徐爽

摘 要：土壤含水率的測(cè)量方法多種多種，其中基于介電常數(shù)的方法廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)墑情和工程建設(shè)中。通過(guò)對(duì)含水率、溫度、干密度、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、含鹽量以及測(cè)試頻率等因素的分析，總結(jié)了各因素對(duì)土壤介電常數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：土壤；含水率；介電常數(shù)

中圖分類號(hào)：S15 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0034-02

1 概述

土壤含水率的變化對(duì)于農(nóng)林業(yè)墑情預(yù)判以及工程建設(shè)中凍害防治具有重要意義。通常，測(cè)定含水率通過(guò)將土樣取回實(shí)驗(yàn)室，在105℃的高溫下烘干的方法計(jì)算得到質(zhì)量含水率。該方法的準(zhǔn)確性較高，尤其對(duì)于黏粒含量不大的土類。但另一方面，由于需要現(xiàn)場(chǎng)采集樣本，并考慮到中途的各種試驗(yàn)環(huán)節(jié)，往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不便于快速確定土壤含水率。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了基于土壤介電特性的水分傳感器，能夠在很短時(shí)間內(nèi)測(cè)出土樣的體積含水率（？茲），并且具備了一定的測(cè)量精度。其中最常見(jiàn)的有頻域反射（FDR）和時(shí)域反射（TDR）傳感器。FDR是基于電容技術(shù)，在某一頻率下，將土壤介電常數(shù)（？著）進(jìn)行實(shí)虛部分解，然后將其中的實(shí)部換算為土壤？茲。TDR法依據(jù)電磁波沿探針傳播的速度與周圍土壤？著平方根成正比的理論，測(cè)出？著，再轉(zhuǎn)換為？茲?？梢钥吹?，兩者都是首先測(cè)出被測(cè)土樣的？著，再將其值帶入相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，轉(zhuǎn)換成？茲的方法實(shí)現(xiàn)。因此？著無(wú)疑成為一個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo)。早些時(shí)候，研究者大多認(rèn)為土壤？著大小幾乎只受到？茲的影響，而土壤其他因素對(duì)含水率測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。但隨著相關(guān)研究的進(jìn)一步開(kāi)展，科研人員發(fā)現(xiàn)除了體積含水率之外，溫度、干密度（容重）、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、含鹽量以及測(cè)試頻率等因素都會(huì)對(duì)？著產(chǎn)生較大的影響，并對(duì)？茲的測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大誤差。本文就前人的研究結(jié)果對(duì)影響土壤？著的各種因素進(jìn)行分析總結(jié)。

2 不同因素對(duì)介電常數(shù)的影響

2.1 體積含水率

在20℃時(shí)，土壤中液體的介電常數(shù)值約為80，固體顆粒為3-5之間，而氣態(tài)物質(zhì)則僅為1左右，所以？茲的大小幾乎成為決定土壤？著的最大因素。尤其在砂土，碎石土等黏粒含量較小的土質(zhì)中，？茲與？著往往形成較高決定系數(shù)的三次多項(xiàng)式關(guān)系。所以，目前絕大多數(shù)TDR或FDR傳感器都通過(guò)擬合公式將測(cè)得的？著轉(zhuǎn)化為？茲。

2.2 溫度

？著表征介電質(zhì)極化能力強(qiáng)弱，常溫常壓下，液態(tài)水的？著與溫度成一定的函數(shù)關(guān)系，而在同樣環(huán)境中，土骨架及其空氣的？著變化量要小很多，所以當(dāng)土壤含水率較大時(shí)，溫度的變化會(huì)明顯左右土壤總體？著的變化。郭文川等[1]發(fā)現(xiàn)在某一含水率區(qū)間內(nèi)，土壤？著值隨著溫度的增大而增大，消除溫度的影響對(duì)于提高？茲的測(cè)量精度非常重要。高磊等[2]利用FDR技術(shù)的水分傳感器測(cè)量土壤水分，試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)明顯的溫度效應(yīng)，但不同傳感器所測(cè)的？茲與溫度之間均呈線性遞增關(guān)系。龔元石等[3]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)？茲大于30%時(shí)，TDR傳感器測(cè)得的含水率值與溫度幾乎成線性關(guān)系；而？茲小于30%時(shí)，測(cè)量值伴隨溫度的變化不明顯。另外，在凍土中，由于未凍水含量與溫度之間的動(dòng)態(tài)平衡，使得溫度與？著的關(guān)系更為復(fù)雜。

