解析土壤水分测定仪的应用问题以及原理

　　土壤水分测量仪又名:土壤墒情测定仪、土壤水分测量仪、土壤水分仪、土壤水分测定仪、快速土壤水分仪、土壤水分速测仪。

　　定义

　　土壤水分测定仪，又名：土壤水分传感器，土壤湿度计，土壤墒情仪，土壤墒情传感器，主要用来测量土壤含水量(土壤含水率)。土壤含水量有重量含水量和体积含水量(容积含水量)两种表示方法。重量含水量通过取土烘干法测量得到，通过土壤水分传感器测量得到的含水量均为体积含水量。即，土壤水分传感器就是测量单位土壤总容积中水分所占比例的仪器。些土壤水分传感器能同时测量土壤的水分含量、土壤温度及土壤中总盐分含量三个参数。

　　用途

　　土壤水是植物吸收水分的主要来源(水培植物除外)，土壤水分含量的状态和变化，是植物的生长状况好坏的主要决定因素，由此影响到人类的食品安和生态环境。因而，地上的土壤和水是人类乃至所有生命生存的基础，通过土壤水分传感器测量土壤中的含水量，目前广为人知的主要有以下用途：

　　目前，农业用水已占到淡水资源消耗的92%。在中，农业灌溉用水的平均利用率仅为45%(参阅百度百科“灌溉水利用系数”)，55%的水以过量灌溉后大量渗漏渗透到植物根以下、地表径流流失、输水渠道渗漏等方式被浪费。在45%被保存在土壤的水中，又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥体化不到位等原因，很多的水未能被作物有效利用。

　　使用土壤水分传感器能动态跟踪掌握农作物根系在土层中的具体深度位置、作物根系的动态吸收消耗水分情况;使用土壤水分传感器所记录生成的土壤水分曲线图，能够以直观、量化的方式展现出土壤中不同土层的水分含量随着时间的变化情况，而做出农田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉开始时间、灌溉持续时间、灌溉量上限、土壤水分含量下限等关键因素。

　　科学的灌溉决策，使农作物生活在个农作物真正感到舒服的土壤环境中，对提农作物的产量大有裨益。

　　另方面，人们也不总是希望控制农作物生存在舒服的环境当中以提产量，人们也会考虑农产品的质量因素。比如，合适的土壤湿度会使葡萄的产量很，但葡萄就会不定很甜。在法、西班牙、美等优质的葡萄酒产区，在葡萄生育的后期，人们使用土壤水分传感器的目的却是监测土壤水分含量，使土壤水分含量保持相对偏低的状态。

　　土壤水分传感器被广泛的应用于土壤学、植物生长于水的关系研究、垃圾填埋场的渗漏监测、肥料利用率优化、变暖的影响研究等域。

　　原理

　　目前，内外有很多种土壤水分测定方法，而有不同的土壤水分传感器。比如：时域反射法(TDR)，石膏法，红外遥感法，频域反射法/频域法(FDR/FD法)，滴定法，电容法，电阻法，微波法，中子法，Karl Fischer法，γ射线法和核磁共振法等。

　　DR(TimeDomainReflectometry)法水分传感器

　　TDR法是上纪80年代发展起来的种土壤水分测定方法，中文为时域反射仪。这种方法在外应用相当普遍，内才刚开始引，各门都相当重视。TDR是个类似于雷达系统的系统，有较强的立性，其结果与土壤类型、密度、温度基本无关。而且还有很重要的点就是，TDR能在结冰下测定土壤水分，这是其他方法无法比拟的。另外，TDR能同时监测土壤水盐含量，且前后两次测量的结果几乎没有差别。这种测定方法的度可见斑。

　　FDR和FD法水分传感器

　　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，在经过定的土壤校准之后，测量度，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。

　　电阻法水分传感器

　　电阻法利用石膏、尼龙、玻璃纤维等的电阻和它们的含水量有关。当把这些中间物加上电放置在潮湿的土壤中，然后段时间后，这些东西的含水量达到平衡。由于电阻和含水量间的关系，我们前标定电阻和百分数间定的对应关系，然后就可以通过这些组件，得到1~15大气压吸力范围内的水分读数。

