土壤水分監測技術方法應用比較研究

文/鄧梁娟，衡陽市環境監測站

引言

土壤水分是土壤的重要物理參數，對土壤水分及其變化的監測是農業、生態、環境、水文和水土保持等研究工作中的一個基礎工作。土壤水分含量也是農業灌溉決策、管理中的最基礎數據，在實現農業精準灌溉中的作用是相當明顯的。因此，準確獲得可靠的土壤水分數據在農業生產中極為重要。土壤水分含量可以通過測量土壤的質量含水量和體積含水率或者通過測量土壤的基質勢來確定，這兩種方法通過與土壤相接觸直接獲得土壤水分含量。近年來，通過采用非接觸式的測量方法也發展迅速。土壤含水量測定方法都有各自的特色及優缺點。本文主要介紹了 TDR法、干燒法及烘干法三種不同土壤水分監測方法。

1 試驗方法

本文采用傳統烘干法、酒精干燒法、時域反射法（TDR）3種方法測定不同土層容重土壤水分，并以烘干法為基準對 TDR測定值進行對比研究，具體步驟如下：

（1）從野外按0～30cm、30～60cm、60～150cm、150～280cm 4個不同土層采取原狀土，除去石礫、雜草、根系等雜質，并將土壤風干，過篩（孔徑2mm）。混合土樣機械組成為砂粒（粒徑2～0.02mm）含量30.2%、粉粒（粒徑0.02～0.002mm）含量40.9%、黏粒（粒徑＜0.002mm）含量28.9%，根據國際土壤質地分類標準，測試土樣為黏土。

（2）試驗前先稱取一定質量的風干土壤，采用酒精干燒法測定0～30cm土層風干土壤的初始含水量，再根據初始含水量配置不同百分比含量的濕土。

（3）用鋁盒取一定量0～30cm土層其中一個百分比含量的濕土，稱出濕土重量，倒入酒精沒過試樣，點燃酒精燃燒，直到火焰熄滅，待試樣冷卻后，再重復燃燒一次，待火焰熄滅后稱取鋁盒干土重，并計算此時土壤含水量，重復3次。

（4）根據標定容器（體積、0～30cm土層的容重、干燒法計算的土壤含水量、待回填的土層厚度來計算需回填的配置好的濕土質量，將風干過篩后的配置的濕土分層（每層2cm）均勻地夯實至標定容器中，直至14cm處，并在標定容器7.5cm左右處埋設CS630－L40土壤水分傳感器，用TDR100測量土壤水分傳感器的LAL和Topp體積含水量，每個百分比含量的濕土進行3次重復試驗，同時采用烘干法測定濕土土壤含水量。

（5）30～60cm、60～150cm、150～280cm3個土層標定重復步驟（1）～（4）。

上述研究方法需要的風干土樣同一個土層可以重復利用，以減少篩土的工作量，且每次加水量也較好控制。此外，本試驗所用標定容器底部有多孔，土壤水分因重力作用，形成一個脫濕過程，且填埋的土層深度為 14cm，較薄，可認為充分攪拌后的土壤含水量是一致的，不存在土壤水分空間變異。

2 結果與討論

2.1 不同土層深度條件下TDR法、干燒法和烘干法對比分析

本文配置的第四紀紅黏土發育的紅壤含水量范圍為 10%～4 5%，比較接近紅壤坡耕地土壤水分分布，通過試驗得出如圖1（圖中虛線為1:1線，實線為實測點散點連線）所示結果，干燒法較為接近烘干法測量值，而TDR法測量值相對烘干法測量值總體偏小，這可能與紅壤中氧化鐵含量高、質地黏重等因素相關。在不同土層深度方面，隨著土層深度增大，干燒法和 TDR法測定土壤含水量呈增大趨勢，偏差逐漸減小（表1），0～30cm土層深度均表現為絕對偏差和相對偏差較大，干燒法絕對偏差為1.24cm3/cm3，相對偏差為5.24%，而TDR法絕對偏差和相對偏差分別為3.45cm3/cm3和13.40%；30～60cm土層較0～30cm土層干燒法和TDR法偏差較小，干燒法相對偏差為3.82%，TDR法相對偏差為11.48%；60～280cm土層干燒法和 TDR法測量值與烘干法測量值變化趨勢較為一致，但相比烘干法測量值偏小，上述規律可能是由于表層土壤溫度變化影響電磁波在紅壤中傳播，從而造成TDR法測量數據偏差較大。

圖1 不同土層深度 TDR 法、干燒法與烘干法土壤含水量測量值對比

2.2 不同土壤含水量條件下TDR法、干燒法和烘干法對比分析

表2 不同土壤含水量偏差分析

將試驗方法所測土壤含水量按10%～20%、20%～30%、30%～40%及40%以上4個數量級進行劃分，并對不同土壤含水量偏差分析（表2），通過分析可知，干燒法絕對偏差和相對偏差較小，能較好反映土壤含水量真實數值，同時表現出隨著土壤含水量的增加，偏差出現遞減規律；TDR法在10%～30%土壤含水量之間相對偏差較大，且10%～20%相對偏差平均值達到13.43%，誤差超過10%，這可能為土壤特別干燥時，土壤間孔隙度較大，影響土壤介電常數，從而導致TDR法測量精度降低。為此，盡管TDR法與烘干法相關性較為顯著，但對于紅壤黏土，在采用 TDR法測定土壤水分時有必要進行標定，可提高其測量精度。

表1 不同土層深度偏差分析

3 結束語

土壤水分監測方式多種多樣，本文中，通過以第四紀紅黏土發育的紅壤為研究對象，采用 TDR法、干燒法及烘干法對不同土層深度的不同梯度土壤含水量土壤進行土壤水分測定。所有的測量方法，都需要更加深入的研究實驗，不斷地完善技術，改進設備，以達到快速準確、低投入高效率。使土壤含水量測量技術進一步的完善，向著快速、準確、安全、低成本的方向發展。