偏大。

以下是20 cm深處數據的歷史趨勢曲線和烘干法與儀器法測量的相關性分析曲線，從曲線可以看出儀器法和烘干法測量結果的變化趨勢是一致的，相關系數達到99%，呈極顯著相關。

圖2 20cm深處烘干法與儀器法測量的相關性分析曲線

如果將儀器測量的結果經公式的校正后，測量結果和偏差如下表，式中X為校正前儀器的測量值，Y為校正后的測量值:

表3 經公式校正后的測量結果和偏差

土壤各種成分含量千差萬別，密度和孔隙率也不一樣，以上是取土樣理想均勻的地區，獲得了良好的相關結果。很多地區，需要多次實驗，并且不斷調換地點，方能得到穩定的相關性，才可以應用于旱情監測工作中。

［1］宋斌.旱作農業區土壤墑情監測技術研究［J］.科技情報開發與經濟，2005，15(20):278-279.

［2］劉炳忠，張鑫.國內外土壤墑情監測技術及應用［J］.山東水利，2008(12):13-16.