时域反射仪（TimedoffiaillfCflC。tothCtry，简称TDR）是一种远 程遥感测定技术，早期它主要应用于通讯方面的线路检测。本世纪70年代末期，科学家们才开始 把它应用于土壤电特性的测定，并由测定的土壤介电常数来推算土壤含水量l‘］。由于TDR能 精确、快速和连续测定土壤水分，因此，它正逐渐成为土壤水分测定的一个重要的新工身‘，‘’ 。TOpp等最早通过对四种土壤用烘干法测定的含水量（0）与TDR测定的土壤（表观）介电 常数（K）建立了通用的K（0）标定曲线l’］，其它一些研究者也相继在各自的实验条件下建 立了K（0）关系［‘－‘］。早期的研究结果认为，对于一般轻质地砂土和壤土，可用TOpp 等建立的“通用”标定曲线来推算含水量，TThl；1测定值与土壤质地、类型等无关‘’‘。 然而后继的一些研究结果表明，TThl；t测定的含水量还受土壤容重等因素的影响［’，‘］ 。tedien等曾指出，尽管容重对测定含水量的影响较小，但考虑容重后的影响可使标定曲线 得到改进‘”。Jacobsen等甚至在K（0）关系式中加人了土壤容重、粘粒含量和有机质 含量的影响因子，以提高TDR测定含水量的精度l’］。已经建立的K（0）标定曲线都假设土 壤孔隙中水的性质与自由水相似，而且都是指在常温（20aC）下。在土温有大幅度不规则变化 的情况下，必须考虑温度对水的介电性质的影响。Weast曾指出，虽然自由水的介电常数随温 度变化较小，但很重要［”］。土壤中固相、气相的介电特性随温度变化比水要小得多［‘］。当 温度改变时，自由水的介电特性发生变化，而土壤孔隙中的水不仅会改变本身的介电特性，而且由 于孔隙水与土壤颗粒间的相互作用，使得混合物的介电特性变化相当复杂。已有的温度（t）与自 由水介电常数（KW）的经验公式如下［10］KW＝78．54［14．579X10’（t2 5）＋1．19X10’（t25）’2．SX10’（t25）’］（l）Topp等认为，温 度在10～36oC之间，实际含水量在0～0．35cm’／cm‘之间变化时温度改变对含水 量的测定结果没有什么影响l’］。Zagoskii等也认为温度在saC以上时，测定的含水 量不会改变，但温度低于soC时，由于水的密度变化较大，影响了含水量的测定值［”］虽然已 有的几个K（0）标定公式中用到了基于土壤温度的水的介电常数，但他们未曾给出温度校正后的 实验结果［‘·”］。直到最近，Pepin等用TThlt在不同温度下测定了几种土壤的含水 量t‘’］，为了提高测定精度，建议在含水量较高时，温度的校正值采用0．001750。／ ℃。本项试验的目的在于通过TDR在不同容重和不同温度条件下测定的土壤含水量与实际含水量 比较，提出土壤容重和土壤温度的变化对TDR测定含水量的偏差范围和校正方法。l测定原理与 方法1．l测定原理TDR主机发射的一个高频阶梯状脉冲波沿着土壤中放置或括人的金属探针中 传播，其信号在探针末端反射回来，土壤的介电常数可用下式计算［’］：式中C为真空中的光速 ，相当于沿探针的脉冲波速度，T为电磁波沿探针来回传播的时间，假设探针在真空中的传播时间 为C，则：代人公式（2）中，则得：土壤这类多孔介质被看成是三相混合物，即土壤、水和空气 。为了能够获得介电常数与含水量的定量关系，研究者们一直在试图用介质混合定律来描述多相混 合物总的介电常数与各组分介电常数的关系［4］。已有的实验结果表明，土壤介质遵循如下半理 论、半经验的公式［’］：式中℃为探针在具有一定孔隙度的完全干燥土壤中的传播时间，只为水 的介电常数。通过TDR探针测定它在土壤介质中的传播时间（T），应用公式（6）可计算土壤 体积含水量（0。）。由公式（6）可知，土壤容重和温度对TDR测定土壤含水量的影响主要表 现在T／C值和民值的变化对0的影响。1．2测定方法1．2．l不同土壤和不同容重不／TO 值的测定本项试验用四种土壤：砂土、砂质壤土、壤土和粉砂质粘壤土，其中后三种为一般农业矿 质土壤，土壤粒径分布如表1所示。表1四种上还的粒径分布Tablel】怕pwhclesi zedistri加honofb皿soils将上述四种土壤在105t下烘干24h，在干燥 器中冷却至20oC，按照一定容重装人PVC土柱（长35cm，直径10cm，填装土实际高 度为30cm，下同），试验采用加拿大ESI公司的MP－－gi7时域反射仪，探针长度为3 0cm，仪器所用的标定曲线采用公式（6），由MP－－917主机也可直接读取每次测定的传 播时间（T），对于30cm长的探针，c一Zns，I／Td值用50次测定的平均值。1．2 ．2不同土壤的含水量测定试验选砂质壤土和壤土为供试土壤，将其按一定的容重（砂质壤土1． 3g／cm’，壤土1．4g／cm’）装人如上所述的PVC土柱，自下而上用马氏瓶加蒸馏水 使土壤至饱和，每隔一定时间（视蒸发状况而定）用TI＞11测定土壤含水量，每次测定值用2 0个测定的平均值。