集合各种温室土壤墒情监测方法， 你值得拥有！
温室是一个相对封闭的农业生产设施，自然降雨不能被直接利用，作物生长发育需要的水分完全依靠人工灌溉措施来保障。土壤墒情监测方法是温室中指导灌溉常用的方法之一。按照土壤墒情监测仪器设备和手段的不同，温室土壤墒情监测方法主要可以分为烘干法、介电类法、中子仪法、负压计法等。本文介绍了这些土壤墒情监测技术的主要原理和特性，并详细介绍了负压计法——基于20cm深度特征点土壤基质势的温室土壤墒情监测技术。田间试验发现，控制滴头正下方20cm深度土壤基质势可以明显影响0~100cm深度土壤水分状况，并且特征点土壤基质势阈值越低，影响到的土层深度越深。番茄的产量、品质、耗水量和水分利用效率也明显受到特征点土壤基质势阈值的影响。番茄开花坐果期土壤基质势阈值控制在-30kPa、结果期控制在-45kPa，有利于温室秋春茬番茄的高产优质，并且节水效益显著。
土壤墒情即土壤中的水分状况，快速、准确地测定农田土壤水分，对于及时做出灌溉、排水、施肥等决策具有重要意义。国内外从20世纪中叶就开始进行土壤水分的监测，主要方法包括用烘干法、介电类法、中子法和负压计法等。这些方法都可以实现土壤水分的测定，但主要原理和特性各不相同。
烘干法
◆原理
烘干法又称烘干称重法，实质就是通过对所取的土样在烘干（105±2℃）前后分别称其重量来获得土样中的含水量，测定的是土壤质量含水率。是直接测量土壤水分的一种方法，也是国内外通用的测定土壤含水率的标准方法，其他借助不同仪器的土壤水分测定方法都需要借助烘干法加以标定。根据烘干方式的不同，烘干法又可以分为恒温箱烘干法、酒精燃烧法、红外线烘干法等，恒温箱烘干法一直被认为是最经典和最精确的标准方法。
◆主要特性
（1）烘干法的观测是破坏性的，需要对土壤剖面采样，拿回室内烘干处理测定，这种破坏性观测方法不适合长期观测。
（2）因为每次采样的位置不一样，受土壤空间变异性的影响，对时间序列比较而言，会带来比较大的误差。
（3）取样劳动量大，费时费力，不经济。
（4）恒温箱烘干法需要8h以上，还需要干燥箱和电源，不适合野外作业。酒精燃烧法，需要多次翻炒，不适合用于细粒土壤和含有有机物的土壤，且容易掉落土粒或燃烧不均匀而带来较大误差。红外线烘干法测定精度较高，但需要专门的仪器。
因此，除了一些对精度要求很高的特殊研究需要，或者为仪器标定需要外，烘干法现在很少作为土壤水分长期观测的方法。
介电类法
通过测量土壤中水和其他介质介电常数之间差异的原理，测定土壤含水率的技术方法，统称为介电类法，一般包括时域法（TimeDomain，TD）和频域法（FrequencyDomain，FD）。其中时域法是通过测得电磁波在土壤基质中的传播速度测得土壤含水率的方法，可分为时域反射法（TDR）和时域传播法（TDT）；频域法是应用频域测量技术测量土壤含水率的方法，可分为频域反射法（FDR）和驻波法（SWR）等。
与时域法相比，频域法一般工作频率是20~150MHz，在测量电路上易于实现，设备结构更简单，测量更方便，造价较低，但是因为100MHz左右的电磁波，在传输过程中受土壤温度和电导率（盐分）的影响较大，因此测量精度相对要低些。
时域反射法（TDR）是目前土壤水分监测的主要方法，是土壤墒情长期监测手段的发展方向。以下以TDR方法为例，介绍介电类法的主要原理和特性。
◆原理
TDR方法是通过测定土壤的介电常数来测定土壤含水率的方法。由于水的介电常数远大于土壤中其他介质（矿物质、有机物颗粒、空气）的介电常数，土壤的介电常数往往取决于土壤中水分含量的多少。TDR通过发射一种高频电磁波，电磁波沿着插入土壤中的特制探针传播，并在传输到探针末端后又反射回发射源，分析传导速度和振幅变化，根据速度与介电常数的关系、介电常数与体积含水率之间的函数关系，就可以得到土壤含水率。
