土壤水分是土壤的一个重要物理参数，它对于植物的生长具有重要的意义，同时土壤水分状况对于降雨产流有重要的影响，对土壤水分及其变化的监测是农业、水文、环境和水土保持等研究工作中的一个基础工作。土壤水分的测定有多种方法，目前大多使用土壤水分速测仪等检测仪器测量，另外直接测定的主要有传统的烘箱法，间接测定方法有石膏电阻块、张力仪和中子仪等，但这些方法均有其不足,如石膏电阻块法测定结果常受土壤类型、盐分浓度及环境温度的影响，张力计只能测定土壤的基质势，只有已知土壤水分特征曲线才能求得土壤含水量，中子仪中子探头的“热中子云球”的半径随土壤含水量的大小而改变，尤其表层含水量不易准确测定，其应用受到限制。近年来TDR越来越多地被用于土壤水分的测定,它具有快速、准确、连续测定等优点，能自动监测土壤水分及其变化。本文介绍了一套自动监测土壤水分的TDR系统及其应用。
　　1　TDR系统与土壤水分监测
　　1.1　测量原理
　　TDR（Time Domain Reflectometry）是时域反射仪的简称，这是一种利用电磁脉冲方法，根据电磁波在介质中传播速度来测试介质的介电常数的仪器。TDR主要由两部分组成:1个脉冲发生器——产生在极快的时间上阶梯状变大的电压；1个快速示波器——捕捉从探针上反射回来的信号。
　　土壤水分对土壤介电特性的影响很大，自然水的介电常数是80.36 （20℃），比空气或土壤的介电常数大得多，空气的介电常数为1,干燥土壤的介电常数介于3～7,这种巨大的差异表明，可通过测量土壤介电特性来推测土壤含水量[7]。Topp等发现，土的介电常数强烈地依赖体积含水量，而对土壤的类型、密度、温度（>0℃）和可溶性盐含量的依存性很小，所测得的介电常数能灵敏地指示土壤的体积含水量，并由此得出土壤的视介电常数和体积含水量之间的经验关系式[8]。据此关系式就可通过测量土壤的视介电常数求得土壤的体积含水量。
　　1.2　系统安装与测量
　　本文使用的TDR系统由3部分组成：（1）中央计算机、数据采集转换器（data logger）和TDR探头。这里的中央计算机是HP200LX掌上型计算机，用于整个系统的控制和数据记录。数据采集转换器用于将探头探测到的电信号转换到计算机。探头是德国IMKO公司生产的TRIME P2-IT TDR,这是1个200 mm长，直径32 mm的圆柱体，在其前端有2根长110 mm,间隔为20 mm的金属探针，另一端是电源和导线。TDR探头根据需要分组被埋在切沟的顶部农地、沟壁和沟底等不同位置和不同深度，1组探头（2～8个不等）通过电缆连接到一个分线箱，再通过分线箱连接到数据采集转换器，最后连接到中央计算机。此外还有1个自动记录雨量筒与中央计算机相连。整个测量过程由中央计算机自动控制，系统由太阳能电池供电（图1）。

　　图1　TDR土壤水分自动测量系统示意图
　　自动测量过程如下：中央计算机每隔5 min检测1次雨量筒，在没有降雨的情况下，每隔12 h测量1次土壤含水量，即每天2次，一般在中午12:00和晚上00:00进行；如果检测到了降雨，则由计算机启动快速测量程序，即降雨期间每隔20 min测量1次土壤含水量，雨停以后，再继续进行5 h,每隔20 min进行1次测量，之后恢复每隔12h测量1次，直到下一次降雨。以上测量时间的间隔可以根据需要灵活进行设置。测量结果自动记录在PC卡上，在无雨的情况下，每2个星期更换一次PC卡，将更换下来的PC卡中的数据转换到中央计算机处理和保存，PC卡可以重复交替使用。发生降雨时，由于测量间隔变小，记录的数据量急剧增加，因此需要雨后立即进行PC卡的更换，避免溢出，丢失数据。
　　这套仪器于1998年4月份安装在陕北安塞县大南沟流域的一条切沟，于4～10月对土壤水分进行了自动监测。从监测的结果来看，TDR能灵敏地探测到土壤水分的变化，不同位置和深度的探头记录的土壤水分变化曲线与降雨状况具有很好的相关性，但TDR测得的土壤水分值普遍偏高，如图2所示探头B7（农地，深度15 cm）和B8（农地，深度30 cm）1998年测得的土壤含水量随时间的变化曲线，从图中可以看出，其土壤含水量大部分在30%左右，最高可达37.1%,最低也在25%左右，而事实上本地区的田间持水量约为22%,不可能常年保持如此高的土壤含水量。这个结果表明，TDR系统测得的土壤水分值偏高，需要进行校正。
　　2　TDR自动观测值的校正与讨论
　　我们认为，传统的烘箱法测得的土壤水分值是可信的，因此在校正中用烘箱法测得的土壤水分值作为标准值，与TDR测定值进行回归分析。在校正过程中分别进行了室内校正（1999年）和野外校正（1999～2000年）。
　　2.1　室内校正
　　校正方法：从野外采回的表层干土中取出2 L土样，假定其孔隙率为0.45,然后取2×0.45=0.9 L水，每次加入1/10（约0.09 kg），加水前首先分别用TDR和烘箱法测量干土的含水量。之后每次用喷雾器均匀加入0.09kg水，充分搅拌，然后将搅拌后的土样放入烧杯，使其达到一定的容重，用TDR重复测量3次含水量，取其平均值；最后在烧杯的不同深度（顶部、中部和底部）取土用烘箱法测量含水量，取其平均值。剩下的土继续加水，重复上述操作，直到饱和。这样就取得了用不同方法测得的从凋萎湿度到饱和含水量的数据对。

