TDR法、干燒法及烘干法測定土壤含水量的比較研究

徐愛珍， 胡建民， 熊 永， 鄒國慶， 陳曉安

(1.江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室， 江西 南昌 330029；2.江西省水利科學研究院， 江西 南昌 330029； 3.江西綠川科技發(fā)展有限公司， 江西 九江 330400)

1 研究背景

土壤水分是研究土壤物理性質(zhì)的一個重要指標，它對于地表植物、土壤動物及微生物生長均具有重要的意義，為此，土壤水分及其變化的監(jiān)測在水循環(huán)研究和農(nóng)田灌溉排水管理中，更是必不可少的基本資料[1-2]。目前，國內(nèi)外土壤水分測定方法主要包括以下幾種[3-6]：滴定法、Karl Fischer法、稱重法、電容法、電阻法、γ射線法、微波法、中子法、核磁共振法、時域反射法(TDR)、土壤張力法、土壤水分傳感器法、石膏法和紅外遙感器法。應(yīng)用最廣泛的土壤水分測定方法為傳統(tǒng)的烘干法，該方法具有成本低、誤差小等優(yōu)點，但也存在不能原位監(jiān)測、對土壤破壞性強、烘干歷時長等缺點。

近幾年，時域反射法(TDR)為普遍采用的一種快速、精確測定土壤含水量的方法，具有準確、方便、快捷等特點[7-8]，其基本原理為：根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度來測定介質(zhì)的介電常數(shù)，從而確定土壤容積含水量及含鹽量。電磁脈沖沿著波導棒的傳播速度取決于與波導棒接觸和包圍著波導棒材的介電常數(shù)(Ka)，通過Topp公式[9-10]將介電常數(shù)與土壤體積含水量進行轉(zhuǎn)換，從而測定土壤含水量。相比較于傳統(tǒng)烘干法，TDR法具有能夠?qū)崿F(xiàn)原位檢測、對土壤破壞性較小、耗時短、對人工要求低等諸多優(yōu)點。但隨著研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)該方法還受質(zhì)地、容重、土層及溫度等諸多因素的影響[11-13]，如對揚州地區(qū)不同土壤研究發(fā)現(xiàn)，容重在1.3g/cm3處TDR測定值接近真實值，容重越小或越大，其偏差就越大。目前TDR法在南方紅壤區(qū)測定土壤水分應(yīng)用較為廣泛但對其精準性研究較少，為此，本文以贛北第四紀紅壤土為研究對象，采用TDR法、干燒法和烘干法3種土壤含水量測定方法，測定不同容重和土層條件下第四紀紅壤水分，了解3種方法之間的差異，以期為南方紅壤區(qū)土壤水分測定提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

TDR(即Time Domain Reflectometry,時域反射)基本原理是高頻電磁波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(shù)，而介電常數(shù)主要受土壤水分含量支配，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率計算出土壤的介電常數(shù)，從而利用土壤介電常數(shù)和土壤體積含水量之間的經(jīng)驗關(guān)系計算出土壤含水量。本研究使用的TDR傳感器型號為Campbell CS630-L40，由3根探針和1個托體組成，探針長15 cm，探針直徑0.318 cm，探頭5.75 cm×4.0 cm×1.25 cm，通過在同軸線系統(tǒng)中發(fā)射高頻電磁脈沖來進行土壤水分的測量(TDR探頭包含在同軸線系統(tǒng)中)，隨后對采集和數(shù)字化反射回來的波形進行分析和存儲，最后內(nèi)置處理器根據(jù)傳播的時間和返回脈沖信號的振幅信息快速而精確地獲得土壤體積含水量。

2.2 試驗方法

本試驗在江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)進行，園區(qū)地處江西省北部的德安縣燕溝小流域，位于15°42 ′38″～115°43′06 ″E、29°16′37″～29°17′40″N，屬亞熱帶濕潤季風氣候，降雨充沛，多年平均降雨量1350.9 mm，平均氣溫16.7℃，年日照時數(shù)1 650～2 100 h，多年平均無霜期249 d，土壤為第四紀紅黏土發(fā)育的紅壤，呈酸性至微酸性。本文采用傳統(tǒng)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0～30 cm、30～60 cm、60～150 cm、150～280 cm 4個不同土層采取原狀土，除去石礫、雜草、根系等雜質(zhì)，并將土壤風干，過篩(孔徑2 mm)?；旌贤翗訖C械組成為砂粒(粒徑2～0.02 mm)含量30.2%、粉粒(粒徑0.02～0.002 mm)含量40.9%、黏粒(粒徑<0.002 mm)含量28.9%，根據(jù)國際土壤質(zhì)地分類標準[14]，測試土樣為黏土。同時測定不同土層土壤容重，測定結(jié)果見表1。

