土壤含水量测定方法研究进展

王大龙　舒英格

摘要：土壤含水量是土壤学和农业节水技术研究的重要领域和热门课题，通过分析相关文献，将土壤水分测定方法从研究手段和范围（尺度）上划分为三大类：取样—定位测量法、遥感监测法、模型模拟法。经过对已发表土壤水分测定方法相关文献的统计调查和检索，依据文献数量、文献引用率和关键词频度，得出取样—定位测定法是当前土壤水分的主要测定方法，遥感监测法是未来土壤水分测定方法的发展趋势和方向，模型模拟法具有理论探索和研究的价值。

关键词：土壤水分；土壤含水量；测定方法；研究进展

中图分类号：S1527

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2017）02-0061-05国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.02.013

Abstract：Soil water content is an important field and hot topic in soil science and agricultural water-saving technology research. By analyzing literatures concerned， soil moisture determination methods are divided into three categories： sampling-location measurement method， remote sensing monitoring method， and model simulation method. According to statistical investigation on quantity of literatures， citation index and the frequency of keywords， we concluded that the sampling-location method was the main method to measure soil moisture， and the remote sensing monitoring method was the trend of the soil moisture measurement method in the future. The model simulation method also had a theoretical exploration and research value.

Key words：soil water； soil moisture content； determination method； research progress

土壤含水量是指土壤中所含有水分的数量，是表征土壤物理学特性的重要参数之一[1]。土壤水分一直是土壤学和其分支学科土壤物理学研究的重要领域和热门课题，也是修复生态学学科研究的热点[2-3]。土壤水是环境地质水循环中最重要的源和汇，对调节大气降水和环境水循环有重要作用，土壤水分研究的前提是土壤水分测定。土壤水分状况的研究由来已久，最初由俄国的道库恰耶夫组织了土壤水分状况定位观测，开创了土壤水分研究的先河；1943年美国人爱德弗生和安迪生基于热力学视角观察和研究土壤水分能量变化问题而扩大了土壤水分研究范围，开创了新的研究领域和试验方法；后来澳大利亚学者菲列浦在土水势概念的基础上提出“土壤—植物—大气连续体（SPAC）”中水分运移的问题，把土壤水分调控与植物水分环境状况联系起来，形成一个连续和统一的整体，为大尺度监测和研究土壤水分的动态变化和能量转化开辟新的领域和发展方向[4]。

近年来，土壤水分的实时监测与时空变异性成为国际土壤学研究领域的热点之一[5]。本文经过相关文献的检索分析，对土壤水分测定方法进行分类并分析其发展趋势，以期推动土壤水分测定方法的进一步研究。

1土壤水分测定方法类型

关于土壤含水量测定方法的分类，各学者因研究目的、手段、途径和对象尺度不同而提出的分类原因和方法不尽相同，没有统一的标准。随着土壤物理学的发展和人们对土壤水分的深入研究，土壤含水量的监测方法与手段越来越多[6]。根据相关文献的检索与研究分析，参考相关研究结果[7-10]，将土壤水分测定方法从研究手段和范围（尺度）上划分为三大类：取样-定位测量法、遥感监测法、模型模拟法。

