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几种土壤水分测定方法

来源:本站      点击:269      时间:2019-04-10

 

尽管监测土壤含水量的方法众多,但在具体测定土壤水分时,只是选择其中一种,今天我们就介绍几种常用的测定方法。分别是烘干法、电阻法、中子散射法、时域反射法TDR、频域法FD。

烘干法——测量土壤水分界的flag

烘干法是测定土壤水分最经典的方法,也是标准方法,是衡量其他方法是否靠谱的标尺。它需要从野外获得新鲜土样,为了避免土壤水分蒸发,一拿到土样就得赶紧伺候到铝盒,盖紧八百里加急送回实验室,立即称重。

 

称重完毕后,秒速放入105℃的烘箱,这个时候土样要经历整整12小时丧心病狂赤条条的烧烤模式。等烧烤模式结束,放入干燥器内冷却到室温,然后马上称重。其中烘干的标准为前后两次称重恒定不变。烘干后土样失去的水分即为土壤的水分含量。

 

烘干法操作简单、数据直观,在测量精度上具有其他方法不可比拟的优势;并且烘干法所有的操作者都有一个令人印象深刻的特点,那就是快!能做2秒的实验员坚决不做5秒的。

而烘干法最常被吐槽的就是费时费力费心,操作时长超过12小时,操作过程繁杂,还需要干燥箱及电源,中途多次需要人工看管,神烦!

 

它最大的槽点并不是持续时间长,而是无法实现对土壤水分的在线快速测量;在实时性方面,无法达到性能要求;在灌溉自动控制方面,不能满足快速测量的要求;所以烘干法一直利用自己的优点承担测量土壤水分界的flag;也正因为它的缺点,所以一直是flag。(*与其他方法数据对比时,需用环刀法或者乘以容重换算得到土壤体积含水量。)

 

电阻法——古老的第三者插足法

这次人类没有选择和土壤亲密接触,而是利用了第三者,即电阻。电阻法是一种比较古老的方法,把嵌有电极的电阻块放到土壤中,当电阻块中的水势与土壤水势平衡后,测量电阻块的电阻,然后得出土壤水势。所谓的电阻是由多孔渗水介质(如石膏、尼龙、玻璃纤维)制成,利用它们的电阻大小与含水量相关的特性测量土壤水分。

电阻法最令人欣慰的就是成本低,可以多次重复使用;它不同于烘干法,不破坏土壤,能留在田间连续自动,实现在线实时测量。

不妥的是电阻法有滞后作用,测量范围一般只能到100kPa,干燥后电阻块易与土壤接触不良,灵敏度也非常低。

 

适用范围太过狭窄,任何与土壤水分变化无关的土壤电导变化(如施肥)都会被检测到,结果就会出现偏差,所以此方法只适合非盐碱土。

而最遭人诟病的是需要标定,因为电阻法很容易受土壤性质影响,并且标定结果会随着时间发生变化。

 

 

中子散射法——此物危险!

中子法适合测定野外土壤水分。它是将中子源埋入土壤中,中子源不断发射快中子,快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞,快中子损失能量,从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时,损失能量最大,更易于慢化;慢中子云密度与氢元素含量呈正比。土壤中水分含量越高,氢就越多,使得慢中子云密度就越大,从而可以由慢中子云密度得到相应的土壤水分含量。

 

中子散射法测量结果非常准确,是烘干法之外的第二标准方法;比烘干法先进的是它可以消除土壤水分田间不均匀的影响。而且测量简单、容易,快速。套管永久安放后不破坏土壤,能长期定位测定,可达根区土壤任何深度。

尽管它作用强大,但设备昂贵,一次性投入大;并且需要田间校准;不得不提的是中子的发射源会对测量人员的健康造成损害,因此推广受到限制。

 

此外,用自动装置把中子管在套管中按规定的时间和距离上下移动,中子仪即可用于短期实时测量,但长期大面积动态监测仍几乎不可能。

 

时域反射法TDR——离完美只差一点点

TDR法是上世纪80年代发展起来的一种土壤水分测定方法。它就像在旧社会中突起的钢铁战士,立求创立新世界;独立性强,挣脱各种束缚,测量结果不受土壤类型、密度、温度的影响。而且自带杀手锏,能在结冰状态下测定土壤水分,这是其他方法都无法比拟的。

它彻底赢得了人类的芳心,因为它能同时监测土壤水盐含量,且前后两次测量的结果几乎没有差别,TDR精确度可见一斑。

它测定的土壤表层的含水量比中子仪所测定的精度要高出太多,浑身贴满了倍受爱慕的标签,快速、准确、安全、方便、无需标定、便于自动控制……然而光环背后必有槽点,那就是贵!死贵!电路复杂导致它的造价成本高;尽管它可以实现在线连续监测,但稳定性差。

 

频域法FD—— 被偏爱的有恃无恐

当其他原理还在努力修复自己的缺点,FD法带着一股骄傲,向世人宣告:我,来了!

它有权骄傲,FD相比TDR测试原理,几乎具备TDR的所有优点。它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数,从而得到土壤容积含水量。比TDR更高级的是,它的探头形状非常灵活,甚至可以做成犁状放在拖拉机后面在运动中测量。它的测量结果最接近烘干法的测量结果。

现在它是简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定的优质测量方法,受人推崇;但要知道这样的成就并不是一蹴而就的。

 

多年以来,FD原理的土壤水分仪在精度上一直难以突破,成为它发展停滞的主要原因。但现在FD土壤水分仪的实验测量精度已经达到了2%,这其中以东方生态自主研制的智墒为代表。

解决了精度的问题,FD法彻底所向披靡,无需严格校准,操作简单,方便快捷,更重要的是精度高,稳定性好;比起TDR钢铁战士的高冷,FD法显得平易近人,无论从成本上还是从技术的实现难度上都比TDR低,好用不贵成为它最突出的标签。 

 

掏出小本本总结:

烘干法虽然能较准确地获得土壤水分含量,但工作量大,耗时耗力,不能实现土壤水分连续监测。受方法的制约,布设站点密度和监测频次不可能很高。作为标准方法, 在实际应用中还需进一步加强技术人员培训、严格按规范流程进行操作。

电阻法、中子散射法,由于受自身技术的缺点限制,目前并没有作为大规模推广应用方法。

TDR法和FD法是现在土壤水分自动监测最常用的两种技术方法,技术相对成熟、精度较高、便于携带。不可避免的它们都受土壤质地、容重、温度、土壤空隙的影响;土壤湿度过大时,测量结果会有偏差。

需要提示的是这两种方法都是通过测定土壤介电常数间接测量土壤体积含水量, 需要对土壤进行标定,建立有关数学公式。这就要求相应的产品厂家要掌握其工作原理、标定方法,并根据不同土壤结构和特性建立不同的数学公式。

但从传感器性能、价格等方面综合考虑, 相对于TDR,FD法具有稳定、受盐分影响小、省电、电缆长度限制少,价格较低等优点。

 

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