◆主要特性
（1）测定精度高，特别是表层土壤含水率测定。理论上是测量土壤水分精度最高的技术。
（2）测定快捷、方便。电磁波的传输速度很快，TDR仪大多10s就能够获得一个数据。
（3）灵活性强。可测表层，可测剖面，可定点测，也可连续动态监测。在数据采集上可集成多种系统，实现不同的测量要求，符合现代环境要素综合观测要求。
（4）TDR不适合在高电导率（盐分含量高）的土壤中监测土壤水分。土壤介电常数除了受土壤含水率影响外，还明显地受到土壤电导率的影响，尤其是当电导率较大时。有研究表明，当电导率大于8dS/m时（不同土壤质地该数据有差异），TDR测定的土壤体积含水率比实际的含水率偏大。
（5）土壤介电常数也受到土壤温度变化的影响，应该避免在土温变化明显的时候观测土壤含水率，特别是表层，土温往往会在短时间内有明显的变化，从而影响到TDR的观测精度。
（6）TDR测定土壤含水率的标定方程大多采用Topp在1980年提出的经验方程，这个方程有一定的适用范围，超出了适用范围，应该对标定方程进行修正。在实际的野外观测中，应该对TDR进行重新标定，建立适合本地区的标定方程。
中子仪法
◆原理
中子仪法是中子仪探头中放出的快中子，可以与氢原子发生碰撞，损失能量形成慢中子，而土壤中所有氢原子几乎都存在于水中，土壤对快中子的慢化能力主要取决于土壤的含水量。慢中子云球的通量密度与中子源作用范围内的土壤含水率之间呈近似线性函数关系，因此只要测定出土壤中慢中子云的通量密度，通过标定曲线，即可确定土壤含水率。
◆主要特性
（1）不用破坏性取土，可保持土层的土壤结构不受破坏。
（2）中子仪法观测的是以测点为中心某个半径范围内的土壤平均含水率，代表性较好，但也存在垂直分辨率较差的问题。
（3）具有方便的土壤含水率动态监测能力，是野外土壤水分长期动态观测的主要方法之一。
（4）由于表层观测时，部分中子逸出到空气中，表层土壤含水率的观测误差较大，应该单独建立表层的标定方程。
（5）中子仪观测的准确程度依赖于对仪器的标定，标定过程十分重要。田间不同的土壤物理性质，如容重、土壤质地等都会造成标定曲线较大的移动，应该针对不同土壤物理性质的土壤，建立不同的标定曲线。仪器使用一段时间2~5年也需要重新标定。
（6）中子仪存在辐射危害，尽管辐射量很低，不会对身体产生不良的影响，但操作人员需要严格按照操作手册的安全说明和使用指南进行操作和防护。
负压计法（张力计法）
◆原理
根据土壤水的基质势（或土壤水吸力）与土壤含水率相关关系的原理测量土壤含水率的方法。是从土壤水的能量的角度研究土壤水分。
自然界中水总是由高的地方向低的地方流。水可以从土壤中进入到作物的根条就是因为土壤水势比根水势高的原因。土壤水势主要由基质势、渗透势（溶质势）、重力势、压力势等几部分组成。由于作物的根系与土壤接触，所以影响根系吸水的，主要是土壤水的基质势和渗透势。温室非盐碱地、淡水灌溉、土壤水不饱和的情况下，即大多数的田间情况下，土壤水的能态主要取决于土壤基质势；土壤基质势同土壤含水率关系密切，土壤含水率越大，基质势越高，土壤含水率越小，基质势越低。温室盐渍化土壤或者咸水/微咸水灌溉条件下，渗透势也起一定作用；渗透势由土壤溶液中的可溶性物质决定，可溶性物质浓度越高，渗透势越低，反之渗透势越高。在土壤水饱和的情况下，需要考虑压力势，如温室土壤淹灌时，在饱和土壤越深层的土壤水，所受的压力势越大。
