土壤含水量測量與反演方法綜述

(揚州大學(xué) 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(shù)量大，而且與人類環(huán)境和生活密切相關(guān)，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(chǎn)上都有至關(guān)重要的意義。

一、土壤水分直接測量法

王大龍根據(jù)相關(guān)文獻的檢索與研究，發(fā)現(xiàn)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(jīng)典烘干法和快速烘干法。經(jīng)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(guī)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(fā)對測量結(jié)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(nèi)，將溫度設(shè)為105～110℃對土樣烘干6～8h，直至土樣質(zhì)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(zhì)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(zhì)量含水量，w3為空鋁盒質(zhì)量，一般進行3次以上的重復(fù)測定，取平均值作為取樣土層的土壤質(zhì)量含水量。用烘干法測量土壤含水量的主要優(yōu)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(xiàn)場采集土樣，然后返回實驗室才能計算結(jié)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(shè)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(tǒng)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(jié)果,限制了其應(yīng)用范圍。利用反演法測土壤水分具有快速、高效、持續(xù)和覆蓋面廣等優(yōu)點，可以克服傳統(tǒng)方法的缺陷，反演法包括遙感監(jiān)測法和模型模擬法。

(一)遙感監(jiān)測法

遙感監(jiān)測法包括熱慣量與表觀熱慣量法、微波技術(shù)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(chǔ)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(qū)效果較好，在高植被覆蓋區(qū)監(jiān)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(yōu)點，因此微波遙感監(jiān)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(jiān)測精度較低。

(二)模型模擬法

模型模擬法包括土壤水動力學(xué)模型法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬法等。由于土壤中水分參數(shù)變化難以確定和把握，所以研究土壤水動力學(xué)模型存在較大的困難，只能對土壤水分狀況進行估算和預(yù)測，如徐梅等應(yīng)用電磁理論和電介質(zhì)特性，利用溫度、電導(dǎo)率等物理量和土壤介質(zhì)的關(guān)系建立了土壤濕度的預(yù)測模型。影響土壤水分的因素眾多且復(fù)雜多變，各因素之間相關(guān)性較強，使反演結(jié)果的可靠性大大降低，這些都限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法的應(yīng)用。

三、總結(jié)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(guān)重要的作用，未來土壤水分研究在基礎(chǔ)理論上進一步完善和發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測量土壤水分的方法越來越多，它們在應(yīng)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(jīng)濟性。烘干法是最傳統(tǒng)的方法也是最常用的方法，但烘干法只能測定土壤質(zhì)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(fù)原，所以用于監(jiān)測土壤水分動態(tài)變化較難。遙感監(jiān)測法具有全天候、大范圍和信息傳輸快等優(yōu)點，對區(qū)域性較大尺度和全球性土壤水分保持和運動狀態(tài)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(fā)展前景，但土壤是非均質(zhì)體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，植被和生態(tài)環(huán)境的多樣性增加了遙感監(jiān)測的難度，今后的研究要設(shè)計更多的參數(shù)充分考慮影響因子的作用，得出更加精確和實用的水分數(shù)據(jù)供研究和生產(chǎn)應(yīng)用。模型模擬法具有理論探索和研究的價值，但模型設(shè)計要具有專業(yè)知識和實驗設(shè)備，對廣大的農(nóng)業(yè)管理和研究人員是一大挑戰(zhàn)，應(yīng)用比較困難。