土壤含水量测量与反演方法综述

(扬州大学 苏省 扬州 225000)

水分是天然土壤的一个重要组成部分，土壤水不但数量大，而且与人类环境和生活密切相关，土壤水是一切作物赖以生存的基本条件，是衡量土壤肥力的一个重要指标。因此，研究和了解土壤水分，在理论上和生产上都有至关重要的意义。

一、土壤水分直接测量法

王大龙根据相关文献的检索与研究，发现直接测量法是当前土壤水分的主要测定方法。直接测量法包括烘干法、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。本文主要介绍烘干法。

(一)烘干法

烘干法包括经典烘干法和快速烘干法。经典烘干法是目前国际上仍在沿用的测定土壤水分含量的标准方法，该方法的操作过程为：在田间地块选择代表性的取样点，按照观测规范要求深度分层取得土样，将土样放入铝盒并立即盖好，以减少水分蒸发对测量结果的影响。对装有土样的铝盒进行称重，记为w1；打开盖子，置于烘箱内，将温度设为105～110℃对土样烘干6～8h，直至土样质量不再变化，对干土及铝盒进行称重，记为w2，则所测土层的土壤质量含水量的计算公式可表示为

(1)

式中：θm为土层第m次测得的土壤质量含水量，w3为空铝盒质量，一般进行3次以上的重复测定，取平均值作为取样土层的土壤质量含水量。用烘干法测量土壤含水量的主要优点是精度较高，测量范围宽，许多土壤含水量的测量仪器都是用烘干法来标定的。其缺点主要有：①无法在线快速测量。它必须现场采集土样，然后返回实验室才能计算结果。②测量周期长。从采样、烘干、称重和计算需要24小时。快速烘干法包括红外线烘干法、微波炉烘干法、乙醇燃烧法等。这些方法虽可缩短烘干时间和测定时间，但需要特殊设备或消耗大量药品，也不能避免由于每次取出土样和更换位置等带来的误差。

二、反演法

传统的土壤水分测量方法如直接测量法仅限于单点测量,代表性差,无法高效率的获得大范围测量结果,限制了其应用范围。利用反演法测土壤水分具有快速、高效、持续和覆盖面广等优点，可以克服传统方法的缺陷，反演法包括遥感监测法和模型模拟法。

(一)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。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，但对有植被覆盖的土壤水分监测精度较低。

(二)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等。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。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。

三、总结与展望

土壤水分作为作物生长的要素之一，对作物的生理活动起着至关重要的作用，未来土壤水分研究在基础理论上进一步完善和发展。随着科学技术的发展，测量土壤水分的方法越来越多，它们在应用原理、使用方法以及测定果等方面均存在差异。每一种方法都有其适用范围，因此在选用测量方法时，一定要有针对性，既要考虑其实用性，又要考虑其经济性。烘干法是最传统的方法也是最常用的方法，但烘干法只能测定土壤质量含水量，必须已知土壤容重后才能求得体积含水量或土体贮水量，而且因为土样不能原位复原，所以用于监测土壤水分动态变化较难。遥感监测法具有全天候、大范围和信息传输快等优点，对区域性较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。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。