农田中土壤水分测定的重要意义及方法介绍

　　“有收无收在于水”,土壤水分不仅是农作物产量的限制因子,而且其含量和形态会影响到土壤中许多化学、物理和生物学过程。故开展农田土壤水分监测与模拟研究具有重要意义,主要表现在:

　　(1)准确、及时地进行农田土壤水分监测与模拟预测,对于评估干旱、洪涝﹑湿害,优化利用有限的水资源,提高水分利用效率具有重要意义。

　　(2)对环境问题的日益关注也引起了对土壤贮水量和土壤水分运动模拟的兴趣。尤其是因为土壤贮水量和土壤水分运动影响土壤化学物质的运动和转化(如甲烷的排放、土壤养分的转化),在土壤退化过程中(如有机质的流失、土壤风蚀水蚀、土壤盐碱化等)土壤水分也起着基础的作用。

　　(3)在农业生产管理决策中,土壤水分也扮演重要角色。它影响施肥、治虫、灌水的时机和用量,以及灌排系统的设计。它与耕作、休闲、轮作等耕养土壤保护措施的互作影响土壤的持续利用,从而影响农业的持续发展。为此,本文综述了该方面的研究进展情况。

　　土壤水分测定方法包括烘干法、土壤水分测定仪仪器法、中子法、TDR、FDR、电阻法、电容法、遥感方法、地探雷达等。

　　烘干法是测定土壤水分的基本方法。其测定精度较高,所需的土钻、烘箱均为常规设备,比较容易得到满足。但烘干法野外取样的工作量大,用烘箱烘干测定土壤水分所需的时间比较长,对土壤有一定的破坏性,不便于长期定点连续监测。

　　中子法克服了烘干法的一些缺点,可以实现对土壤水分的定点连续观测,但中子存在潜在的辐射性,当对表层土壤和干燥土壤进行水分测定时误差较大。

　　时域反射仪(TDR)避免了中子仪测定具有放射性的缺点,能快速、准确地对土壤水分进行定点连续测定,并能实现对土壤水分监测自动化,目前在野外土壤水分自动监测中使用较为普遍。不足之处是TDR价格较高。

　　频域反射仪(FDR)测定的精度较高,具有快速、准确、连续测定优点,不扰动土壤,能自动监测土壤水分及其变化, FDR耐用,价格便宜,无放射性。

　　缺点是在野外土壤水分监测应用中因土壤类型不同需要标定。但FDR良好的性能和低廉的价格使它在土壤水分测定中越来越受到青睐,有取代TDR的趋势。

　　电阻法和电容法产生的时间比较长,在土壤水分的测定中仍广泛使用。电阻法所用的传感器元器件价格低廉,不易腐坏,可以定点埋设,与数据自动采集系统连接可以实现遥测。电阻法测定土壤水分埋设探头时会破坏土壤结构,测定土壤水分时存在滞后现象,测定结果易受温度和土壤溶盐的影响,对各种不同质地的土壤测定时要分别进行标定。

　　电容法与电阻法有相似的优缺点,耐腐蚀,造价低,适宜定点不取样遥测。与电阻法相比,电容法受土壤盐分的影响较小,但埋设探头时会破坏土壤结构。

　　电容法对土壤接触状况敏感,易受土壤物理结构的影响。随着电子技术和材料科学的发展,电阻和电容传感器将向更加精确、价格低廉的方向发展,可满足农田水分快速监测和信息快速采集的需要。

　　遥感监测土壤水分的可行性研究在20世纪60年代就已经开始了,而应用研究也于70年代中期开展起来。国内开展土壤水分遥感监测试验比国外大约晚10年以上,大体上从20世纪80年代中期才始起步。利用遥感技术可以实现实时、快速、长时期动态大面积区域监测土壤水分,遥感测定方法中的可见光、近红外遥感技术由于受云层覆盖及太阳照射条件的限制,对土壤水分的研究不能达到很好的效果。微波技术(如雷达)则可以克服上述缺点,但对深层的土壤水分测定遥感技术有待于进一步研究与提高。多种遥感技术的联合应用以及与地面技术的结合是目前遥感技术的主要方向。

　　土壤水分测定研究中,作为一种新型的土壤水无损探测仪器,探地雷达应用研究日益受到重视。

　　探地雷达(GPR)是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式,在地面上通过发射天线将电磁波信号送入地下,经过地层界面或目的体反射后返回地面,根据电磁波的传播速度,求得介电常数,然后根据介电常数与含水量关系的理论模型计算出含水量。介质电导率的变化会引起GPR信号衰减,也可以用GPR测定相移时间,然后根据相移时间与含水量的理论模型计算出含水量。探地雷达具有探测效率高、数据采集到资料处理成像一体化、抗干扰能力强、探测分辨率高、对土壤具有非破坏性等优势。但探地雷达用于土壤水分的测定技术尚不成熟,对黏土和盐碱土水分测定误差较大。探地雷达的某些技术还需要不断完善,设备价格仍然较高,故在未来的发展上将向更加轻便、更强抗干扰、更强分辨率、更加经济实用转变,以满足探测土壤空间分布差异性的需要。