土壤容重与含水量
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取出环刀，削去两端多余的土； 将土样转移至铝盒中，用盖密封；
m
M2 M0 M1 M 2
rb
重复上述过程，在同一层次取3个样品；
将样品带回实验室，称重（M1）；
M2 M0 V
在1052oC下烘干（24小时），在干燥器中冷却，称重（M2）。
计算含水量和容重。
快中子通量和土壤水分含量关系
实地水分监测：San Pedro 河谷，亚利桑 那
COSMOS系统美国现状（2011年）：50台
仪器设备
21
步骤：烘干法
测量环刀体积（V），称量空铝盒重量（M0）； 选择代表性位置，清除杂物； 挖掘土壤剖面，用削土刀修平剖面；
按剖面层次，分层采样；
22
步骤：TDR技术
在田间取容重样的深度将时域反射探头水平插入土壤，将探 头连接到时域反射仪； 打开时域反射仪，调节视窗尺度，找到电磁信号的两个反射 点并记录记录其位置L1和L2； 另选2个点，重复上述步骤； 利用TDR测定结果计算土壤介电常数和体积含水量。
L2 L1 Ka L
Day of Year
13
现有系统难以准确监测大范围农田水分
中子仪、时域反射、热脉冲等技术：准确，但仅点尺度； 遥感技术：监测大尺度（10m-km )水分，但局限于表层几厘米。 受照片空间分辨率、地表粗糙度和植被影响较大，需要地面观 测数据验证，短期内难以大面积应用； 目前仍然缺乏农田和小流域尺度上准确测定土壤水分的技术。
N soil v a b N reference
10
TDR测定土壤含水量
L
L2 L1 Ka L
2
Kw: 80, Ks: 3-5, Ka: 1
L1
L2
v = -5.3 x 10-2 + 2.92 x 10-2Ka - 5.5 x 10-4Ka2 + 4.3x10-6Ka3
11
TDR仪器设备
12
TDR田间应用
.40 Depth: 5 cm
Water content (cm cm )
.35
3
-3
.30
.25
Campbell scientific TDR system
.20 Irrigation 0 .15 197 198 17.5 199 35.0 200 201 Precipitation 52.5 202 70.0 203
7
土壤含水量测定技术
直接测定：烘干法
间接技术
手感法
电学方法
放射技术
声学方法
热学方法
-微波技术 -热脉冲技术
化学方法
-中子技术 -g射线技术
电阻法 TDR
介电技术
石膏块、尼龙块
FDR
TDT
8
电阻法测定土壤含水量
9
中子仪
快中子
慢化（热化）
慢中子（热中子）
探头周围热中子云球的密度主要随 氢原子数量而变化。 土壤中影响热中子云球的密度的氢 原子主要存在于土壤水分子中。
影响因子： – 颗粒组成；
– 颗粒的空间排列； – 粘粒的收缩性能：粘壤和粘土等，田间呈动态变化。
2
土壤容重
直接测定技术：
– 环刀取样法：垂直与水平？干与湿？ – 蜡封法：不规则土块 – 挖坑法：石块、根系太多。
间接测定法：
– 电阻法
– 玛射线法
– 热脉冲—TDR技术
矿质土壤容重范围?
– 1.0-1.6 g cm-3
2
3 2 4.3106 Ka 5.5 104 Ka 2.92102 Ka 5.3102
23
结果与讨论
计算测定结果的平均值和标准差；
利用烘干法结果，计算体积含水量、孔隙度、三相比
和饱和度； 比较TDR测定结果与烘干法测定结果（作图）；
环刀取样法测定容重有何优缺点？
3
环刀取样法
利用环刀在田间取一定体积（Vt） 的土壤
在室内（105-110oC）烘干，得 到干土质量（Ms） 问题：破坏性，难以重复；土 壤深层不容易操作
4
热脉冲—TDR技术测定土壤容重
根据土壤热容量的理论模， 可以得到：
C rbcs rwcw
rb (C rwcw) / cs
时域反射仪
拟引进技术：宇宙射线土壤水分监测系 统（COSMOS）
2009年，美国Hydroinnova 公司创新性地开发了基于近地面环境 宇宙射线中的快中子浓度与土壤含水量关系的区域土壤水分测量 系统：COSMOS。
宇宙射线中子水分测量原理
中子和不同的原子核碰撞后，损失的能量占初始能量的比例
Nucleus
1H 2H 4He 9Be 12C
Qmax/E
1.000 0.889 0.640 0.360 0.284
16O
56Fe 118Sn 238U
0.221
0.069 0.033
0.017
快中子和氢原子碰撞示意图
宇宙射线的快中子在进 入地面时，与原子核碰 撞，散射而失去能量， 并最终成为热中子。
能量损耗和原子wk.baidu.com的重 量成反比。因为氢原子 的热化效率非常高，所 以被热化的中子数在很 大程度上取决于氢含量， 也就是土壤水含量。
土壤容重与含水量
中国农业大学 2012-9-20
任图生
1
土壤容重(Bulk Density)
概念：单位体积土壤（固、液、气）包含的固体的质量。
常用rb表示，单位为Mg m-3或g cm-3。
意义：
– 质量单位与体积单位转化；
– 土壤紧实度指标； – 与水分和空气流动、根系和微生物呼吸密切相关。
A
V
5
土壤容重的 动态变化
rb (g cm-3)
6
土壤含水量
质量含水量与体积含水量：
m M water M solid
g g-1
Vw ater v Vsoil
cm3 cm-3
v m r b
测定技术：
直接测定法：烘干法 间接测定法：利用土壤电学、电磁学、热力学等性质
分析TDR与烘干法测定土壤含水量的主要误差来源； 与其它测定技术相比较，TDR技术的优越性和不足？
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m
M2 M0 M1 M 2
rb
重复上述过程，在同一层次取3个样品；
将样品带回实验室，称重（M1）；
M2 M0 V
在1052oC下烘干（24小时），在干燥器中冷却，称重（M2）。
计算含水量和容重。
