半個多世紀以來,對土壤水分測量的研究一直沒有停止，各種測量技術層出不窮 ,形成了各具特色的當代土壤水分測量技術。對土壤水分的測量 ,可以從幾個方面進行 ,一是直接測量土壤的重量含水量或容積含水量 ,如取樣稱重烘干法 、中子儀法 、測量土壤傳導性的各種方法等 ;另一類是測量土壤的基質勢 ,如張力計法 、電阻塊法 、干濕計法等 ;還有一類非接觸式的間接方法 ,如遠紅外遙測法 、地面熱輻射測量法 、聲學方法等

     烘干稱重法

    這是目前國際上的標準方法 。烘干稱重法測量的是土壤重量含水量 ,有恒溫烘箱烘干法 、紅外線烘干法 、酒精燃燒法等 。烘干法的優點是對設備要求不嚴 ,就樣品本身而言結果可靠 。但它的缺點也是明顯的 ,烘干法費時 、費力 ,綜合費用并不低 ;取樣會破壞土壤 ,深層取樣困難 ,定點測量時不可避免由取樣換位而帶來誤差 ,在很多情況下不可能長期定點監測 ;受土壤空間變異性影響也比較大 ;如果測量目的是用于灌溉 ,還必須知道土壤各層次的容重。

張力計法

    張力計是應用得很廣泛的一種方法 ,它測量的是土壤的基質勢 。張力計的關鍵部件是細孔毛瓷杯 ,孔徑約 110～115μm ,瓷杯與土壤緊密接觸 ,杯內自由水通過杯壁孔隙與土壤水接觸 ,水和鹽可以無阻礙地進出瓷杯 ,與土壤達到平衡 。通過與毛瓷杯相連的真空表或水銀柱讀出土壤基質勢 。

張力計法的優點是在土壤比較濕潤的情況下測量土壤基質勢很準確 ,適合于灌溉和水分脅迫的監測 。與測量土壤容積或重量含水量的方法相比 ,張力計法受土壤空間變異性的影響比較小 。它還是一種低成本設備的直接測量方法 ,能夠連續測量 。

張力計法的主要缺點表現在反應慢 ,需要長時間平衡后才能讀數 ;測量范圍通常只在水分飽和至70～80 kPa 吸力間 ,非常干燥的土壤中不適合 。如果瓷杯與土壤接觸不緊密 (如放置在根系活動范圍內或有機肥分解產生氣體的地方或土壤失水收縮嚴重時) ,會引起讀數的反應遲鈍或停滯 。在測量過程中 ,特別是在高溫干旱季節 ,需要經常養護和給瓷杯補充水分 。毛瓷杯易損壞 ,需要定期維護和更換 ,勞力和時間消耗非常多 ,運行費用較高。

  射線法

  射線法包括中子散射法 、 γ射線法 、 Χ - 射線法等 。

射線法的原理是射線直接穿過土體的時候能量會衰減 ,衰減量是土壤含水量的函數 ,通過射線探測器計數 ,經過校準后得出土壤含水量 。

中子散射法測量結果非常準確 ,是稱重法之外的第二標準方法 。測量相對比較簡單 、容易 ,速度也很快 。套管永久安放后不破壞土壤 ,能長期定位測定 ,可達根區土壤任何深度 。中子法需要田間校準是主要的缺點之一 。另外 ,儀器設備昂貴 ,一次性投入大 。中子法對土壤采樣范圍為一球體 ,這使得在某些情況下測量結果出現偏差 ,如土壤處于干燥或濕潤周期時 、層狀土壤 、土壤表層等 。安裝套管時會破壞土壤 。

此外 ,中子儀存在潛在的輻射危害 ,操作者必須經過培訓并持有許可證 。目前有輕便手持式的中子儀 。另外 ,用自動裝置把中子管在套管中按規定的時間和距離上下移動 ,使中子儀可用于短期實時測量 ,但長期大面積動態監測仍幾乎不可能 。

    由土壤介電特性測量含水量的方法

TDR 和 FDR (包括電容法) 都是通過測量土壤表觀介電常數來得到土壤容積含水量的 。

    時域反射儀 (TDR)

時域反射儀 ( Time Domain Reflectometry) 是一項高速測量技術 ,用來測量液體介電常數與頻率的關系 ,自從 Topp 等人對 TDR 做出關鍵性的發展后 ,便開始了一個大量使用 TDR 測量土壤水分的時期。由于 TDR 測量快速 ,一般不需標定 ,可以作定位連續測量 ,既可以做成輕巧的便攜式作野外測量 ,又可與計算機相連 ,自動完成單個或成批監測點的測量 ,因此 20世紀90 年代后國際上已把 TDR作為研究土壤水分的基本儀器設備 。

