解析土壤水分測定儀的應(yīng)用問題以及原理

　　土壤水分測量儀又名:土壤墑情測定儀、土壤水分測量儀、土壤水分儀、土壤水分測定儀、快速土壤水分儀、土壤水分速測儀。

　　定義

　　土壤水分測定儀，又名：土壤水分傳感器，土壤濕度計，土壤墑情儀，土壤墑情傳感器，主要用來測量土壤含水量(土壤含水率)。土壤含水量有重量含水量和體積含水量(容積含水量)兩種表示方法。重量含水量通過取土烘干法測量得到，通過土壤水分傳感器測量得到的含水量均為體積含水量。即，土壤水分傳感器就是測量單位土壤總?cè)莘e中水分所占比例的儀器。些土壤水分傳感器能同時測量土壤的水分含量、土壤溫度及土壤中總鹽分含量三個參數(shù)。

　　用途

　　土壤水是植物吸收水分的主要來源(水培植物除外)，土壤水分含量的狀態(tài)和變化，是植物的生長狀況好壞的主要決定因素，由此影響到人類的食品安和生態(tài)環(huán)境。因而，地上的土壤和水是人類乃至所有生命生存的基礎(chǔ)，通過土壤水分傳感器測量土壤中的含水量，目前廣為人知的主要有以下用途：

　　目前，農(nóng)業(yè)用水已占到淡水資源消耗的92%。在中，農(nóng)業(yè)灌溉用水的平均利用率僅為45%(參閱百度百科“灌溉水利用系數(shù)”)，55%的水以過量灌溉后大量滲漏滲透到植物根以下、地表徑流流失、輸水渠道滲漏等方式被浪費。在45%被保存在土壤的水中，又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥體化不到位等原因，很多的水未能被作物有效利用。

　　使用土壤水分傳感器能動態(tài)跟蹤掌握農(nóng)作物根系在土層中的具體深度位置、作物根系的動態(tài)吸收消耗水分情況;使用土壤水分傳感器所記錄生成的土壤水分曲線圖，能夠以直觀、量化的方式展現(xiàn)出土壤中不同土層的水分含量隨著時間的變化情況，而做出農(nóng)田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉開始時間、灌溉持續(xù)時間、灌溉量上限、土壤水分含量下限等關(guān)鍵因素。

　　科學的灌溉決策，使農(nóng)作物生活在個農(nóng)作物真正感到舒服的土壤環(huán)境中，對提農(nóng)作物的產(chǎn)量大有裨益。

　　另方面，人們也不總是希望控制農(nóng)作物生存在舒服的環(huán)境當中以提產(chǎn)量，人們也會考慮農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量因素。比如，合適的土壤濕度會使葡萄的產(chǎn)量很，但葡萄就會不定很甜。在法、西班牙、美等優(yōu)質(zhì)的葡萄酒產(chǎn)區(qū)，在葡萄生育的后期，人們使用土壤水分傳感器的目的卻是監(jiān)測土壤水分含量，使土壤水分含量保持相對偏低的狀態(tài)。

　　土壤水分傳感器被廣泛的應(yīng)用于土壤學、植物生長于水的關(guān)系研究、垃圾填埋場的滲漏監(jiān)測、肥料利用率優(yōu)化、變暖的影響研究等域。

　　原理

　　目前，內(nèi)外有很多種土壤水分測定方法，而有不同的土壤水分傳感器。比如：時域反射法(TDR)，石膏法，紅外遙感法，頻域反射法/頻域法(FDR/FD法)，滴定法，電容法，電阻法，微波法，中子法，Karl Fischer法，γ射線法和核磁共振法等。

　　DR(TimeDomainReflectometry)法水分傳感器

　　TDR法是上紀80年代發(fā)展起來的種土壤水分測定方法，中文為時域反射儀。這種方法在外應(yīng)用相當普遍，內(nèi)才剛開始引，各門都相當重視。TDR是個類似于雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)，有較強的立性，其結(jié)果與土壤類型、密度、溫度基本無關(guān)。而且還有很重要的點就是，TDR能在結(jié)冰下測定土壤水分，這是其他方法無法比擬的。另外，TDR能同時監(jiān)測土壤水鹽含量，且前后兩次測量的結(jié)果幾乎沒有差別。這種測定方法的度可見斑。

　　FDR和FD法水分傳感器

　　因為TDR法設(shè)備昂貴，在80年代后期，許多公司(如AquaSPY, Sentek. Delta-T， Decagon)開始用比TDR更為簡單的方法來測量土壤的介電常數(shù)，F(xiàn)DR和FD法不僅比TDR便宜，而且測量時間更短，在經(jīng)過定的土壤校準之后，測量度，而且探頭的形狀不受限制，可以多深度同時測量，數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)較容易。

　　電阻法水分傳感器

　　電阻法利用石膏、尼龍、玻璃纖維等的電阻和它們的含水量有關(guān)。當把這些中間物加上電放置在潮濕的土壤中，然后段時間后，這些東西的含水量達到平衡。由于電阻和含水量間的關(guān)系，我們前標定電阻和百分數(shù)間定的對應(yīng)關(guān)系，然后就可以通過這些組件，得到1~15大氣壓吸力范圍內(nèi)的水分讀數(shù)。

　　中子散射(neutronscattering)法水分傳感器

　　中子法適合測定野外土壤水分。它根據(jù)氫在急劇減低快中子的速度并把它們散射開的原則，現(xiàn)在市面上已經(jīng)有1測定土壤水分的中子水分計。中子水分計有很多方面的優(yōu)點，但是對有機質(zhì)土壤有相當?shù)南拗疲宜贿m宜測定0-15cm的土壤水分含量。

