TDR300在测量土壤水分中的应用

　　1 引言

　　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。土壤含水量的测量是开展土壤中水分运动、土壤水与作物的生长关系及水的利用效率等研究的基础性工作，因此有必要对含水量测定方法进行一些探讨与改进。测量土壤含水量有许多方法,称量法费时费力,不能原位重复测量，中子仪法测量土壤表层含水量时，特别是在低含水量测量时由于中子的泄漏而测不准确。时域反射仪(TDR)为表层土壤的精确测量提供了有效的手段。近年来 TDR300 越来越多地被用于土壤水分的测定，该方法具有快速、使用方便等优点。

　　2 TDR 原理

　　人们已经知道，土壤水分对土壤介电特性的影响很大。自然水的介电常数为80.36(20℃)，它要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。TDR主机发射的一个高频阶梯状脉冲波沿着土壤中放置或插入的金属探针传播，其信号在探针末端反射回来，土壤的表观介电常数可用下式计算:

　　Ka=(CT/2L)2 (1)

　　式中C为真空中的光速，相当于沿探针传播的脉冲波速度，L为探针长度，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Ta，则：

　　Ta=2L/C (2)

　　代入公式(1)中，则有：

　　Ka=(T/Ta)2 (3)

　　土壤这类多孔介质被看成是三相混合物，即：

　　土壤颗粒、水和空气。已有的试验结果表明，土壤介质遵循如下半理论、半经验的公式:

　　θ=(T/Ta-Ts/Ta)/(Kw0.5-1) (4)

　　式中Ts为探针在具有一定孔隙度的完全干燥土壤中的传播时间，土壤固相的介电常数Ks=(Ts/Ta)2。Kw为水(假定为纯水)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(4)可计算土壤体积含水量(θ,cm3/cm3)，由公式(3)和公式(4)可得:

　　θ=(Ka0.5-Ks0.5)/(Kw0.5-1) (5)

　　公式(5)表明，Ka0.5～θ之间是以1/(Kw0.5-1)为斜率和 Ks0.5/(Kw0.5-1)为截距的直线关系。对于纯水(在20℃时)，Kw=80.36。因此,直线关系的斜率应为0.1256。截距值不仅决定于质地、容重等土壤特，而且与孔隙水的介电常数也有关。

　　3 使用方法

　　1 、首先将铁架展开，并用螺母加以固定，在传感盒的底部装上探针。

　　2、按键开机，自检时会显示当前电池的剩余电量和读数表中存储容量情况(100%为满)和GPS情况