TDR為目前測量土壤含水量的主流方法 。TDR可對土壤樣品快速 、連續 、準確地測量  。一般不需標定 ,測量范圍廣 (含水量 0～100 %) ,操作簡便 ,野外和室內都可使用 ,可做成手持式的進行田間即時測量 ,也可通過導線遠距離多點自動監測 。TDR 能夠測量表層土壤含水量 (中子儀法不行)TDR 測量結果受土壤鹽度影響很小 ,但當含鹽量增加后 ,脈沖信號從導波棒末端的反射會減弱 ,有人試圖在導波棒上使用涂層解決這一問題 ,但涂層又帶來新的問題 。在測量高有機質含量土壤、高2:1 型粘土礦物含量土壤 、容重特別高或特別低的土壤時 ,需要標定 。TDR 最大的缺點是電路復雜 ,導致設備昂貴 。

   頻域反射儀 (FDR)

頻域反射儀 ( Frequency Domain Reflectometry)測量土壤含水量的原理與TDR類似。FDR幾乎具有TDR的所有優點。與TDR 相比 ,在電極的幾何形狀設計和工作頻率的選取上有更大的自由度 ,例如探頭可做成犁狀與拖拉機相 連 , 在運動中測量土壤含水量 。大多數FDR 在低頻 ( ≤ 100 MHz) 工作 ,能夠測定被土壤細顆粒束縛的水 , 這些水不能被工作頻率超過 250MHz 的 TDR 有效地測定 。FDR 校準比 TDR 可更少 ,也不需要專業知識去分析波形 。大多數 FDR 探頭可與傳統的數據采集器相連 ,從而實現自動連續監測。FDR 的讀數強烈地受到電極附近土體孔隙和水分的影響 ( TDR 也是如此) ,特別是對于使用套管的 FDR ,探頭 —套管 —土壤接觸良好與否對測量結果可靠性的影響非常大 。在低 頻 ( ≤20MHz) 工作時比 TDR 更易受到土壤鹽度 、粘粒和容重的影響 。另外 , 與純粹的 TDR 波形分析相比 ,FDR 缺少控制和一些詳細信息 。

    干濕計法

干濕計測量的是土壤水吸力 , 土壤水吸力在100～1500 kPa 時 ,此法很有用 (而張力計適用于低吸力) ,特別當土壤中含大量粘粒時非常適合 (而FDR 受到影響) 。干濕計只需在實驗室校準 ,不受土壤類型和土壤顆粒大小的影響 ,速度也比較快 。因為它測量的是基質勢和溶質勢 ,所以此法廣泛地應用于測定植物葉 、莖和根的水勢 ,也可取微小土樣室內測量 。

當土壤吸力小于100 kPa時 ,干濕計法測量結果不準確 。干濕計在測量過程中受熱量梯度的強烈影響 ,所以它在土壤表層測量結果不好 。干濕計法取樣的土壤體積很小 ,另外需要特殊的儀器設備對探頭信號放大和讀數 , 價 格 昂 貴 。

碳酸鹽法

    田間速測的碳酸鹽法 。其原理是 ,一小塊待測濕土樣與 CaCO3 在一個密封的容器中反應 ,釋放出CO2氣體 ,然后測定所產生的氣體的壓強 ,再換算成土壤含水量 。該法比較便宜 ,一般用于田間快速測定 ,1～3min可測完一個樣品 。取樣會破壞土壤 ,此法需要特殊的設備 ,要消耗試劑 。

非接觸式方法 (遙測法) 

非接觸式方法 (遙測法)可以進行大面積的土壤水分監測 。目前主要方法有 : ①測量土壤表面的輻射溫度 ; ②土壤表面溫度與植被指數相結合 ; ③微波法 。這些方法與其他信息 (如土壤表面能量平衡)結合 ,可以得到許多重要的數據 (如蒸散量 、冠層阻力) 。與塔臺遙感 、航空遙感 、衛星遙感結合 ,不僅能指導灌溉 ,還可以為區域水量平衡和水分調配提供重要依據 。

來源：陳家宙,陳明亮,何圓球.各具特色的當代土壤水分測量技術[J].湖北農業科學, 2001, 000(003):25-28.