土壤含水量

土壤含水量一般是指土壤絕對含水量，即100g烘乾土中含有若干克水分，也稱土壤含水率。測定土壤含水量可掌握作物對水的需要情況，對農業生產有很重要的指導意義。

重量含水率是指土壤中水分的重量與相應固相物質重量的比值。

重量含水率ω=Mw/Ms

體積含水率是指土壤中水分佔有的體積和土壤總體積的比值。

體積（容積）含水率θ=Vw/Vs

體積含水率與重量含水率兩者之間可以換算。

公式換算：

重量含水率ω=(ρ'b-ρb)/ρb

體積含水量θ=(ρ'b-ρb)/ρw

ρ'b是土壤濕容重

ρb土壤容重

ρw是土壤中水密度

土壤水分常被吸附在土粒表面，或儲存於土壤孔隙之中，並且和外界的水一樣，也以固態、液態、氣（汽）態三態形式存在。土壤水分的類型大致可分為化學結合水、吸濕水和自由水三類。 ^[1] 

化學結合水：要在600-700攝氏度温度下才能脱離土粒；

吸濕水：是土粒表面水分子力所吸附的單分子水層，須在105-110攝氏度的温度下轉變為氣態，才能脱離土粒表面分子力的吸附而跑出；

自由水：可以在土壤顆粒的孔隙中移動，它主要有：①膜狀水，吸濕水的外層所吸附的極薄一層水膜，呈液態，受土粒表面的分子力的束縛，僅能作極緩慢的移動；②毛管懸着水，由於毛管力保持在土壤層中的水分，它與地下水和土層間的懸着水無壓力上的聯繫，但能作足夠快的移動，以供植物生長吸收；③毛管支持水，地下水隨毛管上升而被毛管力所保持在土壤中的水分；④重力水，受重力作用而下滲的土壤水，重力水只能短時間存在於土壤中，隨着時間的延長，它將會逐漸下降，補充到地下水中。 ^[1] 

從生產意義上講，化學結合水和吸濕水在土壤中不能自由移動，故不能被植物吸收利用，膜狀水僅能作極緩慢的移動，且含量很少，遠不能滿足植物的需要，毛管懸着水和毛管支持水是供植物吸收利用的最有效的水分，重力水因只能短時存在，不能持續為植物利用，而且過多時常會造成土壤通氣不暢，影響植物生長，但作為水量平衡計算時，重力水是不可忽視的部分。 ^[2] 

測定土壤含水量的方法有：烘乾法、酒精烘烤法、酒精燃燒法、紅外線法、中子法、γ射線法和時域反射法（TDR法）等，其中，中子法、γ射線法和時域反射法3種方法需要特別的儀器，有的還需要一定的防護條件，一般不採用。實驗室一般採用酒精烘烤法、酒精燃燒法和烘乾法，而烘乾法是最常用的方法。酒精燃燒法全過程只需20min左右，適用於田間快速測定。 ^[4] 

烘乾稱重法測定的是土壤重量含水量，有恆温箱烘乾法、酒精燃燒法、紅外線烘乾法等。恆温箱烘乾法一直被認為是最經典和最精確的標準方法。 ^[3] 

烘乾法的優點是就樣品本身而言結果可靠，但它的缺點也是明顯的，取樣時會破壞土壤，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，在很多情況下難以進行長期原位監測；且受土壤空間變異性影響也比較大；傳統的測定含水量的恆温箱烘乾法費時費力（需8小時以上），還需要乾燥箱及電源，不適合野外作業。採用酒精燃燒法，由於需要翻炒多次，極為不便，不適合用於細粒土和含有有機物的土，且容易掉落土粒或燃燒不均勻而帶來較大誤差。紅外線法測定精度雖高，但需要專門的儀器。 ^[3] 

也稱烘乾法，這是唯一可以直接測量土壤水分方法，也是國際上的標準方法。用土鑽採取土樣，用0.1g精度的天平稱取土樣的重量，記作土樣的濕重M，在105℃的烘箱內將土樣烘6~8小時至恆重，然後測定烘乾土樣，記作土樣的乾重Ms