11取样-定位测量法

取样-定位测量法包括烘干法、酒精灼烧法、中子仪法、张力计法、时域反射法、频域反射法、探地雷达法、介电法、驻波法和电容电阻法等。该方法是最先使用的土壤含水量测定方法，如取样烘干测定法[11]，结果相对准确，操作过程简单和成本较低，测定结果一般作为其他测量结果的对照参考，是确定其他测量结果精度的方法，但是取土时空连续性差，连续取样工作量大，浪费时间和财力。酒精灼烧法是一种快速测量土壤水分的实用方法，但需要多次重复燃烧方能求出精确值，且容易掉落土粒或因燃烧不充分而带来较大误差，影响精度值的测定，不适合于细粒土和含有机物的土的水分测定[12]。中子仪法是20世纪50年发展起来测定土中水分含量的方法[13]。用中子法测定土壤水分不但经济快捷、不破坏土壤结构、不受温度等因素影响，而且还能定点连续测量，无滞后现象，比较适于连续、动态监测土壤水分变化过程，在较深土层和冻土地区水分监测方面更加实用和优越[14-15]。中子仪能与计算机网络和自动记录系统连接实现远程监控，是田间原位测定土壤水分的实用方法，但中子仪法的垂直分辨率较差，测量信息以点位计算，不具代表性，中子仪产生的中子流和伽马射线对人体健康有威胁，安全性不高[16]。张力计法是利用仪器在土壤中水分对其产生的压力比数值变化与拟定的曲线方程结合测出土壤水分含量，仪器设备简单，可以测定土壤中水势张力变化的瞬时差值，与计算机连接实现在线实时监测，但此法需要依据土壤水分特征曲线来换算成土壤含水量，不能用于直接测量土壤真实含水量值，而且负压仪器设备容易受环境影响导致测量精度不高[17]。时域反射法（TDR）是利用电磁脉冲技术与土壤水分介质之间的数值关系确定土壤水分含量的测量方法。Topp研究发现，在适当温度和含水量变化幅度较小时，TDR测量值不受土壤温度、容重和质地等土壤物理性质的影响[18]。TDR仪器具有易操作、测量快、精度和自動化程度高及土壤无扰动等优点，但是仪器电路复杂，价格昂贵，土壤质地对测量结果影响较大；需要校对和标定及受电缆长度的制约而不能进行远距离的土壤含水率测量[19]。频域反射法（FDR）是利用电磁脉冲原理来测定土壤介质的介电常数，通过脉冲振荡频率和介电常数关系求导土壤含水率的仪器。FDR具有快速、连续性、自动化、宽量程、少标定等优点[20]，但FDR在低频操作时，易受土壤质地、容重和含盐量的影响。探地雷达法（GPR）测量土壤含水量的方法有雷达信号属性法、钻孔雷达法、多偏和共偏移距法等，此类方法分辨率高、抗干扰能力强、数据采集和资料处理成像一体化、不破坏土壤结构，但数据采集和处理过程比较复杂[21-22]，设备价格较高，难以大规模应用。Gaskin和Miller提出传输线理论即驻波率法（SWR）的水分测量方法[23]，SWR测量法能高精度、快速和连续地测量土壤水分，成本低，应用于多种土壤类型水分测量；但是SWR受土壤含盐量影响，其测量精度较时域反射法次之[24]。Bouyoucos等提出电阻法测量土壤含水率，其传感器造价低、防腐化、可定点埋设，能与数据采集系统连接实现自动监测[25]，但埋入土壤会破坏土壤结构且测量时存在水分滞后现象[26]，结果易受土壤温度和盐分的影响，土壤质地不同需分别标定。与电阻法相比，电容法对土壤物理性质作用状况较为敏感，但受土壤含盐量的影响不大。

12遥感监测法

遥感监测法包括热惯量与表观热惯量法、微波技术遥感法、植被指數法、作物缺水指数法和高光谱法等。热惯量法是指在裸土地或低植被覆盖地表热量平衡的基础上，对土表层水分进行定量反演的方法。张仁华[27]通过对土壤显热、潜热通量的研究提出水分热惯量模型，利用遥感影像中最干点和最湿点订正显热和潜热通量对热惯量计算的影响；根据热传导方程和能量平衡方程，得到与真实热惯量更加接近的表观热惯量反演土壤水分。但根据Carlson等人[28]的研究，当地表蒸发量很大时，表观热惯量为无效，在植被覆盖度较大和地表湿度较大的情况下，不能用表观热惯量代替真实热惯量。余涛[29]等通过简化地表能量平衡方程，建立了地表综合参量与热惯量直接的关系，发展了一种计算真实热惯量的方法；热惯量模型方法对裸土地和植被覆盖低及干旱荒漠区效果较好，在高植被覆盖区监测效果不良。微波遥感方法是利用土壤水分介电常数的巨大反差来反演土壤水分。微波遥感仪器结构简单、质量轻，适合卫星搭载，不受地表形状和地形起伏影响，可大范围实时动态监测[30]。微波遥感具有投射力强，不受太阳辐射影响等优点，因此微波遥感监测具有高精度、全天候的特点[31]，但对有植被覆盖的土壤水分监测精度较低。植被指数法是指利用土壤湿度状况与植被生长状态的关系来反映土壤干湿目标的测定方法，能反映植被水分状况，也能通过反演方法计算土壤含水率状况，模拟植被与土壤之间水分平衡状态；但植被覆盖度和各种植被对水分需求量的函数变化是测定的主要障碍之一[32]。作物缺水指数法（CWSI）是指在植被覆盖地区，植被蒸腾引起的冠层温度变化来反映土壤湿度状况的监测方法，其测量精度较高，监测范围突出，在植被覆盖地区的土壤水分反演中明显优于热惯量法。但CWSI模式是以单层能量模型为基础，在求解过程中所需的资料较多、不易计算和模拟研究，在作物生长初期冠层稀疏时监测效果较差[33]。高光谱遥感技术可通过直接建立土壤水分与土壤反射率间的关系来监测土壤水分[34]。Lobell 等[35]认为土壤的体积含水量跟土壤光谱之间的指数相关关系比土壤重量含水量要好，具有波段多、光谱分辨率高、图谱合一的特点。