　　图2　1998年TDR自动测得的农地表层土壤含水量

　　图3　TDR自动测量土壤水分的室内校正结果
　　校正结果：通过上述校正方法，得到了如图3所示的结果，这个结果和厂家出厂时进行的校正比较一致。图中虚线是1÷1线，实线是实测点的线形回归线，其校正方程为：
　　烘干值= 1.0411×TDR值（1）
　　从图中可以看出，当土壤含水量比较小时，两条线比较接近，也就是说TDR测定值比较接近烘箱值；而当土壤含水量较高时，TDR测定值要高于烘箱值。但这个校正结果不理想，据此线性关系获得的烘箱值与实际值仍有较大差距。
　　2.2　野外校正
　　校正方法：在使用TDR自动监测土壤含水量的同时，用环刀（体积为100 cm3）在探头埋设地点周围相同深度取原状土样，每次取3个，记下取样时间，然后将样品带回实验室用烘箱法测定其体积含水量，取其平均值；TDR测得的土壤含水量值通过读取自动记录的数据获得。野外校正同样需要用烘箱法和TDR测定从凋萎湿度到饱和含水量的数据对。根据1998年TDR自动测量的结果，在无雨的情况下，不同深度不同部位有不同的含水量，有的层位土壤含水量很低且常年保持不变，因此对于TDR土壤含水量小于25%的，直接在探头周围采样，测定其烘箱法土壤含水量；而对于TDR土壤含水量在25%以上的，则采用浇水法：选定B7和B8探头（埋深分别为15 cm和30 cm），均匀浇水使其接近饱和，用自动TDR测量其土壤含水量，同时用环刀在其附近相同深度取3个样，带回实验室分别用烘箱法测定其含水量，然后取平均值。在随后的1个星期，每隔1～2天在探头周围相同深度取1次样，每次取样3个，用烘箱法测定其含水量。每次取样均取未经扰动的原状土，直到土壤含水量降到27%（TDR自动测量值），这样就在野外实地取得了用烘箱法和TDR测定的从凋萎湿度到饱和含水量的数据对。
　　校正结果：通过上述校正方法，得到如图4所示结果，图中虚线为1÷1线，实线为校正曲线，校正方程为：

　　从实测点来看，当土壤含水量较小时，TDR值和烘箱值比较接近，而当土壤含水量接近凋萎湿度时，TDR图4　TDR自动测量土壤水分的野外校正结果值甚至小于烘箱值，这也符合实际情况，因为自动TDR在野外记录到了2.7%的土壤含水量，而事实上当地风干土的含水量在4.7%左右,天然情况下土壤含水量低于此值的可能性不大；随土壤含水量的增加，TDR值与烘箱值的差距逐渐变大，TDR值在20%～30%范围时，烘箱值在10%～20%,其绝对差值达到10%以上。随土壤含水量继续增加，二者差距又逐渐变小，野外TDR实测最大值为37.5%,而在野外用烘箱法测得的土壤含水量也可达到30%以上。
　　2.3　讨　论
　　从上述结果来看，室内和野外校正结果之间存在着较大差异，我们认为，野外校正结果比较符合实际情况，即土壤含水量较低时，TDR值和烘箱值比较接近；土壤含水量中等时，TDR值高于烘箱值；而当土壤含水量比较高或接近饱和时，烘箱值又逐渐接近TDR值。造成室内校正结果不准确的原因可能是在室内校正过程中对土壤进行了扰动，这一方面可能使得TDR的测量具有不确定性，另一方面使土壤的容重发生了变化，从而影响了体积含水量的测定。野外校正是用环刀在探头附近相同深度进行采样，每次所取土样均未经扰动，获得的校正方程是可靠的，可以作为黄土高原地区进行TDR校正的参考。

　　图4　TDR自动测量土壤水分的野外校正结果
　　3　结　论
　　这套系统分别于1998年、1999年和2000年的4～10月对安塞县大南沟的一条切沟进行了土壤水分的自动监测，获得了该切沟3年雨季不同部位和深度土壤水分变化曲线，这些曲线与降雨、地貌部位、坡度和埋藏深度等有很好的相关性，表明TDR能灵敏地反映土壤水分的变化。校正（采用野外校正曲线）以后的土壤水分值与采用传统的烘箱法测得的值相符，能很好地反映实地土壤水分的状况，系统的运行和获得的结果是可靠的。综上所述，可以得出以下结论：
　　（1）运用TDR可以进行土壤水分连续测量，并自动记录测量结果，埋藏深度和测量的时间间隔可以根据需要灵活进行设置，获得的结果是可靠的。
　　（2）虽然TDR在出厂时已经进行了校正，但在应用中还需要根据实际情况做进一步的校正，本文提供了一个在黄土高原地区对TDR测量结果进行野外校正公式，经检验比较符合实际情况，可供参考。
　　（3）TDR能获得土壤水分变化的连续曲线。
　　尽管TDR方法还存在一些问题，但TDR方法确实远远优于现有的其它测定方法，特别是在测样点多时，它能自动、连续地监测土壤含水量，是一种值得推广的土壤水分测定方法。