土壤含水量=（烘乾前鋁盒及土樣質量-烘乾後鋁盒及土樣質量）/（烘乾後鋁盒及土樣質量-空鋁盒質量）*100% ^[5] 

酒精烘烤法：土壤加入酒精，在105～110℃下烘烤時可以加速水分蒸發，大大縮短烘烤時間，也不會因有機質燒失而造成誤差。通過土壤燒烤前後的重量差來計算土壤含水量。 ^[4] 

酒精燃燒法：酒精可與水分互溶，並在燃燒時使水分蒸發，土壤燃燒後損失的重量即為土壤含水量。 ^[4] 

紅外線法：將樣品置於紅外線燈下，利用紅外線照射的熱能，使樣品水分蒸發，從而測其含水量。此法快速簡便。 ^[4] 

也稱負壓計法，它測量的是土壤水吸力測量原理如下：當陶土頭插入被測土壤後，管內自由水通過多孔陶土壁與土壤水接觸，經過交換後達到水勢平衡，此時，從張力計讀到的數值就是土壤水（陶土頭處）的吸力值，也即為忽略重力勢後的基質勢的值，然後根據土壤含水率與基質勢之間的關係（土壤水特徵曲線）就可以確定出土壤的含水率

電阻法（Electrical resistance）：多孔介質的導電能力是同它的含水量以及介電常數有關的，如果忽略含鹽的影響，水分含量和其電阻間是有確定關係的電阻法是將兩個電極埋入土壤中，然後測出兩個電極之間的電阻。但是在這種情況下，電極與土壤的接觸電阻有可能比土壤的電阻大得多。因此採用將電極嵌入多孔滲水介質（石膏、尼龍、玻璃纖維等）中形成電阻塊以解決這個問題

中子法（Neutron scattering）就是用中子儀測定土壤含水率中子儀的組成主要包括：一個快中子源，一個慢中子檢測器，監測土壤散射的慢中子通量的計數器及屏蔽匣，測試用硬管等。快中子源在土壤中不斷地放射出穿透力很強的快中子，當它和氫原子核碰撞時，損失能量最大，轉化為慢中子（熱中子），熱中子在介質中擴散的同時被介質吸收，所以在探頭周圍，很快的形成了持常密度的慢中子云。

中子儀（Neutronprobe）測定土壤水分的基本原理是利用中子源輻射的快中子，碰到氫原子時慢化為熱中子，通過熱中子數量與土壤含水量之間的相關關係來確定土壤水分的多少。 ^[3] 

中子法在20世紀50年代就被用於測定土壤含水量，此後，世界上很多國家對此進行研究，使中子法日趨完善。中子法十分適用於監測田間土壤水分動態，套管永久安放後不破壞土壤，能長期定位連續測定，不受滯後作用影響，測深不限；中子儀還可與自動記錄系統和計算機連接，因而成為田間原位測定土壤含水量較好的方法，並得到廣泛應用。 ^[3] 

需要田間校準是中子法的主要缺點之一。另外，儀器設備昂貴，一次性投人大。中子法對土壤採樣範圍為一球體，這使得在某些情況下測量結果會出現偏差，如土壤處於乾燥或濕潤週期時、層狀土壤、表層土壤等。此外，中子儀還存在潛在的輻射危害。 ^[3] 

γ-射線法（Gamma-ray attenuation）的基本原理是放射性同位素（現常用的是¹³⁷Cs，241Am）發射的γ-射線法穿透土壤時，其衰減度隨土壤濕容重的增大而提高。

利用γ-射線法測定土壤水分是由貝契等人於1950年提出的。1953年Bermhard等人進行了γ-射線法測定土壤含水量和千容重的試驗研究。由於利用單能γ-射線測定土壤水分受容重影響很大，為此出現了用雙能γ-射線法同時探測容重和含水量，以消除土壤容重變化影響。Wheetel等人探討了利用通過兩點佈設γ-射線來監測灌溉時的水分運動。Fahad則給出了一種利用計算機控制γ-射線測定裝置，能測定實驗室和田間土壤水分含量。國內1960年前後進行了實驗室條件下，一射線法測定土壤水分含量和土壤水分動態的試驗研究，1970年後，國內也逐漸在土壤人滲和滲透、水鹽動態等研究中應用這一方法，並在測定儀器和方法上有所改進和發展。利用，一射線測量土壤水分在實驗室內已進行了大量的研究，並取得了較好的結果，但在田間應用的可行性還需深人探討。 ^[3] 

