土壤含水量測定方法研究進展

王大龍　舒英格

摘要：土壤含水量是土壤學和農業節水技術研究的重要領域和熱門課題，通過分析相關文獻，將土壤水分測定方法從研究手段和范圍（尺度）上劃分為三大類：取樣—定位測量法、遙感監測法、模型模擬法。經過對已發表土壤水分測定方法相關文獻的統計調查和檢索，依據文獻數量、文獻引用率和關鍵詞頻度，得出取樣—定位測定法是當前土壤水分的主要測定方法，遙感監測法是未來土壤水分測定方法的發展趨勢和方向，模型模擬法具有理論探索和研究的價值。

關鍵詞：土壤水分；土壤含水量；測定方法；研究進展

中圖分類號：S1527

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0457（2017）02-0061-05國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.02.013

Abstract：Soil water content is an important field and hot topic in soil science and agricultural water-saving technology research. By analyzing literatures concerned， soil moisture determination methods are divided into three categories： sampling-location measurement method， remote sensing monitoring method， and model simulation method. According to statistical investigation on quantity of literatures， citation index and the frequency of keywords， we concluded that the sampling-location method was the main method to measure soil moisture， and the remote sensing monitoring method was the trend of the soil moisture measurement method in the future. The model simulation method also had a theoretical exploration and research value.

Key words：soil water； soil moisture content； determination method； research progress

土壤含水量是指土壤中所含有水分的數量，是表征土壤物理學特性的重要參數之一[1]。土壤水分一直是土壤學和其分支學科土壤物理學研究的重要領域和熱門課題，也是修復生態學學科研究的熱點[2-3]。土壤水是環境地質水循環中最重要的源和匯，對調節大氣降水和環境水循環有重要作用，土壤水分研究的前提是土壤水分測定。土壤水分狀況的研究由來已久，最初由俄國的道庫恰耶夫組織了土壤水分狀況定位觀測，開創了土壤水分研究的先河；1943年美國人愛德弗生和安迪生基于熱力學視角觀察和研究土壤水分能量變化問題而擴大了土壤水分研究范圍，開創了新的研究領域和試驗方法；后來澳大利亞學者菲列浦在土水勢概念的基礎上提出“土壤—植物—大氣連續體（SPAC）”中水分運移的問題，把土壤水分調控與植物水分環境狀況聯系起來，形成一個連續和統一的整體，為大尺度監測和研究土壤水分的動態變化和能量轉化開辟新的領域和發展方向[4]。

近年來，土壤水分的實時監測與時空變異性成為國際土壤學研究領域的熱點之一[5]。本文經過相關文獻的檢索分析，對土壤水分測定方法進行分類并分析其發展趨勢，以期推動土壤水分測定方法的進一步研究。

1土壤水分測定方法類型

關于土壤含水量測定方法的分類，各學者因研究目的、手段、途徑和對象尺度不同而提出的分類原因和方法不盡相同，沒有統一的標準。隨著土壤物理學的發展和人們對土壤水分的深入研究，土壤含水量的監測方法與手段越來越多[6]。根據相關文獻的檢索與研究分析，參考相關研究結果[7-10]，將土壤水分測定方法從研究手段和范圍（尺度）上劃分為三大類：取樣-定位測量法、遙感監測法、模型模擬法。

