土壤水分是土壤的一個(gè)重要物理參數(shù)，它對(duì)于植物的生長(zhǎng)具有重要的意義，同時(shí)土壤水分狀況對(duì)于降雨產(chǎn)流有重要的影響，對(duì)土壤水分及其變化的監(jiān)測(cè)是農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境和水土保持等研究工作中的一個(gè)基礎(chǔ)工作。土壤水分的測(cè)定有多種方法，目前大多使用土壤水分速測(cè)儀等檢測(cè)儀器測(cè)量，另外直接測(cè)定的主要有傳統(tǒng)的烘箱法，間接測(cè)定方法有石膏電阻塊、張力儀和中子儀等，但這些方法均有其不足,如石膏電阻塊法測(cè)定結(jié)果常受土壤類型、鹽分濃度及環(huán)境溫度的影響，張力計(jì)只能測(cè)定土壤的基質(zhì)勢(shì)，只有已知土壤水分特征曲線才能求得土壤含水量，中子儀中子探頭的“熱中子云球”的半徑隨土壤含水量的大小而改變，尤其表層含水量不易準(zhǔn)確測(cè)定，其應(yīng)用受到限制。近年來TDR越來越多地被用于土壤水分的測(cè)定,它具有快速、準(zhǔn)確、連續(xù)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，能自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分及其變化。本文介紹了一套自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分的TDR系統(tǒng)及其應(yīng)用。
　　1　TDR系統(tǒng)與土壤水分監(jiān)測(cè)
　　1.1　測(cè)量原理
　　TDR（Time Domain Reflectometry）是時(shí)域反射儀的簡(jiǎn)稱，這是一種利用電磁脈沖方法，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播速度來測(cè)試介質(zhì)的介電常數(shù)的儀器。TDR主要由兩部分組成:1個(gè)脈沖發(fā)生器——產(chǎn)生在極快的時(shí)間上階梯狀變大的電壓；1個(gè)快速示波器——捕捉從探針上反射回來的信號(hào)。
　　土壤水分對(duì)土壤介電特性的影響很大，自然水的介電常數(shù)是80.36 （20℃），比空氣或土壤的介電常數(shù)大得多，空氣的介電常數(shù)為1,干燥土壤的介電常數(shù)介于3～7,這種巨大的差異表明，可通過測(cè)量土壤介電特性來推測(cè)土壤含水量[7]。Topp等發(fā)現(xiàn)，土的介電常數(shù)強(qiáng)烈地依賴體積含水量，而對(duì)土壤的類型、密度、溫度（>0℃）和可溶性鹽含量的依存性很小，所測(cè)得的介電常數(shù)能靈敏地指示土壤的體積含水量，并由此得出土壤的視介電常數(shù)和體積含水量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[8]。據(jù)此關(guān)系式就可通過測(cè)量土壤的視介電常數(shù)求得土壤的體積含水量。
　　1.2　系統(tǒng)安裝與測(cè)量
　　本文使用的TDR系統(tǒng)由3部分組成：（1）計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器（data logger）和TDR探頭。這里的計(jì)算機(jī)是HP200LX掌上型計(jì)算機(jī)，用于整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器用于將探頭探測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)。探頭是德國(guó)IMKO公司生產(chǎn)的TRIME P2-IT TDR,這是1個(gè)200 mm長(zhǎng)，直徑32 mm的圓柱體，在其前端有2根長(zhǎng)110 mm,間隔為20 mm的金屬探針，另一端是電源和導(dǎo)線。TDR探頭根據(jù)需要分組被埋在切溝的頂部農(nóng)地、溝壁和溝底等不同位置和不同深度，1組探頭（2～8個(gè)不等）通過電纜連接到一個(gè)分線箱，再通過分線箱連接到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器，最后連接到計(jì)算機(jī)。此外還有1個(gè)自動(dòng)記錄雨量筒與計(jì)算機(jī)相連。整個(gè)測(cè)量過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池供電（圖1）。