駐波比法（Standing wave ratio）：自從Topp等人在1980年提出了土壤含水率與土壤介電常數之間存在着確定性的單值多項式關係，從而為土壤水分測量的研究開闢了一種新的研究方向，即通過測量土壤的介電常數來求得土壤含水率從電磁學的角度來看，所有的絕緣體都有可以看着是電介質，而對於土壤來説，則是於土壤固相物質、水和空氣三種電介質組成的混合物。在常温狀態下，水的介電常數約為80，土壤固相物質的介電常數約為3~5，空氣的介電常數為1，可以看出，影響土壤介電常數主要是含水率。Roth等提出了利用土、水和空氣三相物質的空間分配比例來計算土壤介電常數，並經Gardner等改進後，為採用介電方法測量土壤水分含量提供了進一步的理論依據，並利用這些原理進行土壤含水率的測量。

光學測量法是一種非接觸式的測量土壤含水率方法。光的反射、透射、偏振也與土壤含水率相關。先求出土壤的介電常數，從而進一步推導出土壤含水率。

時域反射法（Time domain reflectrometry，TDR）也是一種通過測量土壤介電常數來獲得土含水率的一種方法。TDR的原理是電磁波沿非磁性介質中的傳輸導線的傳輸速度V=c/ε，而對於已知長度為L的傳輸線，又有V=L/t，於是可得ε=(ct/L)2，其中c為光在真空中的傳播速度，ε為非磁性介質的介電常數，t為電磁波在導線中的傳輸時間。而電磁波在傳輸到導線終點時，又有一部分電磁波沿導線反射回來，這樣入射與反射形成了一個時間差T。因此通過測量電磁波在埋入土壤中的導線的入射反射時間差T就可以求出土壤的介電常數，進而求出土壤的含水率。

高頻振盪法（FDR）：因為TDR法設備昂貴，在80年代後期，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，FDR和FD法不僅比TDR便宜，而且測量時間更短，在經過特定的土壤校準之後，測量精度高，而且探頭的形狀不受限制，可以多深度同時測量，數據採集實現較容易。

(1)稱重法具有各種操作不便等缺點，但作為直接測量土壤水分含量的唯一方法，在測量精度上具有其它方法不可比擬的優勢，因此它作為一種實驗室測量方法並用於其它方法的標定將長期存在。

(2)張力計法由於其測量的直接對象為土壤基質勢，因此在更大程度和其它土壤水分測量方法相結合用於測定土壤水分特徵曲線。

(3)電阻法由於標定複雜，並且隨着時間的推移，其標定結果將很快失效，而且由於測量範圍有限，精度不高等一系列原因，已經基本上被淘汰。

(4)基於輻射原理的中子法和γ-射線法雖然有着高精度，快速度等優點，但是由於它們共同存在着對人體健康造成危害的致命缺陷，近年來已經在發達國家遭到棄用，在國內也僅有少量用於實驗研究。

(5)基於測量土壤介電常數的各種方法是近20年來新發展起來的一種測量方法，在測量的實時性與精度上都比其它測量方法更具優勢，而且在使用操作更加方便靈活，可適用於不同用途的土壤水分測量。是國內外廣泛使用的一種土壤水分測量方法。

(6)光學測量法雖然具有非接觸的優點，但由於受土壤變異性影響，誤差大，適應性不強，其研究與開發的前景並不樂觀

(7)TDR其優點是測量速度快，操作簡便，精確度高，能達到0.5%，可連續測量，既可測量土壤表層水分，也可用於測量剖面水分既可用於手持式的時實測量，也可用於遠距離多點自動監測，測量數據易於處理。