快中子通量和土壤水分含量关系
实地水分监测：San Pedro 河谷，亚利桑 那
COSMOS系统美国现状（2011年）：50台
仪器设备
21
步骤：烘干法
测量环刀体积（V），称量空铝盒重量（M0）； 选择代表性位置，清除杂物； 挖掘土壤剖面，用削土刀修平剖面；
按剖面层次，分层采样；
22
步骤：TDR技术
在田间取容重样的深度将时域反射探头水平插入土壤，将探 头连接到时域反射仪； 打开时域反射仪，调节视窗尺度，找到电磁信号的两个反射 点并记录记录其位置L1和L2； 另选2个点，重复上述步骤； 利用TDR测定结果计算土壤介电常数和体积含水量。
L2 L1 Ka L
Day of Year
13
现有系统难以准确监测大范围农田水分
中子仪、时域反射、热脉冲等技术：准确，但仅点尺度； 遥感技术：监测大尺度（10m-km )水分，但局限于表层几厘米。 受照片空间分辨率、地表粗糙度和植被影响较大，需要地面观 测数据验证，短期内难以大面积应用； 目前仍然缺乏农田和小流域尺度上准确测定土壤水分的技术。
N soil v a b N reference
10
TDR测定土壤含水量
L
L2 L1 Ka L
2
Kw: 80, Ks: 3-5, Ka: 1
L1
L2
v = -5.3 x 10-2 + 2.92 x 10-2Ka - 5.5 x 10-4Ka2 + 4.3x10-6Ka3
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TDR仪器设备
12
TDR田间应用
.40 Depth: 5 cm
Water content (cm cm )
.35
3
-3
.30
.25
Campbell scientific TDR system
.20 Irrigation 0 .15 197 198 17.5 199 35.0 200 201 Precipitation 52.5 202 70.0 203
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土壤含水量测定技术
直接测定：烘干法
间接技术
手感法
电学方法
放射技术
声学方法
热学方法
-微波技术 -热脉冲技术
化学方法
-中子技术 -g射线技术
电阻法 TDR
介电技术
石膏块、尼龙块
FDR
TDT
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电阻法测定土壤含水量
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中子仪
快中子
慢化（热化）
慢中子（热中子）
探头周围热中子云球的密度主要随 氢原子数量而变化。 土壤中影响热中子云球的密度的氢 原子主要存在于土壤水分子中。
影响因子： – 颗粒组成；
– 颗粒的空间排列； – 粘粒的收缩性能：粘壤和粘土等，田间呈动态变化。
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土壤容重
直接测定技术：
– 环刀取样法：垂直与水平？干与湿？ – 蜡封法：不规则土块 – 挖坑法：石块、根系太多。
间接测定法：
– 电阻法
– 玛射线法
– 热脉冲—TDR技术
矿质土壤容重范围?
– 1.0-1.6 g cm-3
2
3 2 4.3106 Ka 5.5 104 Ka 2.92102 Ka 5.3102
23
结果与讨论
计算测定结果的平均值和标准差；
利用烘干法结果，计算体积含水量、孔隙度、三相比
和饱和度； 比较TDR测定结果与烘干法测定结果（作图）；
环刀取样法测定容重有何优缺点？
3
环刀取样法
利用环刀在田间取一定体积（Vt） 的土壤
在室内（105-110oC）烘干，得 到干土质量（Ms） 问题：破坏性，难以重复；土 壤深层不容易操作
4
热脉冲—TDR技术测定土壤容重
根据土壤热容量的理论模， 可以得到：
C rbcs rwcw
rb (C rwcw) / cs
时域反射仪
拟引进技术：宇宙射线土壤水分监测系 统（COSMOS）
2009年，美国Hydroinnova 公司创新性地开发了基于近地面环境 宇宙射线中的快中子浓度与土壤含水量关系的区域土壤水分测量 系统：COSMOS。
宇宙射线中子水分测量原理
中子和不同的原子核碰撞后，损失的能量占初始能量的比例
Nucleus
1H 2H 4He 9Be 12C
Qmax/E
1.000 0.889 0.640 0.360 0.284
16O
56Fe 118Sn 238U
0.221
0.069 0.033
0.017
快中子和氢原子碰撞示意图
宇宙射线的快中子在进 入地面时，与原子核碰 撞，散射而失去能量， 并最终成为热中子。
能量损耗和原子wk.baidu.com的重 量成反比。因为氢原子 的热化效率非常高，所 以被热化的中子数在很 大程度上取决于氢含量， 也就是土壤水含量。
土壤容重与含水量
中国农业大学 2012-9-20
任图生
1
土壤容重(Bulk Density)
概念：单位体积土壤（固、液、气）包含的固体的质量。
常用rb表示，单位为Mg m-3或g cm-3。
意义：
– 质量单位与体积单位转化；
– 土壤紧实度指标； – 与水分和空气流动、根系和微生物呼吸密切相关。
A
V
5
土壤容重的 动态变化
rb (g cm-3)
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土壤含水量
质量含水量与体积含水量：
m M water M solid
g g-1
Vw ater v Vsoil
cm3 cm-3
v m r b
测定技术：
直接测定法：烘干法 间接测定法：利用土壤电学、电磁学、热力学等性质
分析TDR与烘干法测定土壤含水量的主要误差来源； 与其它测定技术相比较，TDR技术的优越性和不足？
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