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怎样进行土壤水分检测和土壤水分动态分析
来源： 类别：技术文章 更新时间：2012-11-08 阅读次
土壤水同地表水、地下水一样是水资源的重要组成部分。土壤水指的是由地面向下至地下水面潜水面以上土壤层中的水分。土壤水是土壤最重要的组成部分之一。它在土壤形成过程中起着极其重要的作用,它不仅影响着土壤的物理性质,制约着土壤中的养分和溶质的溶解、转移和微生物的活动,而且是构成土壤肥力和土壤性质的一个重要因素。土壤水分也是植物生长、植被恢复的主要影响因子。
1 土壤水分测定技术的研究
土壤水分测定是进行土壤水分分析的基础工作,土壤水分温度仪是测试土壤水分和温度的先进农业仪器，土壤水分快速有效地测定是进行土壤水分动态变化规律研究的基础。因此,研究土壤水分测定方法及研制精确测定土壤水分的仪器,一直受到各国学者的重视。
1.1 土壤水分测定方法的分类
土壤水分的测定方法可以分为两大类:测量土壤的基质势,如张力计法、露点仪测定法和电阻法等。目前,张力计已成为测定土壤水势的常规仪器;º直接测量土壤的含水率,可以是质量含水率,也可以是体积含水率。观测土壤含水率的常规方法有烘干法、中子水分仪测定法、时域反射仪(TDR)测定法,C射线法。
1.2 几种常用土壤水分测定方法的比较
1.2.1 张力计法
该方法运用负压管的负压与土壤吸力呈对应关系的原理。在观测时,操作简单,可对原位土壤长期监测,而且观测成本也比较低。但是该方法受温度影响大,且在土壤含水率低时即失效。负压管中的水进入土壤会带来误差。此外,具有滞后效应,不能及时反映土壤水分状况。
1.2.2 烘干法
烘干法一直被认为是最经典、准确的,是其它方法的基准。该方法可直接测定土壤含水率,而且成本低。但一般均为人工操作,费时费力,且扰动测定点的土壤,不利于原位,连续测定,取样过程会造成蒸发误差。
1.2.3 C射线法
该方法快速,准确,可对土壤进行连续自动监测,但测量值受土壤干重影响大,仅适于实验室测定。
1.2.4 中子水分仪法
中子水分仪由于是原地定位监测而不必破坏土壤,被认为是间接方法测定土壤水分最准确、最快捷的一种方法。仪器探头在一个相当大的土壤样本中测定,测量值更具代表性。可对原位土壤进行连续测定。不受土壤水状态影响,测定数据准确性较高。缺点是测定的慢中子数有赖于标准曲线转换成含水率,标定过程会带来误差,此外仪器有一定放射危害。
1.2.5 时域反射仪法TDR
TDR法快速、准确,可对原位土壤进行连续自动监测,其缺点是测量值需要校正,且仪器价格昂贵。
2 土壤水分动态的研究
土壤水分空间分布和动态变化的研究有利于田间土壤水分的管理和利用,在以往的研究中,对土壤水分垂直分布规律和变化的状况有较深入的认识。
2.1 不同种植模式土壤水分动态的研究
不同种植模式土壤水分动态的研究有:孔祥旋等(2000)根据土壤物理性质测定和水分定位观测结果,结合当地气候、作物生育特点,得出黄泛平原粗砂潮土农田土壤水分垂直变化特点:含水率自上而下渐增,将土壤水分垂直性分布划分为速变层(0~40 cm)、活跃层(40~100 cm)和稳定层(100 cm以下);崔灵周等(2002)依据定位观测数据,对紫色土丘陵区农用地土壤水分的动态变化规律进行了初步研究。结果表明,该区农用地土壤水分的季节变化主要受降水、蒸发和土地利用状况的影响,呈现出明显的三峰三谷型;垂直梯度变化由于受降雨入浸分布与土壤水分向上蒸发的综合作用,基本表现为增长型。并利用标准差和变异系数对土壤水分的垂直梯度变化进行了具体描述和层次划分。由于植物及地面的蒸散作用,使土壤水分不断地向大气逸散,同时每年又有一定的降水补充在土体内,引起土壤水分在剖面上的动态变化,主要表现为土壤剖面上的垂直分布特征。地表植被的类型和密度、郁闭度都会影响到土壤水分运动,根据水量平衡原理,凡是能够影响降雨分配和水分输出的因子都能够影响土壤水分中的储量。较荒坡地而言,植被能改善土壤结构,增强土壤的持水能力和水分调节能力。此外,植物根系主要分布层的根系对该层土壤水分含量有明显影响,在生长旺盛季节,植物蒸腾作用加强,根系吸水强烈,往往导致根系集中分布层土壤含水率大幅度降低。
2.2 降雨对土壤水分动态影响的研究