2.3 干密度

絕大多數(shù)傳感器反映的是土壤？茲，而在巖土工程領(lǐng)域運(yùn)用較多的是質(zhì)量含水率（W），兩者通過(guò)？茲=■·w轉(zhuǎn)換，其中？籽■指干密度（m3/m3），？籽■為土壤液體的密度（m3/m3）?？紤]到土溶液的密度隨溫度變化很小，當(dāng)質(zhì)量含水率恒定時(shí)，隨著干密度的改變，？茲就要發(fā)生變化。張鵬[4]研究了相同質(zhì)量含水率但不同干密度時(shí)試驗(yàn)土柱的？著變化，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，土壤？著隨干密度的增大而增大。吳華山等[5]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干密度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，測(cè)得的質(zhì)量含水率值能最接近于烘干法測(cè)得值，倘若實(shí)際干密度與該數(shù)值相差得越大，則含水率測(cè)量值的偏差也就越大。

2.4 土壤質(zhì)地

土壤顆粒級(jí)配以及黏粒成分的差別，也會(huì)影響含水率的測(cè)量精度。往往在砂質(zhì)土或是含沙量較多時(shí)，傳統(tǒng)的？著與？茲之間的相關(guān)曲線具有更好的普適性，但在黏粒含量較多的土質(zhì)中，很多時(shí)候兩者的關(guān)系曲線需要經(jīng)過(guò)重新標(biāo)定。吳華山等[5]運(yùn)用TDR技術(shù)對(duì)四種土壤的含水率進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，砂土和壤土的測(cè)量結(jié)果與烘干法的測(cè)量值更為接近，誤差相對(duì)較小，而黏土和粘壤土的誤差較大，需要進(jìn)行一定修正。朱安寧等[6]對(duì)八種不同質(zhì)地的土壤的？茲與？著關(guān)系進(jìn)行研究，探究了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于不同質(zhì)地土壤的適用性。

2.5 有機(jī)質(zhì)含量

通常情況下，土壤有機(jī)質(zhì)的組成比較復(fù)雜，絕大多數(shù)情況下以腐殖質(zhì)為主。有相關(guān)研究結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)成分以及含量的區(qū)別也會(huì)對(duì)土壤？著產(chǎn)生影響。潘金梅等[7]采用控制變量的方法，通過(guò)測(cè)量5種不同有機(jī)質(zhì)含量的東北黑土以及加入不同比例毛白楊碎屑的扁都口草甸土，研究了腐殖質(zhì)和植物性殘留物的對(duì)土壤？著的影響，結(jié)果表明腐殖質(zhì)會(huì)降低干燥土壤的干密度，間接地降低土壤？著。Herkerlrath等[8]發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率相同時(shí)，高有機(jī)質(zhì)土壤的？著要小于普通的礦物質(zhì)土壤。Jacobsen等[9]考慮了有機(jī)質(zhì)含量、黏粒含量以及干密度等因素對(duì)土壤？著的影響，對(duì)傳統(tǒng)？茲-？著關(guān)系式進(jìn)行了改進(jìn)，提高了含水率測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.6 含鹽量

含鹽量的增加會(huì)改變土壤的土水勢(shì)，尤其在高含水率的粘性土中，束縛水的含量會(huì)隨著含鹽量的增大而增加，進(jìn)而改變土壤介電特性。譚秀翠等[10]利用5種TDR儀器測(cè)試了不同鹽分濃度下土試樣的含水率，結(jié)果表明隨著鹽分濃度的增加， 出現(xiàn)測(cè)得的含水率值增大或者是最后無(wú)法得出合理數(shù)值的情況。曹巧紅等[11]通過(guò)在素土中添加電介質(zhì)溶液的方法，測(cè)量了不同土壤？著的變化，結(jié)果表明當(dāng)含水率較低時(shí)，溶液電導(dǎo)率的變化對(duì)？著的影響很??；當(dāng)含水率以及電導(dǎo)率達(dá)到一定值時(shí)，隨著土溶液電導(dǎo)率的增加，？著出現(xiàn)明顯增大，但是值得注意的是，不同類型土的臨界含水率以及電導(dǎo)率值不相同。endprint

2.7 頻率

此外，測(cè)試頻率的不同也會(huì)影響同一物體？著的大小。張鵬[4]通過(guò)試驗(yàn)，研究了不同頻率下，不同土壤？著的變化，發(fā)現(xiàn)？著隨頻率的增大而減小。

參考文獻(xiàn)：

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