11取樣-定位測量法

取樣-定位測量法包括烘干法、酒精灼燒法、中子儀法、張力計法、時域反射法、頻域反射法、探地雷達法、介電法、駐波法和電容電阻法等。該方法是最先使用的土壤含水量測定方法，如取樣烘干測定法[11]，結果相對準確，操作過程簡單和成本較低，測定結果一般作為其他測量結果的對照參考，是確定其他測量結果精度的方法，但是取土時空連續性差，連續取樣工作量大，浪費時間和財力。酒精灼燒法是一種快速測量土壤水分的實用方法，但需要多次重復燃燒方能求出精確值，且容易掉落土粒或因燃燒不充分而帶來較大誤差，影響精度值的測定，不適合于細粒土和含有機物的土的水分測定[12]。中子儀法是20世紀50年發展起來測定土中水分含量的方法[13]。用中子法測定土壤水分不但經濟快捷、不破壞土壤結構、不受溫度等因素影響，而且還能定點連續測量，無滯后現象，比較適于連續、動態監測土壤水分變化過程，在較深土層和凍土地區水分監測方面更加實用和優越[14-15]。中子儀能與計算機網絡和自動記錄系統連接實現遠程監控，是田間原位測定土壤水分的實用方法，但中子儀法的垂直分辨率較差，測量信息以點位計算，不具代表性，中子儀產生的中子流和伽馬射線對人體健康有威脅，安全性不高[16]。張力計法是利用儀器在土壤中水分對其產生的壓力比數值變化與擬定的曲線方程結合測出土壤水分含量，儀器設備簡單，可以測定土壤中水勢張力變化的瞬時差值，與計算機連接實現在線實時監測，但此法需要依據土壤水分特征曲線來換算成土壤含水量，不能用于直接測量土壤真實含水量值，而且負壓儀器設備容易受環境影響導致測量精度不高[17]。時域反射法（TDR）是利用電磁脈沖技術與土壤水分介質之間的數值關系確定土壤水分含量的測量方法。Topp研究發現，在適當溫度和含水量變化幅度較小時，TDR測量值不受土壤溫度、容重和質地等土壤物理性質的影響[18]。TDR儀器具有易操作、測量快、精度和自動化程度高及土壤無擾動等優點，但是儀器電路復雜，價格昂貴，土壤質地對測量結果影響較大；需要校對和標定及受電纜長度的制約而不能進行遠距離的土壤含水率測量[19]。頻域反射法（FDR）是利用電磁脈沖原理來測定土壤介質的介電常數，通過脈沖振蕩頻率和介電常數關系求導土壤含水率的儀器。FDR具有快速、連續性、自動化、寬量程、少標定等優點[20]，但FDR在低頻操作時，易受土壤質地、容重和含鹽量的影響。探地雷達法（GPR）測量土壤含水量的方法有雷達信號屬性法、鉆孔雷達法、多偏和共偏移距法等，此類方法分辨率高、抗干擾能力強、數據采集和資料處理成像一體化、不破壞土壤結構，但數據采集和處理過程比較復雜[21-22]，設備價格較高，難以大規模應用。Gaskin和Miller提出傳輸線理論即駐波率法（SWR）的水分測量方法[23]，SWR測量法能高精度、快速和連續地測量土壤水分，成本低，應用于多種土壤類型水分測量；但是SWR受土壤含鹽量影響，其測量精度較時域反射法次之[24]。Bouyoucos等提出電阻法測量土壤含水率，其傳感器造價低、防腐化、可定點埋設，能與數據采集系統連接實現自動監測[25]，但埋入土壤會破壞土壤結構且測量時存在水分滯后現象[26]，結果易受土壤溫度和鹽分的影響，土壤質地不同需分別標定。與電阻法相比，電容法對土壤物理性質作用狀況較為敏感，但受土壤含鹽量的影響不大。