不同降雨对土壤水分动态也有很大的影响。王军等(2000)根据连续2 a土壤水分的定点观测数据,对黄土丘陵区不同土地利用类型及其结构与土壤水分的时空关系进行了分析。结果表明:在欠水年,土地利用间土壤水分的差异显著;而在丰水年,土地利用间土壤水分的差异不显著。并且表明土壤水分年内季节变化呈现出三峰三谷,垂直梯度变化可归纳为增长型、降低型和波动型。张北赢等(2008)采用定位监测法,对黄土丘陵沟壑区不同降水年型下旱农坡地、刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地土壤水分的时空变化规律进行了分析。结果表明,降水年型对研究区不同植被类型土壤水分的季节变化和剖面垂直变化均有一定影响。旱农坡地平水年土壤水分的季节变化平缓;枯水年雨季前土壤水分缓慢减小,雨季后显著增加;丰水年则整体增加,且雨季后增加明显。刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地平水年土壤水分的季节变化表现为整体降低;枯水年沙棘灌丛土壤水分先减后增,刺槐林与白羊草地呈/W0型曲线变化, 8个最低值均出现在6月和8月;丰水年沙棘灌丛和刺槐林土壤水分的季节变化呈/V0型,白羊草地的波动较大,最低值出现在8月。旱农坡地枯水年的土壤水分活跃层和次活跃层深度较平水年下移,丰水年次活跃层消失;丰水年和枯水年,刺槐林和白羊草地土壤水分活跃层深度均较平水年下移,沙棘灌丛则上移。
3 结论与讨论
总体来说,土壤水分测定方法各有优劣,但目前用得比较广的是烘干法、中子仪法和TDR法。但从TDR的发展趋势看,有代替中子法之势。土壤水分的测定关系到土壤水分研究的发展进程,现有的土壤水分测定技术虽然已经取得了一些成就,但是还有待于进一步的提高,必将向着快捷、高效、便携、准确、廉价的方向发展。土壤水分变化趋势是由当地的综合因子决定的,整体上应该受降水补给情况和蒸散及入渗影响,在雨季连续降雨的情况下,土壤平均含水率变化有可能出现降低型,旱季则一般表现为增长型。在植物的生长季节,根系对深层土壤水分的强烈吸收也会形成土壤水分含量上高下低的情况。此外,特殊的地形条件也可能造成特殊的土壤水分分布格局。这都有赖于对影响土壤水分的气候和地形等条件的深入研究。
总的来说,土壤水分动态研究大多针对于某一特定区域、特定土质、特定地形条件下进行的,着重研究土壤水分的时空变化特征,描述性的论文多,研究土壤水分动态变化原理的论文较少,且地域局限性较大。
1 土壤水分测定技术的研究
土壤水分测定是进行土壤水分分析的基础工作,土壤水分温度仪是测试土壤水分和温度的先进农业仪器，土壤水分快速有效地测定是进行土壤水分动态变化规律研究的基础。因此,研究土壤水分测定方法及研制精确测定土壤水分的仪器,一直受到各国学者的重视。
1.1 土壤水分测定方法的分类
土壤水分的测定方法可以分为两大类:测量土壤的基质势,如张力计法、露点仪测定法和电阻法等。目前,张力计已成为测定土壤水势的常规仪器;º直接测量土壤的含水率,可以是质量含水率,也可以是体积含水率。观测土壤含水率的常规方法有烘干法、中子水分仪测定法、时域反射仪(TDR)测定法,C射线法。
1.2 几种常用土壤水分测定方法的比较
1.2.1 张力计法
该方法运用负压管的负压与土壤吸力呈对应关系的原理。在观测时,操作简单,可对原位土壤长期监测,而且观测成本也比较低。但是该方法受温度影响大,且在土壤含水率低时即失效。负压管中的水进入土壤会带来误差。此外,具有滞后效应,不能及时反映土壤水分状况。
1.2.2 烘干法
烘干法一直被认为是最经典、准确的,是其它方法的基准。该方法可直接测定土壤含水率,而且成本低。但一般均为人工操作,费时费力,且扰动测定点的土壤,不利于原位,连续测定,取样过程会造成蒸发误差。
1.2.3 C射线法
该方法快速,准确,可对土壤进行连续自动监测,但测量值受土壤干重影响大,仅适于实验室测定。
1.2.4 中子水分仪法
中子水分仪由于是原地定位监测而不必破坏土壤,被认为是间接方法测定土壤水分最准确、最快捷的一种方法。仪器探头在一个相当大的土壤样本中测定,测量值更具代表性。可对原位土壤进行连续测定。不受土壤水状态影响,测定数据准确性较高。缺点是测定的慢中子数有赖于标准曲线转换成含水率,标定过程会带来误差,此外仪器有一定放射危害。
1.2.5 时域反射仪法TDR