表1 不同深度土層容重測定結(jié)果 cm，g/cm3

(2)試驗前先稱取一定質(zhì)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(jù)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(jù)標定容器(直徑28 cm，高15 cm，厚度1cm，底部有多孔，具體裝置見圖1)體積、0～30 cm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(zhì)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14 cm處，并在標定容器7.5 cm左右處埋設(shè) 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)30～60 cm、60～150 cm、150～280 cm 3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14 cm，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。

圖1 標定裝置圖(單位：mm)

3 結(jié)果與討論

3.1 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(fā)育的紅壤含水量范圍為10%～45%，比較接近紅壤坡耕地土壤水分分布，通過試驗得出如圖2(圖中虛線為1∶1線，實線為實測點散點連線)所示結(jié)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，與高國治等[15]用TDR法測定紅壤含水量的精度研究結(jié)果一致，這可能與紅壤中氧化鐵含量高、質(zhì)地黏重等因素相關(guān)。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2)，0～30 cm 土層深度均表現(xiàn)為絕對偏差和相對偏差較大，干燒法絕對偏差為1.24 cm3/cm3，相對偏差為5.24%，而TDR法絕對偏差和相對偏差分別為3.45 cm3/cm3和13.40%；30～60 cm土層較0～30 cm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%；60～280 cm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(guī)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(shù)據(jù)偏差較大[13,16]。

圖2 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

土層深度/cm干燒法絕對偏差/(cm3·cm-3)干燒法相對偏差/%TDR法絕對偏差/(cm3·cm-3)TDR法相對偏差/%0～301．245．243．4513．4030～601．163．823．3111．4860～1500．541．683．5512．32150～2800．913．581．535．66

3.2 不同土壤含水量條件下TDR法、干燒法和烘干法對比分析

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(shù)量級進行劃分，并對不同土壤含水量偏差分析(表3)，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(shù)值，同時表現(xiàn)出隨著土壤含水量的增加，偏差出現(xiàn)遞減規(guī)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(shù)，從而導致TDR法測量精度降低，研究結(jié)果與孫立等[8]對TDR法測量精度研究的結(jié)果較為一致。為此，盡管TDR法與烘干法相關(guān)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3 不同土壤含水量偏差分析

3.3 TDR法、干燒法和烘干法土壤含水量相關(guān)性分析

對比干燒法、TDR法與烘干法測量值之間的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，干燒法、TDR法與烘干法之間均有較高的相關(guān)性(如圖3)，可以用兩個簡單的線性函數(shù)表示：干燒法：y=x-1.02，R2=0.987；TDR法：y=0.971x-1.976，R2=0.965；相關(guān)系數(shù)均達到0.96以上，為此，本文采用的TDR測定方法較為精確，獲得的數(shù)據(jù)能較好地反映土壤水分的真實變化過程。

圖3 TDR法、干燒法與烘干法土壤含水量測量值相關(guān)性

4 結(jié) 論

通過以第四紀紅黏土發(fā)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，可得到以下結(jié)論：

(1)TDR法測量值相對烘干法測量值偏小，TDR法和干燒法絕對偏差和相對偏差都有隨著土層深度的增加而減小的趨勢，干燒法絕對偏差范圍為0.54～1.24 cm3/cm3，相對偏差范圍為1.68%～5.24%，TDR法絕對偏差范圍為1.53～3.55 cm3/cm3，相對偏差范圍為5.66%～13.40%。

(2) TDR法和干燒法絕對偏差和相對偏差隨著土壤含水量增大而減小，干燒法偏差較小，而TDR法在土壤半濕潤狀態(tài)(10%～30%)土壤含水量偏差較大，不能真實地反映土壤含水量的實際值，需對Topp公式進行標定修正。

(3)干燒法測量值最為接近烘干法測量值，精度高，但是需要人工采樣測試，易破壞土壤結(jié)構(gòu)，并且不能自動連續(xù)監(jiān)測。

(4) TDR法作為自動監(jiān)測方法，簡便、靈敏度高、準確性好，與真實值之間的相關(guān)性達到96.5%，能較好地反映土壤水分真實變化規(guī)律。因此，對于紅壤黏土來講，測樣點少時，干燒法準確性高，可作為土壤含水量快速測定方法；測樣點多時， TDR法可自動、連續(xù)地監(jiān)測土壤含水量，是一種值得推廣的土壤水分測定方法，但使用前有必要進行標定以提高其準確性。

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