摘 要：目前土壤水分研究方法分为两大类：土壤水分直接测量法和反演法，反演法包括遥感监测法和模型模拟法。本文系统分析了应用较广泛的几种农田土壤水分研究方法原理，研究发现，土壤水分直接测量法是当前研究土壤水分的主要方法，遥感监测法是未来研究土壤水分的发展趋势。

1 土壤水分直接测量法

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、介电法、驻波法和电容电阻法等。本文主要介绍烘干法、中子法和介电法。

1.1 烘干法

烘干法包括经典烘干法和快速烘干法。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）

2.2 中子法

中子法的原理是中子从1个高能量的中子源发射到土壤中，与土壤中氢原子（绝大部分存在于水分子中）碰撞后，能量衰减，这些能量衰减的中子可被检测器检测到，通过标定建立检测到的中子数与土壤含水率的函数关系，便可转化得到土壤含水率。利用中子仪测量土壤水分含量，只需预先埋设，测量时不破坏土壤结构，测量速度快，测量结果准确，可定点连续观测，且无滞后现象，但中子法并不能實现长期大面积动态监测。由于中子法测量的实际上是半径约几到几十厘米的球体含水量，其半径随着土壤含水率大小而改变，所以土壤处于干燥或湿润周期时，或对于层状土壤以及表层土壤，中子法的测量结果并不可靠。

2.3 介电法

利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效、快速便捷，准确可靠的方法。目前得到普遍认可的三种土壤水分介电测量方法——时域反射法、频域反射法和驻波率法。

（1）时域反射法（TDR）

TDR 是近年来出现的测量土壤含水量的重要仪器，是通过测量土壤中的水和其它介质介电常数之间的差异原理，并采用时域反射测试技术研制出来的仪器，具有快速、便捷和能连续观测土壤含水量的优点。由于空气、干土和水中的介电常数相对固定，如果对特定的土壤和介电常数的关系已知，就可间接对土壤水分进行有效介电常数测量。根据电磁波在介质中传播速度与包围在传输体上的物质介电常数有关的基本原理，干燥土壤与水之间的介电常数具有很大的差别，所以该技术从理论上确立对土壤水分的测量有很好的响应和灵敏度。

土壤的表观介电常数Ka 可以按如下公式转换（Dirksen，1999）： （2）

式中：T为电磁波延波导头传输的时间，ns；L为测量用的波导头的长度，cm；C为电磁波在真空中传播速，cm/ns。或直接将传输时间T和介电常数Ka表达为：

（3）

TDR 信号脉冲延波导头的起点到端点传递需要的时间可以通过测量确定。

（1）频域反射法（FDR）

FDR土壤水分测量原理是插入土壤中的电极与土壤（土壤被当作电介质）之间形成 电容，并与高频震荡器形成1个回路。通过特殊设计的传输探针产生高频信号，传输线探针的阻抗随土壤阻抗变化而变化。阻抗包括表观介电常数和离子传导率。应用扫频技术，选用合适的电信号频率使离子传导率的影响最小，传输探针阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这些变化产生1个电压驻波。驻波随探针周围介质的介电常数变化增 加或减小由晶体振荡器产生的电压。电压的差值对应于土壤的表观介电常数。

（2）驻波率法（SWR）

驻波率法是基于无线电射频技术中的驻波率原理的土壤水分测量方法，不再利用高速延迟线测量入射-反射时间差Δt和拍频（频差），而是测量它的驻波比，试验结果表明三态混合物介电常数Ka的改变能够引起传输线上驻波比的显著变化。由驻波比原理研制出的仪器在成本上有很大幅度的降低。频域反射法和驻波率法传感器的探头多为探针式，使用方法与针式TDR类似，可以埋设在土壤剖面连续测量，也可以与专用测量仪表配合进行移动巡回测量。

2 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。

2.1 遥感监测法

遥感监测法代表是热惯量法。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。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。

2.2 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。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，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。

3 总结与展望

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。中子法适用于土壤水分的大范围连续定位动态观测，但中子探头的“热中子云球”的半径随土壤含水量的变化而改变，而且辐射大，所以其应用受到限制。土壤的含水量与土壤的电介常数之间存在一种对应关系，介电法应用被测介质中表观介电常数随土壤含水量变化而变化这一原理测定土壤含水量，是一种简单快速、行之有效的方法。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。

参考文献

[1]王秋铭，王胜，樊军.宇宙射线快中子法在土壤水分测量中的应用——以陕北六道沟流域为例[J].中国水土保持科学，2015，13（5）：125-131.

[2]王一鸣，王克栋，杨卫中，等.基于相位检测原理的时域反射（TDR）土壤水分测量关键技术研究[C]// 纪念中国农业工程学会成立三十周年暨中国农业工程学会2009年学术年会.2009.

[3]冶林茂，余国河.FDR、TDR与烘干法土壤水分测量对比试验研究[J].中国气象学会2006年年会，2008.

（作者单位：扬州大学水利与能源动力工程学院）