TDR法快速、准确,可对原位土壤进行连续自动监测,其缺点是测量值需要校正,且仪器价格昂贵。
2 土壤水分动态的研究
土壤水分空间分布和动态变化的研究有利于田间土壤水分的管理和利用,在以往的研究中,对土壤水分垂直分布规律和变化的状况有较深入的认识。
2.1 不同种植模式土壤水分动态的研究
不同种植模式土壤水分动态的研究有:孔祥旋等(2000)根据土壤物理性质测定和水分定位观测结果,结合当地气候、作物生育特点,得出黄泛平原粗砂潮土农田土壤水分垂直变化特点:含水率自上而下渐增,将土壤水分垂直性分布划分为速变层(0~40 cm)、活跃层(40~100 cm)和稳定层(100 cm以下);崔灵周等(2002)依据定位观测数据,对紫色土丘陵区农用地土壤水分的动态变化规律进行了初步研究。结果表明,该区农用地土壤水分的季节变化主要受降水、蒸发和土地利用状况的影响,呈现出明显的三峰三谷型;垂直梯度变化由于受降雨入浸分布与土壤水分向上蒸发的综合作用,基本表现为增长型。并利用标准差和变异系数对土壤水分的垂直梯度变化进行了具体描述和层次划分。由于植物及地面的蒸散作用,使土壤水分不断地向大气逸散,同时每年又有一定的降水补充在土体内,引起土壤水分在剖面上的动态变化,主要表现为土壤剖面上的垂直分布特征。地表植被的类型和密度、郁闭度都会影响到土壤水分运动,根据水量平衡原理,凡是能够影响降雨分配和水分输出的因子都能够影响土壤水分中的储量。较荒坡地而言,植被能改善土壤结构,增强土壤的持水能力和水分调节能力。此外,植物根系主要分布层的根系对该层土壤水分含量有明显影响,在生长旺盛季节,植物蒸腾作用加强,根系吸水强烈,往往导致根系集中分布层土壤含水率大幅度降低。
2.2 降雨对土壤水分动态影响的研究
不同降雨对土壤水分动态也有很大的影响。王军等(2000)根据连续2 a土壤水分的定点观测数据,对黄土丘陵区不同土地利用类型及其结构与土壤水分的时空关系进行了分析。结果表明:在欠水年,土地利用间土壤水分的差异显著;而在丰水年,土地利用间土壤水分的差异不显著。并且表明土壤水分年内季节变化呈现出三峰三谷,垂直梯度变化可归纳为增长型、降低型和波动型。张北赢等(2008)采用定位监测法,对黄土丘陵沟壑区不同降水年型下旱农坡地、刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地土壤水分的时空变化规律进行了分析。结果表明,降水年型对研究区不同植被类型土壤水分的季节变化和剖面垂直变化均有一定影响。旱农坡地平水年土壤水分的季节变化平缓;枯水年雨季前土壤水分缓慢减小,雨季后显著增加;丰水年则整体增加,且雨季后增加明显。刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地平水年土壤水分的季节变化表现为整体降低;枯水年沙棘灌丛土壤水分先减后增,刺槐林与白羊草地呈/W0型曲线变化, 8个最低值均出现在6月和8月;丰水年沙棘灌丛和刺槐林土壤水分的季节变化呈/V0型,白羊草地的波动较大,最低值出现在8月。旱农坡地枯水年的土壤水分活跃层和次活跃层深度较平水年下移,丰水年次活跃层消失;丰水年和枯水年,刺槐林和白羊草地土壤水分活跃层深度均较平水年下移,沙棘灌丛则上移。
3 结论与讨论
总体来说,土壤水分测定方法各有优劣,但目前用得比较广的是烘干法、中子仪法和TDR法。但从TDR的发展趋势看,有代替中子法之势。土壤水分的测定关系到土壤水分研究的发展进程,现有的土壤水分测定技术虽然已经取得了一些成就,但是还有待于进一步的提高,必将向着快捷、高效、便携、准确、廉价的方向发展。土壤水分变化趋势是由当地的综合因子决定的,整体上应该受降水补给情况和蒸散及入渗影响,在雨季连续降雨的情况下,土壤平均含水率变化有可能出现降低型,旱季则一般表现为增长型。在植物的生长季节,根系对深层土壤水分的强烈吸收也会形成土壤水分含量上高下低的情况。此外,特殊的地形条件也可能造成特殊的土壤水分分布格局。这都有赖于对影响土壤水分的气候和地形等条件的深入研究。
总的来说,土壤水分动态研究大多针对于某一特定区域、特定土质、特定地形条件下进行的,着重研究土壤水分的时空变化特征,描述性的论文多,研究土壤水分动态变化原理的论文较少,且地域局限性较大。
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