PVC土柱中的实际含水量用称重法测定，测定仪器为Precisa300 00D（瑞士产），最大称量30kg，感量0．ig。1．2．3不同温度下rD311测定土 壤含水量将砂质壤土按容重1．3g／cm’装人PVC土柱，用马氏瓶自下而上加水，土柱含水 量依次上升至0．06、0．12、0．18、0．24、0．30、0．36、0．42cm’ ／cm’时密封土柱以防止蒸发，并将土柱放人恒温箱，恒温箱的温度从5℃升至45℃，每隔5 ℃对土柱分别用TDR和称量法测定一次含水量。为确保土柱中的温度与恒温箱内的温度一致，土 柱中插有温度计，以上柱中的温度达到所要求的温度为准。2结果与讨论2．l不同土壤的TS／ T4值测定结果表明（表2），在本试验土壤容重的条件下，Z／C值的变化范围依次为，砂土： 1．73～1．80；壤土：1．68～1．79；砂质壤士：1．66～1．71；粉砂质粘壤 土：1．61～1．66。四种土壤的不／况值变化范围为1．61～1．80。实际上这也反映 了不同质地土壤颗粒完全干燥时的介电常数民一（T／TU）‘的大小。同一种土壤在不同容重下 的Z／TU值也有差异，容重越大，T／TO值也大。如果对后三种质地的土壤（代表一般农业土 壤）的容重取中间值，则壤土的T／C值为1．74，砂质壤士的T／TQ值为1．67，粉砂质 粘壤土的T／TU值为1．63，其平均z／工值为1．68。在应用公式（6）计算土壤含水量 时，瓦／C一1．68可作为一般农业土壤的瓦／c值。如果农田土壤剖面上下层次容重差异较大 或者土壤质地层次明显，则应对相应的土壤层次（容重）取不同的Z／C值，以获得准确的T／T O值。如有必要，可在实验室下测定不表2不同土坯质地和gi的TS／Td和KS值Table 2瓦／兀andKfvaluesOfsoilswithdifferenttextllll wesandbulkdensihes同土壤的Z／C值。2．2不同TS／Tq值对TDR测 定含水量的偏差为了验证所测定的Z／TO值的可靠性，以及探讨由于℃／TU值的改变可能引起 的土壤含水量测定误差，用TThll分别对两种土壤的含水量进行了测定，并与称重法实测的含 水量（准确值）进行了比较（图la，b）。结果表明，TDR测定的含水量与称重法实测的含水 量基本上是一致的，对砂质壤土的测定结果似乎比壤土要好一些，这也与TOpp［‘1和Zeg elin［“］等的结论是完全一致的。对壤土而言，在含水量大于0．30cm’／。m’时测 定值要偏高10％～20％，这可能由于土壤中粘粒与土壤孔隙水的作用而改变了孔隙水的介电性 质所致。上述TDR测定含水量的结果是用实测的Z／C值，实际上，对于田间土壤，选定合适的 图ITDR与称重法测定的土壤含水量比较（a．砂质壤土，b．壤土）Fig．lCOmpan sonofsoilwatercontentsdetenmnedbyTDRandgrav lmetyyrespectively（a．Sandyloam，bLoam）工／再有一定 的困难（除非土壤容重已知），由于不同容重的土壤其T／C值是不同的（表2），那么，对同一 种土壤，不同的T／TO值引起TDR测定的土壤含水量的偏差有多大？根据TDR实测的T／工 ，改变公式（6）中的Z／TQ值，即可得到不同的T／C值的含水量，以实际容重（Z／人值） 下的含水量测定值为标准（砂质壤土T／C一1．67，壤土不／TO—1．74），可求得不同 ℃／工值的含水量偏差（表3）。表3不同TS／T4值引起的含水t测定值的偏差‘）Tabl e3ThedeviMonsof曲ternuninswatercontent址bcted hvMousT／Tvaluesl）砂质壤土的实际含水量范围为0．022—0．413cm 3／cm‘，壤上为0、008—0．43Icul／cm’。表3结果显示，对砂质壤土，由于 选用不同Z／入值引起的含水量偏差为0．001～一0．005cm‘／cm’；对壤土，不同 T／TQ值引起的含水量偏差为0．007—一0．006cm’／cm’。该偏差值并不是由仪 器的系统误差造成，而是由于T／C值选取不准确所引起的。因此，对于在实验室条件下应用TD R测定含水量，建议首先测定土壤T／℃值，这样可以提高测定结果的精度。2．3不同温度下T DR测定的土壤含水量图2为ffiR测定的含水量随温度的变化曲线，土壤实际含水量大于0． 30cm’／cm’时，TDR测定的含水量随温度的变化呈线性关系，且温度升高，测定的含水量偏小，温度降低，测定的含水量偏大。原因是由于温度的变化改变了土壤孔隙中水的介电常数，因为不同温度下水的介电常数是不同的。虽然不同温度下土壤矿物本身的介电常数也有变化，但表4不同温度下TDR测定的上出含水且（cm’／。m3）Tablf4Soilwaterco
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