13模型模拟法

模型模拟法包括土壤水动力学模型法、人工神经网络模拟法、水-云模型法和陆面数据同化模型法。由于土壤中水分参数变化难以确定和把握，所以研究土壤水动力学模型存在较大的困难，只能对土壤水分状况进行估算和预测，如徐梅等[36]应用电磁理论和电介质特性，利用温度、电导率等物理量和土壤介质的关系建立了土壤湿度的预测模型。申双和等[37]利用有关定律和连续微分方程建立了农田土壤水分预测模型。人工神经网络土壤含水率反演方法是利用后向散射模型反演土壤水分[38]，对于植被覆盖地表，植被含水量对后向散射系数的影响较大，利用神经网络会造成对土壤水分的过低估计；同时影响土壤水分的因素众多且复杂多变，各因素之间相关性较强，使反演结果的可靠性大大降低，这些都限制了神经网络反演算法的应用[39]。水—云模型方法用于描述低矮植物的散射机理反演土壤水分，但精确度不高[40]。陆面数据同化法是在陆面和水文模型基础上，采用不同的数据同化算法、同步校正陆面和水文模型的输出，优化地表和根区土壤水分来实现土壤水分模型预测功能 [41] 。

综上，三类土壤水分测试方法各有优缺点，第一类取样-定位测量法应用历史较长、方便实用、操作和测量过程简单，结果相对精确；第二类遥感监测方法凭借监测周期短、探索空间大、信息输出快和易定量分析及较大程度缩短野外工作量而成为最直接最有效的对地监测方法和信息获取重要手段之一[42]。第三类方法侧重于理论上的数学建模，强调的是理论探索和模拟过程，对土壤水分监测有一定的参考和借鉴意义，但是土壤水分是很复杂的动态循环和变化过程，用纯理论的数学建模代替土壤水分真实的变化和循环过程尚需进行深入研究。

2土壤水分测定方法文献分析

为了解土壤水分各测定方法的应用状况及其发展趋势，特对2016年9月前公开发表的相关文献进行统计分析，文献资料来源于中国知网期刊全文数据库和万方全文数据库。

21文献数量分析

分别以第一类取样-定位测定法中的土壤水分烘干（红外）法、酒精燃烧法、中子仪法、张力计法、时域反射仪、频域反射仪法、探地雷达法、驻波率法、介电法和电容电阻法等常用方法为关键词在两大中文期刊数据库中进行文献追踪检索，共得到相关文献1020篇，其中，中国知网检索出391篇，万方数据库检索出629篇，去掉重复及不相关的文章整理得到文献985篇。以第二类遥感监测法中的热惯量法和表观热惯量法、微波遥感法、植被指数法、作物缺水指数法和高光谱遥感法为关键词在两大中文期刊数据库中进行文献追踪检索，得相关文献679篇，其中，中国知网检索出260篇，万方数据库检索出419篇，去掉重复及不相关的文章整理得到文献658篇。两类分类方法共在中国知网和万方全文数据库检索出文献1643篇，第三类模型模拟方法30篇。从文献量上来看，传统的取样—定位测定方法占据优势，占总文献量的46%，遥感监测方法占总文献量的30%，而模型模拟方法文献量最低。由此可见目前在土壤水分测定方法上主要以传统测量方法为主，辅以遥感监测方法和模型模拟方法进行土壤水分状况研究。