　　圖1　TDR土壤水分自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖
　　自動(dòng)測(cè)量過程如下：計(jì)算機(jī)每隔5 min檢測(cè)1次雨量筒，在沒有降雨的情況下，每隔12 h測(cè)量1次土壤含水量，即每天2次，一般在中午12:00和晚上00:00進(jìn)行；如果檢測(cè)到了降雨，則由計(jì)算機(jī)啟動(dòng)快速測(cè)量程序，即降雨期間每隔20 min測(cè)量1次土壤含水量，雨停以后，再繼續(xù)進(jìn)行5 h,每隔20 min進(jìn)行1次測(cè)量，之后恢復(fù)每隔12h測(cè)量1次，直到下一次降雨。以上測(cè)量時(shí)間的間隔可以根據(jù)需要靈活進(jìn)行設(shè)置。測(cè)量結(jié)果自動(dòng)記錄在PC卡上，在無雨的情況下，每2個(gè)星期更換一次PC卡，將更換下來的PC卡中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)處理和保存，PC卡可以重復(fù)交替使用。發(fā)生降雨時(shí)，由于測(cè)量間隔變小，記錄的數(shù)據(jù)量急劇增加，因此需要雨后立即進(jìn)行PC卡的更換，避免溢出，丟失數(shù)據(jù)。
　　這套儀器于1998年4月份安裝在陜北安塞縣大南溝流域的一條切溝，于4～10月對(duì)土壤水分進(jìn)行了自動(dòng)監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)的結(jié)果來看，TDR能靈敏地探測(cè)到土壤水分的變化，不同位置和深度的探頭記錄的土壤水分變化曲線與降雨?duì)顩r具有很好的相關(guān)性，但TDR測(cè)得的土壤水分值普遍偏高，如圖2所示探頭B7（農(nóng)地，深度15 cm）和B8（農(nóng)地，深度30 cm）1998年測(cè)得的土壤含水量隨時(shí)間的變化曲線，從圖中可以看出，其土壤含水量大部分在30%左右，可達(dá)37.1%,也在25%左右，而事實(shí)上本地區(qū)的田間持水量約為22%,不可能常年保持如此高的土壤含水量。這個(gè)結(jié)果表明，TDR系統(tǒng)測(cè)得的土壤水分值偏高，需要進(jìn)行校正。
　　2　TDR自動(dòng)觀測(cè)值的校正與討論
　　我們認(rèn)為，傳統(tǒng)的烘箱法測(cè)得的土壤水分值是可信的，因此在校正中用烘箱法測(cè)得的土壤水分值作為標(biāo)準(zhǔn)值，與TDR測(cè)定值進(jìn)行回歸分析。在校正過程中分別進(jìn)行了室內(nèi)校正（1999年）和野外校正（1999～2000年）。
　　2.1　室內(nèi)校正
　　校正方法：從野外采回的表層干土中取出2 L土樣，假定其孔隙率為0.45,然后取2×0.45=0.9 L水，每次加入1/10（約0.09 kg），加水前首先分別用TDR和烘箱法測(cè)量干土的含水量。之后每次用噴霧器均勻加入0.09kg水，充分?jǐn)嚢瑁缓髮嚢韬蟮耐翗臃湃霟?，使其達(dá)到一定的容重，用TDR重復(fù)測(cè)量3次含水量，取其平均值；最后在燒杯的不同深度（頂部、中部和底部）取土用烘箱法測(cè)量含水量，取其平均值。剩下的土繼續(xù)加水，重復(fù)上述操作，直到飽和。這樣就取得了用不同方法測(cè)得的從凋萎濕度到飽和含水量的數(shù)據(jù)對(duì)。

　　圖2　1998年TDR自動(dòng)測(cè)得的農(nóng)地表層土壤含水量

　　圖3　TDR自動(dòng)測(cè)量土壤水分的室內(nèi)校正結(jié)果
　　校正結(jié)果：通過上述校正方法，得到了如圖3所示的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果和廠家出廠時(shí)進(jìn)行的校正比較一致。圖中虛線是1÷1線，實(shí)線是實(shí)測(cè)點(diǎn)的線形回歸線，其校正方程為：
　　烘干值= 1.0411×TDR值（1）
　　從圖中可以看出，當(dāng)土壤含水量比較小時(shí)，兩條線比較接近，也就是說TDR測(cè)定值比較接近烘箱值；而當(dāng)土壤含水量較高時(shí)，TDR測(cè)定值要高于烘箱值。但這個(gè)校正結(jié)果不理想，據(jù)此線性關(guān)系獲得的烘箱值與實(shí)際值仍有較大差距。
　　2.2　野外校正
　　校正方法：在使用TDR自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤含水量的同時(shí)，用環(huán)刀（體積為100 cm3）在探頭埋設(shè)地點(diǎn)周圍相同深度取原狀土樣，每次取3個(gè)，記下取樣時(shí)間，然后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用烘箱法測(cè)定其體積含水量，取其平均值；TDR測(cè)得的土壤含水量值通過讀取自動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)獲得。野外校正同樣需要用烘箱法和TDR測(cè)定從凋萎濕度到飽和含水量的數(shù)據(jù)對(duì)。根據(jù)1998年TDR自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果，在無雨的情況下，不同深度不同部位有不同的含水量，有的層位土壤含水量很低且常年保持不變，因此對(duì)于TDR土壤含水量小于25%的，直接在探頭周圍采樣，測(cè)定其烘箱法土壤含水量；而對(duì)于TDR土壤含水量在25%以上的，則采用澆水法：選定B7和B8探頭（埋深分別為15 cm和30 cm），均勻澆水使其接近飽和，用自動(dòng)TDR測(cè)量其土壤含水量，同時(shí)用環(huán)刀在其附近相同深度取3個(gè)樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分別用烘箱法測(cè)定其含水量，然后取平均值。在隨后的1個(gè)星期，每隔1～2天在探頭周圍相同深度取1次樣，每次取樣3個(gè)，用烘箱法測(cè)定其含水量。每次取樣均取未經(jīng)擾動(dòng)的原狀土，直到土壤含水量降到27%（TDR自動(dòng)測(cè)量值），這樣就在野外實(shí)地取得了用烘箱法和TDR測(cè)定的從凋萎濕度到飽和含水量的數(shù)據(jù)對(duì)。
　　校正結(jié)果：通過上述校正方法，得到如圖4所示結(jié)果，圖中虛線為1÷1線，實(shí)線為校正曲線，校正方程為：