　　中子散射(neutronscattering)法水分传感器

　　中子法适合测定野外土壤水分。它根据氢在急剧减低快中子的速度并把它们散射开的原则，现在市面上已经有1测定土壤水分的中子水分计。中子水分计有很多方面的优点，但是对有机质土壤有相当的限制，而且它不适宜测定0-15cm的土壤水分含量。

　　应用问题

　　相对于落后的生产应用现实，科学研究中的土壤水分研究可谓历史悠久，而且主要的检测术往往是由科学家们从研究角度发明的。他们直以提度为主要目标，执着地关注土壤微观性对含水量的影响。然而现实生活中对土壤含水量的要求却是大相径庭：

　　水分数据尽可能与土壤征无关

　　这样，产生的经验知识便于、传播和推广。目前所有的术都是计算体积或重量含水量，由于缺乏现场实时获得田间持水量的术，所以很难获得真正准确的相对含水量数据，导致土壤含水量测量无法直接用于对农业生产的导。

　　安装方便，操作简单，便于现场署

　　在安装和校准仪器设备方面，科学研究所需要的度和操作规程在实际生产操作过程中是无法保证的，导致相关设备应用到生产上无法保证得到可用可靠的数据。提供简单方便免现场校准设备是这类现场安装设备须具备的点。

　　有效消除实际应用过程中环境的影响

　　在传感设备的运行过程中，很多因素对测量度和可靠性影响较大，例如：户外温度变化对电池能量转换效能的影响，终影响设备输出可靠性;土壤温度和盐分变化对水分测量度的影响;由于田间农业设备作业等因素引发的土壤震动对测量可靠性的影响;安装方式导致的土壤扰动对测量度的影响;目标土壤有变化(耕作等)，但是由于传感器未移动并且周边土壤未变化，导致目标被测土壤和实际测量土壤产生差别引起的误差;传感器件长期和土壤接触产生的相互作用对度的影响。

　　土壤水分信息需要关联其他信息

　　在生产实践中，土壤水分传感器往往和其它外系统或参数关联使用，例如土壤水分突然增加，可能是灌溉系统开始作、也可能是降雨、又可能是地下水向地表运动导致，所以往往需要增加不同位置和不同深度的水分传感器数量、关联地面气象站或者气象局数据、连通灌溉控制系统来确定数据的意义。这其实是对更大规模的土壤水分数据应用和处理提出的要求，但是目前市场上的产品对此需求的响应者寥寥。

　　常见传感器

　　内外从 20纪中叶就开始行土壤水分的监测，直都在行各种测量方法的研究，尽然原理、性各有不同，但从终端设备的结构和能来看，目前已经市场化的可以分为以下4类。

　　折插针式土壤水分传感器

　　插针式土壤水分传感器由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤行墒情的定点监测和在线测量。与数据采集器配合使用，可作为水分定点监测或移动测量的具。

　　缺点：

　　A. 所测量土壤水分的土样代表性不够

　　感应的土壤范围是直径125毫米、为200毫米的圆柱体，土壤水分代表性不足够，当插针位置土质不均匀，影响数据准确性。

　　B. 破坏土层结构，成土壤扰动

　　当监测不同土层深度土壤含水量时，需要挖开土壤剖面，在土壤中插入针式水分仪后，再回填土壤。这种不得已的做法实际上已经破坏了土壤的结构，因为回填土壤的容重、土壤颗粒间的结合方式已经被改变。

　　C. 安装现场组成复杂，易受到外界信号干扰

　　插针式是半数字化的，从传感探针到数模转换模块之间传输的是十分微弱的模拟量，这段就十分容易受到外界信号干扰，影响分辨率、可靠性和准确性。

　　插针式要成组多点应用的时候就涉及复杂的连线，实施时需要在土壤中挖个深坑掩埋，安装时如此维护时也需要同样的作。由此产生的是设备的不可靠、安装和维护时对被测对象的彻底干扰，作量和人员因素影响大。