12遙感監測法

遙感監測法包括熱慣量與表觀熱慣量法、微波技術遙感法、植被指數法、作物缺水指數法和高光譜法等。熱慣量法是指在裸土地或低植被覆蓋地表熱量平衡的基礎上，對土表層水分進行定量反演的方法。張仁華[27]通過對土壤顯熱、潛熱通量的研究提出水分熱慣量模型，利用遙感影像中最干點和最濕點訂正顯熱和潛熱通量對熱慣量計算的影響；根據熱傳導方程和能量平衡方程，得到與真實熱慣量更加接近的表觀熱慣量反演土壤水分。但根據Carlson等人[28]的研究，當地表蒸發量很大時，表觀熱慣量為無效，在植被覆蓋度較大和地表濕度較大的情況下，不能用表觀熱慣量代替真實熱慣量。余濤[29]等通過簡化地表能量平衡方程，建立了地表綜合參量與熱慣量直接的關系，發展了一種計算真實熱慣量的方法；熱慣量模型方法對裸土地和植被覆蓋低及干旱荒漠區效果較好，在高植被覆蓋區監測效果不良。微波遙感方法是利用土壤水分介電常數的巨大反差來反演土壤水分。微波遙感儀器結構簡單、質量輕，適合衛星搭載，不受地表形狀和地形起伏影響，可大范圍實時動態監測[30]。微波遙感具有投射力強，不受太陽輻射影響等優點，因此微波遙感監測具有高精度、全天候的特點[31]，但對有植被覆蓋的土壤水分監測精度較低。植被指數法是指利用土壤濕度狀況與植被生長狀態的關系來反映土壤干濕目標的測定方法，能反映植被水分狀況，也能通過反演方法計算土壤含水率狀況，模擬植被與土壤之間水分平衡狀態；但植被覆蓋度和各種植被對水分需求量的函數變化是測定的主要障礙之一[32]。作物缺水指數法（CWSI）是指在植被覆蓋地區，植被蒸騰引起的冠層溫度變化來反映土壤濕度狀況的監測方法，其測量精度較高，監測范圍突出，在植被覆蓋地區的土壤水分反演中明顯優于熱慣量法。但CWSI模式是以單層能量模型為基礎，在求解過程中所需的資料較多、不易計算和模擬研究，在作物生長初期冠層稀疏時監測效果較差[33]。高光譜遙感技術可通過直接建立土壤水分與土壤反射率間的關系來監測土壤水分[34]。Lobell 等[35]認為土壤的體積含水量跟土壤光譜之間的指數相關關系比土壤重量含水量要好，具有波段多、光譜分辨率高、圖譜合一的特點。

13模型模擬法

模型模擬法包括土壤水動力學模型法、人工神經網絡模擬法、水-云模型法和陸面數據同化模型法。由于土壤中水分參數變化難以確定和把握，所以研究土壤水動力學模型存在較大的困難，只能對土壤水分狀況進行估算和預測，如徐梅等[36]應用電磁理論和電介質特性，利用溫度、電導率等物理量和土壤介質的關系建立了土壤濕度的預測模型。申雙和等[37]利用有關定律和連續微分方程建立了農田土壤水分預測模型。人工神經網絡土壤含水率反演方法是利用后向散射模型反演土壤水分[38]，對于植被覆蓋地表，植被含水量對后向散射系數的影響較大，利用神經網絡會造成對土壤水分的過低估計；同時影響土壤水分的因素眾多且復雜多變，各因素之間相關性較強，使反演結果的可靠性大大降低，這些都限制了神經網絡反演算法的應用[39]。水—云模型方法用于描述低矮植物的散射機理反演土壤水分，但精確度不高[40]。陸面數據同化法是在陸面和水文模型基礎上，采用不同的數據同化算法、同步校正陸面和水文模型的輸出，優化地表和根區土壤水分來實現土壤水分模型預測功能 [41] 。

綜上，三類土壤水分測試方法各有優缺點，第一類取樣-定位測量法應用歷史較長、方便實用、操作和測量過程簡單，結果相對精確；第二類遙感監測方法憑借監測周期短、探索空間大、信息輸出快和易定量分析及較大程度縮短野外工作量而成為最直接最有效的對地監測方法和信息獲取重要手段之一[42]。第三類方法側重于理論上的數學建模，強調的是理論探索和模擬過程，對土壤水分監測有一定的參考和借鑒意義，但是土壤水分是很復雜的動態循環和變化過程，用純理論的數學建模代替土壤水分真實的變化和循環過程尚需進行深入研究。

