土壤含水量測量與反演方法綜述

(揚州大學 蘇省 揚州 225000)

水分是天然土壤的一個重要組成部分，土壤水不但數量大，而且與人類環境和生活密切相關，土壤水是一切作物賴以生存的基本條件，是衡量土壤肥力的一個重要指標。因此，研究和了解土壤水分，在理論上和生產上都有至關重要的意義。

一、土壤水分直接測量法

王大龍根據相關文獻的檢索與研究，發現直接測量法是當前土壤水分的主要測定方法。直接測量法包括烘干法、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。本文主要介紹烘干法。

(一)烘干法

烘干法包括經典烘干法和快速烘干法。經典烘干法是目前國際上仍在沿用的測定土壤水分含量的標準方法，該方法的操作過程為：在田間地塊選擇代表性的取樣點，按照觀測規范要求深度分層取得土樣，將土樣放入鋁盒并立即蓋好，以減少水分蒸發對測量結果的影響。對裝有土樣的鋁盒進行稱重，記為w1；打開蓋子，置于烘箱內，將溫度設為105～110℃對土樣烘干6～8h，直至土樣質量不再變化，對干土及鋁盒進行稱重，記為w2，則所測土層的土壤質量含水量的計算公式可表示為

(1)

式中：θm為土層第m次測得的土壤質量含水量，w3為空鋁盒質量，一般進行3次以上的重復測定，取平均值作為取樣土層的土壤質量含水量。用烘干法測量土壤含水量的主要優點是精度較高，測量范圍寬，許多土壤含水量的測量儀器都是用烘干法來標定的。其缺點主要有：①無法在線快速測量。它必須現場采集土樣，然后返回實驗室才能計算結果。②測量周期長。從采樣、烘干、稱重和計算需要24小時。快速烘干法包括紅外線烘干法、微波爐烘干法、乙醇燃燒法等。這些方法雖可縮短烘干時間和測定時間，但需要特殊設備或消耗大量藥品，也不能避免由于每次取出土樣和更換位置等帶來的誤差。

二、反演法

傳統的土壤水分測量方法如直接測量法僅限于單點測量,代表性差,無法高效率的獲得大范圍測量結果,限制了其應用范圍。利用反演法測土壤水分具有快速、高效、持續和覆蓋面廣等優點，可以克服傳統方法的缺陷，反演法包括遙感監測法和模型模擬法。

(一)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。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，但對有植被覆蓋的土壤水分監測精度較低。

(二)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等。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。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。

三、總結與展望

土壤水分作為作物生長的要素之一，對作物的生理活動起著至關重要的作用，未來土壤水分研究在基礎理論上進一步完善和發展。隨著科學技術的發展，測量土壤水分的方法越來越多，它們在應用原理、使用方法以及測定果等方面均存在差異。每一種方法都有其適用范圍，因此在選用測量方法時，一定要有針對性，既要考慮其實用性，又要考慮其經濟性。烘干法是最傳統的方法也是最常用的方法，但烘干法只能測定土壤質量含水量，必須已知土壤容重后才能求得體積含水量或土體貯水量，而且因為土樣不能原位復原，所以用于監測土壤水分動態變化較難。遙感監測法具有全天候、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。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。