中子法
中子法的原理是中子從 1 個高能量的中子源發射到土壤中 , 與土壤中氫原子 (絕大部分存在于水分子中) 碰撞后 , 能量衰減 , 這些能量衰減的中子可被檢測器檢測到 ,通過標定建立檢測到的中子數與土壤含水率的函數關系 ,便可轉化得到土壤含水率。
利用中子儀測量土壤水分含量 , 只需預先埋設 , 測量時不破壞土壤結構 , 測量速度快 , 測量結果準確[1 ], 可定點連續觀測 , 且無滯后現象 , 但中子法并不能實現長期大面動態監測[2 ]。由于中子法測量的實際上是半徑約幾到幾十厘米的球體含水量 , 其半徑隨著土壤含水率大小而改變 , 所以土壤處于干燥或濕潤周期時 , 或對于層狀土壤以及表層土壤 , 中子法的測量結果并不可靠。對于高有機質土壤 , 有機質中的氫也會影響中子儀對土壤含水率的測定。另外 , 中子儀在使用前也需要田間校準 , 受土壤質地和容重的影響 , 室內外校準曲線差異較大[3 ], 同時中子儀設備昂貴 , 又需專門的防護設備 , 一次性投入大 , 特別是對人存在潛在的輻射危害 , 因此并不能廣泛應用。
時域反射儀 (TDR)
TDR (T ime Domain Reflectometry) 是 1 種介電常數法 ,其基本原理是高頻電磁脈沖沿傳輸線在土壤中傳播的速度依賴于土壤的介電常數 Ka , 而 Ka 主要受土壤水分含量支配 (20℃ 時 , 自然水、空氣和土壤顆粒的 Ka 分別為 80、1、3～5) 。根據電磁波在介質中傳播頻率計算出土壤的介電常數 Ka , 從而利用土壤介電常數和土壤體積含水量 ( θ v) 之間的經驗關系計算出土壤含水率。
Ka 在電磁波頻率為1 MHz～1GHz時 , 與電磁波在電極(長度 L) 中往復的傳播速度 ( V) 呈如下關系:Ka = ( cP V)2= ( ct/ 2L)2
(1)式中: c為光速 , c = 3 ×108mP s ; t為電磁波的傳達時間 ,s。 電磁波在各點的反射很明顯 ,可以很準確的計測出 t ,從而可用(1) 式計算出 Ka。 T opp等用TDR測定了電磁波的傳播時間 ,并得出該傳播時間在大部分土壤中與土壤體積含水率(θv) 的經驗公式[4 ]
:θv = - 513 ×10- 2+ 2192 ×10- 2Ka - 515 ×10- 4K2a + 413×10- 6Ka3 當θv ≤016時
(2)但該經驗關系只適用于當 Ka →1 或 Ka →80136 (20℃)時 ,且主要適用于砂性土壤。
TDR為新近發展起來的測定土壤含水率的主流方法 ,具有許多優點 , 如無核輻射 , 極其快速 , 可以定點原位連續測定 , 且測定值精確。在常規土壤中 , 這一儀器的測量誤差小于5 %。一般不需標定 , 測量范圍廣 (含水率 0～100 %) , 操作簡便 , 野外和室內都可使用 , TDR 探針可長期埋在土壤中 , 需要的時候再連上 TDR 測量。另外 , TDR受土壤鹽度影響很小 , 能夠測量表層土壤含水率 (中子儀法不行) 。但是 , TDR 的測量值受溫度、容重、土質的影響[5 - 6 ], 在導電率較高的土壤中 (如鹽堿地) , 其測量精度也會降低 , 對有機質含量高、容重特別高或特別低以及重黏土壤需要重新標定后才能使用。目前 , TDR 在國內的使用主要依賴進口 , 且價格較高 , 其應用也受到一定限制。
頻域反射儀 (FDR)
FDR (Frequency Domain Reflectometry) 測量土壤含水率的原理與 TDR類似[7 ], 利用電磁脈沖原理 , 根據電磁波在土壤中傳播頻率來測試土壤的表觀介電常數 K a 的變化 , 這些變化轉變為與土壤體積含水量成比例的毫伏信號。
FDR的探頭由1對電極 (如平行排列的金屬棒) 組成 1個電容 , 其間的土壤充當電介質 , 電容與振蕩器組成 1 個調諧電路 , 振蕩器頻率 F 與土壤電容 C 呈非線性反比關系:
F =12π L1C +1Cb015
(3)式中:L 為振蕩器的電感; Cb 為與儀器有關的電容。 由于土壤電容 C隨土壤含水率的增加而增加 ,于是振蕩器頻率 F與土壤含水率的相關關系被建立。
與 TDR相比 , FDR在電極的幾何形狀設計和工作頻率的選取上有更大的自由度 , 大多數 FDR探頭還可與傳統的數據采集器相連 , 從而實現自動連續監測。但是 FDR在低頻 ( ≤ 20 MHz) 工作時 , 比 TDR 更易受到土壤鹽度、黏粒和容重的影響。另外 , 與純粹的 TDR波形分析相比 FDR缺少控制和一些詳細信息。
FDR具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程、少標定等優點[8 ], 不但測量精度高 , 而且價格不高 , 既可以單點測量也可以多點測量垂直深度的一段剖面。盡管 FDR方法還存在一些問題 , 如 FDR的讀數受到電極附近土壤孔隙和水分的影響 (TDR也是如此) , 對于使用探管的 FDR , 探頭、探管和土壤是否接觸良好對測量結果的可靠性有影響等 , 但 FDR方法確實遠遠優于現有的其它測定方法。
二： 結 語
在測定土壤含水率的諸多方法中 , 烘干法簡單直觀 ,結果可靠 , 可作為其他測量方法的校準 , 但是烘干法采樣困難 , 破壞土壤 , 在田間留下的取樣孔 , 會切斷作物的某些根并影響土壤水分運動 , 不能定點連續觀測; 中子儀法可以在原位的不同深度周期性的反復測定而不破壞土壤 ,但是儀器的垂直分辨率較差 , 表層測量困難 , 且對人存在輻射危害。筆者認為 , 綜合性能較高的
還屬技術較先進的時域反射儀法 (TDR) 和經濟型的頻域反射儀法 (FDR) , 它們都具有技術成熟、精度高、定點連續、便于攜帶的優點。TDR 由于具有快速、準確、可連續原位測定及無輻射等優點 , 多應用于便攜式的水分測定。FDR 由于具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程、少標定等優點 , 其探頭還可與傳統的數據采集器相連 , 在土壤水分的自動連續監測中表現出良好的發展勢頭。總之 , 智能化的農田土壤水分的監測仍然是未來土壤水分監測的發展趨勢。