2土壤水分測定方法文獻分析

為了解土壤水分各測定方法的應用狀況及其發展趨勢，特對2016年9月前公開發表的相關文獻進行統計分析，文獻資料來源于中國知網期刊全文數據庫和萬方全文數據庫。

21文獻數量分析

分別以第一類取樣-定位測定法中的土壤水分烘干（紅外）法、酒精燃燒法、中子儀法、張力計法、時域反射儀、頻域反射儀法、探地雷達法、駐波率法、介電法和電容電阻法等常用方法為關鍵詞在兩大中文期刊數據庫中進行文獻追蹤檢索，共得到相關文獻1020篇，其中，中國知網檢索出391篇，萬方數據庫檢索出629篇，去掉重復及不相關的文章整理得到文獻985篇。以第二類遙感監測法中的熱慣量法和表觀熱慣量法、微波遙感法、植被指數法、作物缺水指數法和高光譜遙感法為關鍵詞在兩大中文期刊數據庫中進行文獻追蹤檢索，得相關文獻679篇，其中，中國知網檢索出260篇，萬方數據庫檢索出419篇，去掉重復及不相關的文章整理得到文獻658篇。兩類分類方法共在中國知網和萬方全文數據庫檢索出文獻1643篇，第三類模型模擬方法30篇。從文獻量上來看，傳統的取樣—定位測定方法占據優勢，占總文獻量的46%，遙感監測方法占總文獻量的30%，而模型模擬方法文獻量最低。由此可見目前在土壤水分測定方法上主要以傳統測量方法為主，輔以遙感監測方法和模型模擬方法進行土壤水分狀況研究。

22文獻引用頻次分析

文獻資料被引用頻度的高低是一種文獻價值高低的直接反映，文獻計量就是通過檢索和統計相關文獻被引用的次數來判斷一種文獻的重要程度和理論與應用價值。從中文兩大全文檢索數據庫對土壤水分測定各類型方法文獻引用頻次進行分析可知，傳統的取樣-定位測量方法在各類型方法中被引頻率最高，為5779次，占各類土壤水分測定方法文獻引用頻度的5760%，是土壤水分主要和常規的測定方法，反映了土壤水分測定方法當前的研究現狀。遙感監測法方法在各類型方法中被引頻率僅次于取樣-定位法，引用3910次，占總引用數的384%，說明遙感或遙感監測已經成為傳統方法之外的最佳選擇，其中的熱慣量和表觀熱慣量法、微波遙感法和植被指數法已成為遙感監測土壤水分的主要方法，在植被覆蓋地區和干旱地區土壤水分遙感反演和監測應用較高。模型模擬方法在各類型的方法中被引頻率最低，引用501次，占總引用數的49%，說明在純理論層面，土壤水分研究還處于初級階段，指導土壤水分測定的實踐水平不高。

23關鍵詞頻度分析

關鍵詞是一篇文章的題眼，也是反映文章特色和價值程度的載體，對關鍵詞的研究可以反映某個領域的發展趨勢和熱點以及存在的問題，對相關領域研究文獻的關鍵詞進行檢索和歸納總結，能更好的把握文獻展現的研究現狀和進展。在梳理相關文獻之后，對土壤水分測定的關鍵詞進行頻度統計和分析。

從土壤水分測定方法關鍵詞頻度分析得出，傳統的取樣-定位測量法是主要的土壤水分常規測量方法，占各類土壤水分測定方法關鍵詞頻度的5756%，它種類多而全，能夠滿足一般實驗所需和日常監測小范圍的土壤水分狀況，并且可以把不同的測量儀器結合起來使用，各取所長，為生產和實驗研究土壤水分狀況之用，表現了目前我國土壤水分測定方法的現狀。遙感監測土壤水分方法雖然出現的時間不長，但發展迅速，占各類土壤水分測定方法關鍵詞頻度的3458%，已成為傳統土壤水分測量方法之外的重要方法之一。從關鍵詞頻度分析可看出，遙感或遙感監測以及干旱或干旱監測出現頻率較高，說明遙感和干旱是未來土壤水分測定方法的發展趨勢和方向；對干旱土壤的研究是土壤含水量狀況的重要方面，而遙感對干旱地區土壤水分狀況的監測和反演研究是其他測定方法無以取代的，遙感監測方法的大范圍、跨區域、全方位和實時、周期性的優勢及特點為土壤水分測定研究開辟了更廣闊的領域，其最大的特點在于使土壤水分的研究測定從單純的土壤介質擴大到了植物和大氣領域，所以遙感監測已成為一種監測土壤含水量的新方法[43]。模型模擬法僅占各類土壤水分測定方法關鍵詞頻度的1386%，但模型模擬方法通過對土壤水分運動狀況進行實驗探究和數學建模，是今后土壤水分研究的指引和向導，作為理論研究的先導有極大的探索價值。

