[科普中国]-土壤含水量

定义

土壤含水量一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率。测定土壤含水量可掌握作物对水的需要情况，对农业生产有很重要的指导意义，

体积含水率与重量含水率重量含水率是指土壤中水分的重量与相应固相物质重量的比值，体积含水率是指土壤中水分占有的体积和土壤总体积的比值。体积含水率与重量含水率两者之间可以换算。

重量含水率ω=Mw/Ms

体积（容积）含水率θ=Vw/Vs

公式换算：

重量含水率ω=(ρ'b-ρb)/ρb

体积含水量θ=(ρ'b-ρb)/ρw

ρ'b是土壤湿容重

ρb土壤容重

ρw是土壤中水密度

土壤含水的类型土壤水分常被吸附在土粒表面，或储存于土壤孔隙之中，并且和外界的水一样，也以固态’液态’汽态三态形式存在。土壤水分的类型大致可分为化学结合水’吸湿水和自由水三类。1

化学结合水：要在600-700摄氏度温度下才能脱离土粒；

吸湿水：是土粒表面水分子力所吸附的单分子水层，须在105-110摄氏度的温度下转变为气态，才能脱离土粒表面分子力的吸附而跑出；

自由水：可以在土壤颗粒的孔隙中移动，它主要有：膜状水，吸湿水的外层所吸附的极薄一层水膜，呈液态，受土粒表面的分子力的束缚，仅能作极缓慢的移动；毛管悬着水，由于毛管力保持在土壤层中的水分，它与地下水和土层间的悬着水无压力上的联系，但能作足够快的移动，以供植物生长吸收；毛管支持水，地下水随毛管上升而被毛管力所保持在土壤中的水分；重力水，受重力作用而下渗的土壤水，重力水只能短时间存在于土壤中，随着时间的延长，它将会逐渐下降，补充到地下水中。

从生产意义上讲，化学结合水和吸湿水在土壤中不能自由移动，故不能被植物吸收利用，膜状水仅能作极缓慢的移动，且含量很少，远不能满足植物的需要，毛管悬着水和毛管支持水是供植物吸收利用的最有效的水分，重力水因只能短时存在，不能持续为植物利用，而且过多时常会造成土壤通气不畅，影响植物生长，但作为水量平衡计算时，重力水是不可忽视的部分。2

测量方法称重法烘千称重法测定 的是土壤重量含水量, 有恒温箱烘干法、 酒精燃烧法、 红外线烘干法等。 恒温箱烘干法一直被认为是最经典和最精确的标准方法。3

烘千法的优点是就样品本身而言结果可靠, 但它的缺点也是 明显的, 取样 时会破 坏土 壤, 深层取样 困难, 定点测量时不可 避免 由取样换位而带来误差, 在很多情况下难 以进行长期原 位监测 ; 且受土壤空 间变异性影响也 比较大 ;传统 的测定含水量 的恒温箱烘干法费时费力 ( 需 8 小时以 上 ), 还需要干燥箱 及电源,不适合野外作业。 采用酒精燃烧法, 由于 需要 翻炒多次,极为不便, 不适合用于细粒土 和含有有机物的土, 且容易掉落土粒或燃烧不均匀而带来较大误差。 红外线法测定精度虽高, 但需要专门的仪器。3

也称烘干法，这是唯一可以直接测量土壤水分方法，也是目前国际上的标准方法。用土钻采取土样，用0.1g 精度的天平称取土样的重量，记作土样的湿重M，在 105℃的烘箱内将土样 烘6~8 小时 至恒 重， 然后 测定 烘干 土样 ，记作土 样的 干重 Ms

土壤含水量=（烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量）/（烘干前铝盒及土样质量-烘干空铝盒质量）*100%

张力计法也称负压计法，它测量的是土壤水吸力测量原理如下：当陶土头插入被测土壤后，管内自由水通过多孔陶土壁与土壤水接触，经过交换后达到水势平衡，此时，从张力计读到的数值就是土壤水（陶土头处）的吸力值，也即为忽略重力势后的基质势的值，然后根据土壤含水率与基质势之间的关系（土壤水特征曲线）就可以确定出土壤的含水率

电阻法(Electrical resistance)

多孔介质的导电能力是同它的含水量以及介电常数有关的，如果忽略含盐的影响，水分含量和其电阻间是有确定关系的电阻法是将两个电极埋入土壤中，然后测出两个电极之间的电阻。但是在这种情况下，电极与土壤的接触电阻有可能比土壤的电阻大得多。因此采用将电极嵌入多孔渗水介质（石膏、尼龙、玻璃纤维等）中形成电阻块以解决这个问题

中子法(Neutron scattering)

中子法就是用中子仪测定土壤含水率中子仪的组成主要包括：一个快中子源，一个慢中子检测器，监测土壤散射的慢中子通量的计数器及屏蔽匣，测试用硬管等。快中子源在土壤中不断地放射出穿透力很强的快中子，当它和氢原子核碰撞时，损失能量最大，转化为慢中子（热中子），热中子在介质中扩散的同时被介质吸收，所以在探头周围，很快的形成了持常密度的慢中子云。

中子仪( Neutronprobe ) 测定土壤水分的基本原理是利用中子源辐射 的快中子, 碰到氢原子时 慢化为热中子,通过 热中子数量与土壤含水量之间的相关关系来确定土壤水分的多少。3

中子法 在 2 0 世纪 50 年代就被用于 测定土壤含水量, 此后, 世界上很 多 国家对此进行研究, 使 中子法 日趋完善。 中子法十分适用 于监测 田 间土 壤水分动态,套管永久 安放后 不破坏土壤, 能长期定位连续测 定,不受滞后作用影 响,测深不限 ; 中子仪还可 与 自动记录系统和计算机连接,因而成为 田 间原位测定土壤含水量较好的方法, 并得到广泛应用。3