22文献引用频次分析

文献资料被引用频度的高低是一种文献价值高低的直接反映，文献计量就是通过检索和统计相关文献被引用的次数来判断一种文献的重要程度和理论与应用价值。从中文两大全文检索数据库对土壤水分测定各类型方法文献引用频次进行分析可知，传统的取样-定位测量方法在各类型方法中被引频率最高，为5779次，占各类土壤水分测定方法文献引用频度的5760%，是土壤水分主要和常规的测定方法，反映了土壤水分测定方法当前的研究现状。遥感监测法方法在各类型方法中被引频率仅次于取样-定位法，引用3910次，占总引用数的384%，说明遥感或遥感监测已经成为传统方法之外的最佳选择，其中的热惯量和表观热惯量法、微波遥感法和植被指数法已成为遥感监测土壤水分的主要方法，在植被覆盖地区和干旱地区土壤水分遥感反演和监测应用较高。模型模拟方法在各类型的方法中被引频率最低，引用501次，占总引用数的49%，说明在纯理论层面，土壤水分研究还处于初级阶段，指导土壤水分测定的实践水平不高。

23关键词频度分析

关键词是一篇文章的题眼，也是反映文章特色和价值程度的载体，对关键词的研究可以反映某个领域的发展趋势和热点以及存在的问题，对相关领域研究文献的关键词进行检索和归纳总结，能更好的把握文献展现的研究现状和进展。在梳理相关文献之后，对土壤水分测定的关键词进行频度统计和分析。

从土壤水分测定方法关键词频度分析得出，传统的取样-定位测量法是主要的土壤水分常规测量方法，占各类土壤水分测定方法关键词频度的5756%，它种类多而全，能够满足一般实验所需和日常监测小范围的土壤水分状况，并且可以把不同的测量仪器结合起来使用，各取所长，为生产和实验研究土壤水分状况之用，表现了目前我国土壤水分测定方法的现状。遥感监测土壤水分方法虽然出现的时间不长，但发展迅速，占各类土壤水分测定方法关键词频度的3458%，已成为传统土壤水分测量方法之外的重要方法之一。从关键词频度分析可看出，遥感或遥感监测以及干旱或干旱监测出现频率较高，说明遥感和干旱是未来土壤水分测定方法的发展趋势和方向；对干旱土壤的研究是土壤含水量状况的重要方面，而遥感对干旱地区土壤水分状况的监测和反演研究是其他测定方法无以取代的，遥感监测方法的大范围、跨区域、全方位和实时、周期性的优势及特点为土壤水分测定研究开辟了更广阔的领域，其最大的特点在于使土壤水分的研究测定从单纯的土壤介质扩大到了植物和大气领域，所以遥感监测已成为一种监测土壤含水量的新方法[43]。模型模拟法仅占各类土壤水分测定方法关键词频度的1386%，但模型模拟方法通过对土壤水分运动状况进行实验探究和数学建模，是今后土壤水分研究的指引和向导，作为理论研究的先导有极大的探索价值。

3结论

通过对2016年9月以前相关文献的检索分析，参考相关研究结果，将土壤水分测定方法从研究手段和范围（尺度）上划分为三大类：取样—定位测量法，遥感监测法，模型模拟法。第一类土壤含水量取样-定位测定法操作方便、过程简单和结果误差较小，是当前土壤水分的主要测定方法，但是应用范围有限，不适合大批量和大范围的业务测定和监测工作，野外测定土壤水分的效率不高。第二类是遥感监测法，它具有全天候、大范围和信息传输快等优点，对区域性較大尺度和全球性土壤水分保持和运动状态的观测提供了全新的手段和方法，是目前土壤含水量测定方法的热门之选，具有广阔的发展前景，但土壤是非均质体，结构复杂，植被和生态环境的多样性增加了遥感监测的难度，今后的研究要设计更多的参数充分考虑影响因子的作用，得出更加精确和实用的水分数据供研究和生产应用。第三类模型模拟法具有理论探索和研究的价值，但模型设计要具有专业知识和实验设备，对广大的农业管理和研究人员是一大挑战，应用比较困难。

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