3結論

通過對2016年9月以前相關文獻的檢索分析，參考相關研究結果，將土壤水分測定方法從研究手段和范圍（尺度）上劃分為三大類：取樣—定位測量法，遙感監測法，模型模擬法。第一類土壤含水量取樣-定位測定法操作方便、過程簡單和結果誤差較小，是當前土壤水分的主要測定方法，但是應用范圍有限，不適合大批量和大范圍的業務測定和監測工作，野外測定土壤水分的效率不高。第二類是遙感監測法，它具有全天候、大范圍和信息傳輸快等優點，對區域性較大尺度和全球性土壤水分保持和運動狀態的觀測提供了全新的手段和方法，是目前土壤含水量測定方法的熱門之選，具有廣闊的發展前景，但土壤是非均質體，結構復雜，植被和生態環境的多樣性增加了遙感監測的難度，今后的研究要設計更多的參數充分考慮影響因子的作用，得出更加精確和實用的水分數據供研究和生產應用。第三類模型模擬法具有理論探索和研究的價值，但模型設計要具有專業知識和實驗設備，對廣大的農業管理和研究人員是一大挑戰，應用比較困難。

參考文獻：

[1]土壤水分測定方法編寫組. 土壤水分測定方法[M].北京：水利水電出版社，1986：6-7.

[2]李玉山. 黃土區土壤水分循環特征及其陸地水分循環的影響[J].生態學報，1983，3（2）：91-101.

[3]楊文治，邵明安，彭新德，夏衛生. 黃土高原環境的旱化與黃土中水分關系[J].中國科學（D輯：地球科學），1998，28（4）：357-365.

[4]中國農業百科全書編寫委員會. 中國農業百科全書·土壤卷[M].北京：農業出版社，1996：362-364.

[5]姚淑霞，張剛會，趙傳成. 科爾沁地區不同類型沙地土壤水分的時空變異性[J].水土保持學報，2012，（1）：251-254.

[6]李炎，王丹. 不同土壤水分測定方法的比較研究[J].安徽農業科學，2010，38（17）： 9110-9112.

[7]常丹，李旭，劉建坤，等 土體含水率測量方法研究進展及比較[J].工程勘察，2014（9）： 17-22.

[8]王賽宵，李清河，徐軍，等. 干旱半干旱地區土壤水分測定研究概述[J].山西農業科學，2010，38（9）：89-92.

[9]張軍紅，吳波. 干旱、半干旱地區土壤水分研究進展[J].中國水土保持 SWCC，2012（2）：40-42.

[10]仝兆遠，張萬昌. 土壤水分遙感監測的研究進展[J].水土保持通報，2007，27（4）：107-112.

[11]王振龍，高建峰. 實用土壤墑情監測預報技術[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[12]張曉虎，李新平. 幾種常用土壤含水量測定方法的研究進展[J].陜西農業科學，2008，54（6）： 114-117.

[13]陸楓，胡志洪，胡毅恒. 土壤水分測定方法研究[J].企業導報，2012（23）：270-273.

[14]肖俊夫，劉戰東，段愛旺，等. 不同灌水處理對冬小麥籽粒灌漿過程的影響研究[J].節水灌溉，2001（1）： 9-12.

[15]張忠學，于貴瑞. 不同灌水處理對冬小麥生長及水分利用效率的影響[J].灌溉排水學報，2004，22（2）： 1-4.