　　從實(shí)測(cè)點(diǎn)來看，當(dāng)土壤含水量較小時(shí)，TDR值和烘箱值比較接近，而當(dāng)土壤含水量接近凋萎濕度時(shí)，TDR圖4　TDR自動(dòng)測(cè)量土壤水分的野外校正結(jié)果值甚至小于烘箱值，這也符合實(shí)際情況，因?yàn)樽詣?dòng)TDR在野外記錄到了2.7%的土壤含水量，而事實(shí)上當(dāng)?shù)仫L(fēng)干土的含水量在4.7%左右,天然情況下土壤含水量低于此值的可能性不大；隨土壤含水量的增加，TDR值與烘箱值的差距逐漸變大，TDR值在20%～30%范圍時(shí)，烘箱值在10%～20%,其差值達(dá)到10%以上。隨土壤含水量繼續(xù)增加，二者差距又逐漸變小，野外TDR實(shí)測(cè)值為37.5%,而在野外用烘箱法測(cè)得的土壤含水量也可達(dá)到30%以上。
　　2.3　討　論
　　從上述結(jié)果來看，室內(nèi)和野外校正結(jié)果之間存在著較大差異，我們認(rèn)為，野外校正結(jié)果比較符合實(shí)際情況，即土壤含水量較低時(shí)，TDR值和烘箱值比較接近；土壤含水量中等時(shí)，TDR值高于烘箱值；而當(dāng)土壤含水量比較高或接近飽和時(shí)，烘箱值又逐漸接近TDR值。造成室內(nèi)校正結(jié)果不準(zhǔn)確的原因可能是在室內(nèi)校正過程中對(duì)土壤進(jìn)行了擾動(dòng)，這一方面可能使得TDR的測(cè)量具有不確定性，另一方面使土壤的容重發(fā)生了變化，從而影響了體積含水量的測(cè)定。野外校正是用環(huán)刀在探頭附近相同深度進(jìn)行采樣，每次所取土樣均未經(jīng)擾動(dòng)，獲得的校正方程是可靠的，可以作為黃土高原地區(qū)進(jìn)行TDR校正的參考。

　　圖4　TDR自動(dòng)測(cè)量土壤水分的野外校正結(jié)果
　　3　結(jié)　論
　　這套系統(tǒng)分別于1998年、1999年和2000年的4～10月對(duì)安塞縣大南溝的一條切溝進(jìn)行了土壤水分的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，獲得了該切溝3年雨季不同部位和深度土壤水分變化曲線，這些曲線與降雨、地貌部位、坡度和埋藏深度等有很好的相關(guān)性，表明TDR能靈敏地反映土壤水分的變化。校正（采用野外校正曲線）以后的土壤水分值與采用傳統(tǒng)的烘箱法測(cè)得的值相符，能很好地反映實(shí)地土壤水分的狀況，系統(tǒng)的運(yùn)行和獲得的結(jié)果是可靠的。綜上所述，可以得出以下結(jié)論：
　?。?）運(yùn)用TDR可以進(jìn)行土壤水分連續(xù)測(cè)量，并自動(dòng)記錄測(cè)量結(jié)果，埋藏深度和測(cè)量的時(shí)間間隔可以根據(jù)需要靈活進(jìn)行設(shè)置，獲得的結(jié)果是可靠的。
　　（2）雖然TDR在出廠時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了校正，但在應(yīng)用中還需要根據(jù)實(shí)際情況做進(jìn)一步的校正，本文提供了一個(gè)在黃土高原地區(qū)對(duì)TDR測(cè)量結(jié)果進(jìn)行野外校正公式，經(jīng)檢驗(yàn)比較符合實(shí)際情況，可供參考。
　?。?）TDR能獲得土壤水分變化的連續(xù)曲線。
　　盡管TDR方法還存在一些問題，但TDR方法確實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的其它測(cè)定方法，特別是在測(cè)樣點(diǎn)多時(shí)，它能自動(dòng)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)土壤含水量，是一種值得推廣的土壤水分測(cè)定方法。