需要 田间校准是 中子法 的主要缺点之一。 另外,仪器设备 昂贵,一 次性投人大。 中子法对土 壤采样范围为一球体, 这使得在某些 情况下测量结果会出 现偏差, 如土壤处于干燥或湿润周期时、 层状土 壤、 表层 土壤等。 此外, 中子仪还存在潜在的辐射危害。3

γ-射线法(Gamma-ray attenuation)

γ-射线法的基本原理是放射性同位素（现常用的是137Cs，241Am）发射的γ-射线法穿透土壤时，其衰减度随土壤湿容重的增大而提高。

利用 ,γ-射线法 测定 土 壤水分是 由贝 契等人 于1950 年提出的。19 5 3 年 Bermhard 等人进行 了 ,γ-射线法测定土壤含水量和千容重的试验研究。 由于利用单能γ-射线测定土壤水分受容重影 响很大, 为此出现了用双能γ-射线法同时探测容重和含水量，以消除土壤容重变化影响。Wheetel等人探讨了利用通过两点 布 设γ-射 线 来 监 测 灌 溉 时 的 水 分 运 动。Fahad则给 出了一 种利用 计算机控制γ-射线测定装置, 能测定实验室 和 田 间土壤水分含量。国 内 1960年前后进行 了实验室条件下 ,一 射线法测定土 壤水分含量和土壤水分 动态的试验研究,1970 年后,国 内也逐渐在土壤人渗和渗透、水盐动态等研究中应用这一方法, 并在 测定仪器 和方法上有所 改进和 发展。利用 ,一 射线测量土壤水分在实验室内已进行 了大量的研究, 并取得 了较好的结果,但在 田间应用的可行性还需深人探讨。3

驻波比法(Standing wave ratio)

自从Topp 等人在1980 年提出了土壤含水率与土壤介电常数之间存在着确定性的单值多项式关系，从而为土壤水分测量的研究开辟了一种新的研究方向，即通过测量土壤的介电常数来求得土壤含水率从电磁学的角度来看，所有的绝缘体都有可以看着是电介质，而对于土壤来说，则是于土壤固相物质、水和空气三种电介质组成的混合物。在常温状态下，水的介电常数约为80，土壤固相物质的介电常数约为 3~5，空气的介电常数为1，可以看出，影响土壤介电常数主要是含水率。Roth 等提出了利用土、水和空气三相物质的空间分配比例来计算土壤介电常数，并经Gardner 等改进后，为采用介电方法测量土壤水分含量提供了进一步的理论依据，并利用这些原理进行土壤含水率的测量。

光学测量法光学测量法是一种非接触式的测量土壤含水率方法。光的反射、透射、偏振也与土壤含水率相关。先求出土壤的介电常数，从而进一步推导出土壤含水率。

时域反射法时域反射法(Time domainreflectrometry,TDR)也是一种通过测量土壤介电常数来获得土含水率的一种方法。TDR的原理是电磁波沿非磁性介质中的传输导线的传输速度V= c /ε，而对于已知长度为 L 的传输线，又有V = L / t ，于是可得ε = (ct / L)2，其中 c 为光在真空中的传播速度，ε 为非磁性介质的介电常数， t 为电磁波在导线中的传输时间。而电磁波在传输到导线终点时，又有一部分电磁波沿导线反射回来，这样入射与反射形成了一个时间差 T 。因此通过测量电磁波在埋入土壤中的导线的入射反射时间差T 就可以求出土壤的介电常数，进而求出土壤的含水率。

(5)高频振荡法（FDR）

因为 TDR 法设备昂贵，在 80 年代后期，许多公司(如 AquaSPY, Sentek. Delta-T， Decagon)开始 用比 TDR 更为简单的方法来测量土壤的介电常数，FDR 和 FD 法不仅比 TDR 便宜，而且测量时间更短，在 经过特定的土壤校准之后，测量精度高，而且探头的形状不受限制，可以多深度同时测量，数据采集实现 较容易

各种方法的比较与总结( 1 ) 称重法具有各种操作不便等缺点，但作为直接测量土壤水分含量的唯一方法，在测量精度上具有其它方法不可比拟的优势，因此它作为一种实验室测量方法并用于其它方法的标定将长期存在。

( 2 ) 张力计法由于其测量的直接对象为土壤基质势，因此在更大程度和其它土壤水分测量方法相结合用于测定土壤水分特征曲线。

( 3 ) 电阻法由于标定复杂，并且随着时间的推移，其标定结果将很快失效，而且由于测量范围有限，精度不高等一系列原因，已经基本上被淘汰。

( 4 ) 基于辐射原理的中子法和γ-射线法虽然有着高精度，快速度等优点，但是由于它们共同存在着对人体健康造成危害的致命缺陷，近年来已经在发达国家遭到弃用，在国内也仅有少量用于实验研究。

( 5 ) 基于测量土壤介电常数的各种方法是近20 年来新发展起来的一种测量方法，在测量的实时性与精度上都比其它测量方法更具优势，而且在使用操作更加方便灵活，可适用于不同用途的土壤水分测量。是目前国内外广泛使用的一种土壤水分测量方法。

( 6 ) 光学测量法虽然具有非接触的优点，但由于受土壤变异性影响，误差大，适应性不强，其研究与开发的前景并不乐观

( 7 ) TDR其优点是测量速度快，操作简便，精确度高，能达到0.5%，可连续测量，既可测量土壤表层水分，也可用于测量剖面水分既可用于手持式的时实测量，也可用于远距离多点自动监测，测量数据易于处理。