　　應(yīng)用問題

　　相對于落后的生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)實，科學研究中的土壤水分研究可謂歷史悠久，而且主要的檢測術(shù)往往是由科學家們從研究角度發(fā)明的。他們直以提度為主要目標，執(zhí)著地關(guān)注土壤微觀性對含水量的影響。然而現(xiàn)實生活中對土壤含水量的要求卻是大相徑庭：

　　水分數(shù)據(jù)盡可能與土壤征無關(guān)

　　這樣，產(chǎn)生的經(jīng)驗知識便于、傳播和推廣。目前所有的術(shù)都是計算體積或重量含水量，由于缺乏現(xiàn)場實時獲得田間持水量的術(shù)，所以很難獲得真正準確的相對含水量數(shù)據(jù)，導致土壤含水量測量無法直接用于對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的導。

　　安裝方便，操作簡單，便于現(xiàn)場署

　　在安裝和校準儀器設(shè)備方面，科學研究所需要的度和操作規(guī)程在實際生產(chǎn)操作過程中是無法保證的，導致相關(guān)設(shè)備應(yīng)用到生產(chǎn)上無法保證得到可用可靠的數(shù)據(jù)。提供簡單方便免現(xiàn)場校準設(shè)備是這類現(xiàn)場安裝設(shè)備須具備的點。

　　有效消除實際應(yīng)用過程中環(huán)境的影響

　　在傳感設(shè)備的運行過程中，很多因素對測量度和可靠性影響較大，例如：戶外溫度變化對電池能量轉(zhuǎn)換效能的影響，終影響設(shè)備輸出可靠性;土壤溫度和鹽分變化對水分測量度的影響;由于田間農(nóng)業(yè)設(shè)備作業(yè)等因素引發(fā)的土壤震動對測量可靠性的影響;安裝方式導致的土壤擾動對測量度的影響;目標土壤有變化(耕作等)，但是由于傳感器未移動并且周邊土壤未變化，導致目標被測土壤和實際測量土壤產(chǎn)生差別引起的誤差;傳感器件長期和土壤接觸產(chǎn)生的相互作用對度的影響。

　　土壤水分信息需要關(guān)聯(lián)其他信息

　　在生產(chǎn)實踐中，土壤水分傳感器往往和其它外系統(tǒng)或參數(shù)關(guān)聯(lián)使用，例如土壤水分突然增加，可能是灌溉系統(tǒng)開始作、也可能是降雨、又可能是地下水向地表運動導致，所以往往需要增加不同位置和不同深度的水分傳感器數(shù)量、關(guān)聯(lián)地面氣象站或者氣象局數(shù)據(jù)、連通灌溉控制系統(tǒng)來確定數(shù)據(jù)的意義。這其實是對更大規(guī)模的土壤水分數(shù)據(jù)應(yīng)用和處理提出的要求，但是目前市場上的產(chǎn)品對此需求的響應(yīng)者寥寥。

　　常見傳感器

　　內(nèi)外從 20紀中葉就開始行土壤水分的監(jiān)測，直都在行各種測量方法的研究，盡然原理、性各有不同，但從終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)和能來看，目前已經(jīng)市場化的可以分為以下4類。

　　折插針式土壤水分傳感器

　　插針式土壤水分傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可長期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用，對表層和深層土壤行墑情的定點監(jiān)測和在線測量。與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分定點監(jiān)測或移動測量的具。

　　缺點：

　　A. 所測量土壤水分的土樣代表性不夠

　　感應(yīng)的土壤范圍是直徑125毫米、為200毫米的圓柱體，土壤水分代表性不足夠，當插針位置土質(zhì)不均勻，影響數(shù)據(jù)準確性。

　　B. 破壞土層結(jié)構(gòu)，成土壤擾動

　　當監(jiān)測不同土層深度土壤含水量時，需要挖開土壤剖面，在土壤中插入針式水分儀后，再回填土壤。這種不得已的做法實際上已經(jīng)破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，因為回填土壤的容重、土壤顆粒間的結(jié)合方式已經(jīng)被改變。

　　C. 安裝現(xiàn)場組成復雜，易受到外界信號干擾

　　插針式是半數(shù)字化的，從傳感探針到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊之間傳輸?shù)氖鞘治⑷醯哪M量，這段就十分容易受到外界信號干擾，影響分辨率、可靠性和準確性。

　　插針式要成組多點應(yīng)用的時候就涉及復雜的連線，實施時需要在土壤中挖個深坑掩埋，安裝時如此維護時也需要同樣的作。由此產(chǎn)生的是設(shè)備的不可靠、安裝和維護時對被測對象的徹底干擾，作量和人員因素影響大。

　　D. 使用壽命有限

　　外露的鋼針，鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或者污染。

　　E. 能耗，安裝現(xiàn)場作量大，后期設(shè)備殘留。

　　插針式組成的系統(tǒng)往往結(jié)構(gòu)復雜、大量的連線及連結(jié)裝置、耗能較(電源般采用鉛酸電池)。別是大規(guī)模野外實施時，旦需要回收，插針式系統(tǒng)即使地面上的電池以及太陽能板和無線發(fā)射單元拆卸收回，人們往往不會再將其地下件挖出，勢會有大量傳感器探頭、金屬連線留在土壤中成長期重金屬、塑料等污染。