负压计（张力计）就是专门用来测定土壤基质势的仪器，测量的就是作物根系从土壤中汲取水分所施加的力（土壤水吸力）。负压计又分为真空表式负压计和U形汞柱型负压计两种，后者测量的精度更高。
◆特性
（1）使用负压计法监测土壤含水率时，应首先确定各监测点的土壤水分特征曲线。
（2）田间原位测定，不用破坏性取土。
（3）价格低廉，可以在田间研究中大量布设，来研究整个土壤剖面土壤水分分布情况。
（4）负压计的压力值显示可以是指针式表和压力传感器。通过电气改造，传感器可以数字化，可与计算机接口链接，使得土壤水分测量能够自动监测。
（5）负压计测量的土壤水吸力范围为0~85kPa。土壤太干时，陶土头会被空气“穿透”，即漏气，因而不能测定土壤太干情况下的土壤基质势。
温室土壤墒情监测
土壤墒情监测方式包括固定埋设自动墒情监测方式、人工便携式自动墒情监测方式以及人工取土烘干监测方式。在开展温室土壤墒情监测时，除了监测仪器设备等的选择，还需要考虑监测点位置、采样点深度、监测时间等内容。
◆监测仪器设备配置与要求
（1）监测仪器能在空气温度为-10~50℃环境下正常工作，负压计类仪器在5~40℃环境下正常工作。
（2）介电法类与中子仪法类监测仪器的量程不小于0~60%（m3/m3），负压计法类监测仪器的量程为1~80kPa。
（3）介电法类与中子仪法类监测仪器分辨率为0.1%（m3/m3），负压计法类监测仪器为1.0kPa。
（4）传感器的探针和外壳应坚固、耐用，具有耐腐蚀性和密封性。
（5）介电法类和中子仪法类监测土壤墒情时，每次埋设导管时，都需要以烘干法为基准，对仪器进行标定。
（6）采用烘干法测定土壤含水率或进行仪器标定时，每个测定应取3个样本重复测定，样本间距控制在10cm之内。各重复样本土壤含水率的相对误差应不大于5%，取算术平均值作为测定点土壤含水率。
◆监测点位置与采样点深度
（1）温室土壤墒情监测点布设，应根据温室大小、土壤特性的空间变异性、土层厚度、种植作物以及作物生长发育阶段等综合确定。一般一个占地1亩地左右（667m2）的温室大棚，在中央位置布设1个监测点即可。
（2）监测点的位置应避开低洼易积水的地方，且同沟槽和供水管道保持10m以上的距离，避免水侧渗对土壤含水率产生影响。
（3）采样点深度应在监测点处沿垂向按不同深度设定。一般而言，依据作物生长发育阶段，采样点深度可以为：10cm或者20cm（一点法）、10cm和20cm或者20cm和40cm（二点法）、10cm、20cm和40cm（三点法）。
（4）在土层较薄的山丘区，采样点深度可依据土层厚度确定；在地下水埋深较浅的地区，采样点深度以达到土壤饱和带上界面为止。
（5）根据作物种植类型的不同和有特殊要求的，可以恰当增加监测点数目和采样点深度。
◆监测时间与频次
（1）采用人工取土烘干、移动自动监测方式的，一般每10天1次监测土壤墒情。在作物关键生长发育期应加密土壤墒情监测次数。
（2）灌溉前后应该加测土壤墒情。灌溉后，在监测点地块地面积水消失24h后，再进行监测；若监测点地块地面没有积水，可视土壤表面湿润情况，在灌溉结束后2~6h进行监测。
（3）采用固定埋设自动墒情监测方式的，建议土壤含水率信息采集时间从每日8:00开始，每隔2~6h采集信息1次。
（4）有特殊要求的，可以恰当增加监测时间与频次。
文章节选自《基于土壤基质势的温室土壤墒情监测技术》，引用信息如下
万书勤 , 李晓彬 , 康跃虎 . 基于土壤基质势的温室土壤墒情监测技术 [J]. 农业工程技术 ,2019,39(13):10-17.