[16]姜永清. γ-輻射測定土壤密度和含水量的研究近況[J].土壤學進展，1982（3）：42-48.

[17]劉思春，高亞軍，王永一，等.土壤水勢測定方法的選擇及準確性研究[J].干旱地區農業研究，2011（4）：189-192.

[18]Tanji K K.Agricultural salinity assessment and management[R].ASCE Manual and Reports on Engineering Practice，1990： 619.

[19]王貴彥，史秀捧，張建恒，等. TDR 法、中子法、重量法測定土壤含水量的比較研究[J].河北農業大學學報，2000（3）： 23-26.

[20]郭衛華，李波，張新時，等. FDR系統在土壤水分連續動態監測中的應用[J].干旱區研究，2003，20（4）： 247-251.

[21]冉彌，鄧世坤，陸禮訓.探地雷達測量土壤含水量綜述[J].工程地球物理學報，2010，7（4）： 480-486.

[22] 王旭東，何亮，楊放，等.探地雷達測定地基土含水量的試驗研究[J].工程地質學報，2009，17 （5）： 697-702.

[23]G.J.Gaskin and J.D.Miller. Measurement of Soil Water Content Using a Simplified Impedance Measuring Technique[J]. Journal of Agiculture Engineering Research，1996（63）： 153-160.

[24]吳濤，張榮標，馮友兵.土壤水分含量測定方法研究[J].農機化研究，2007，12（12）：214-215.

[25]希勒爾（D.Hillel）（華孟，葉和才譯）.土壤和水——物理原理和過程[M].北京：農業出版社，1981.73-75.

[26]高峰，胡繼超，賈紅.農田土壤水分測定與模擬研究進展[J].江蘇農業科學，2008（1）：11-15.

[27]張仁華.改進的熱慣量模式及遙感土壤水分[J]. 地理研究，1990，9（2）：101-112.

[28]Carlson T N， Boland F F. Analysis of urban-rural canopy using asurface heat flux temperature model[J]. Journal of Applied Meteorology，1978，17（7）： 998-1013.

[29]余濤，田國良.熱慣量法在監測土壤表層水分變化中的研究[J].遙感學報，1997，1（1）：24-31.

[30]喬平林，張繼賢，王翠平.基于星載被動微波遙感的地表土壤溫度反演[J].遼寧工程技術大學學報，2006，25（3）： 342-344.

[31]高峰，王介民，孫成權，等.微波遙感土壤濕度研究進展[J].遙感技術與應用，2001（2）： 97-102.

[32]劉歡，劉榮高，劉世陽.干旱遙感監測方法及其應用進展[J].地球信息科學學報，2012，14（2）：232-237.

[33]胡猛，馮起，席海洋.遙感技術監測干旱區土壤水分研究進展[J].土壤通報，2013，44（5）：1270-1273.

[34]Lobell D B，Asner G P.Moisture effects on soil reflectance[J]. Soil Science Society of America Journal，2002，66（3）： 722-727.

[35]徐梅， 隋吉東， 劉振忠.土壤水分含量的理論分析及預測模型[J].生物數學學報，1999，14（1）：95-99.

[36]申雙和， 周英. 農田土壤水分預測模型應用研究[J]. 南京氣象學院學報，1992，15（4）：540-548.

[37]Narayanan R M，Hirsave P P. Soil moisture estimation modelsusing SIR-C SAR data： A case study in New Hampshire，USA[J]. Remote Sensing of Environment，2001，75（3）：385-396.

[38]李俐，王荻，王鵬新，等.合成孔徑雷達土壤水分反演研究進展[J].資源科學，2015，37（10）：1929-1940.

[39]Baghdadi N，King C，Bourguignon A，et al. Potential of ERS and RADARSAT data for surface roughness monitoring over bare agricultural fields： Application to catchments in Northern France [J]. International Journal of Remote Sensing，2002，23（17）：3427-3442.