王克栋：我这一次跟大家交流的题目是土壤水分的介电测量方法研究，大家看这个题目研究的内容比较偏，可能跟大家学的内容，研究的方向不太接近。其实我上学的时候也是学电子专业，但是是在中国农业大学来学这个电子专业，我们虽然学的是电学的知识但是研究的内容，研究的对象是这个农业领域的对象。 我做的博士课题是研究土壤水分的，土壤里面含水量的电学测量方法。今天跟大家交流的内容大概有这么几方面。 第一个我们先了解一下土壤水分测量研究的意义。 第二个简单介绍一下土壤水分测量的几种不同的方法。 第三个我们看一下使用这个电学的方式，介电的方法测量土壤水分的理论基础。 第四个是我做博士课题的时候提出的一种基于相位检测的TDR方法。用它来测量土壤水分，它的原理和思路。 第五是用P-TDR他测量土壤水分的结果怎么样。 第五是用P-TDR他测量土壤水分的结果怎么样。 首先看一下在土壤水分测量研究的意义，实际上土壤水分测量技术它的节水灌溉领域在农业里面的节水灌溉领域占据重要的地位。土壤水分测量技术所获得的信息是精准农业里面用于田间获取信息的重要手段。也就是说在精准农业里面把农田里面的土壤含水量是一个重要的信息，土壤水分测量是用来获得这个重要信息的手段和方法。这个土壤水分测量不仅用于农业，而且还在林业、园艺、水文学，生态学，土木工程等领域都有广泛的应用。 我们看土壤水分测量技术应用领域有哪些？首先一个是农业，可用于节水灌溉，以前我们灌溉方式都是凭人的经验进行灌溉的，灌溉的多少，灌溉的时间都是完全凭经验的。现代农业要求必须根据土壤的实际需水情况进行定量定时的灌溉。特别是大面积的把农场，在同一个农场里面，同一片土地里面所种的作物可能不同，即使对同一种作物不同的区域，不同位置土壤的含水量也是有差别的。在这个精准农业里面电量灌溉的思想就是要求对同一块地里面不同的区域，针对他们含水量不同来给予不同的灌溉。 也就是说不是将这个同一块土地全部一刀切，而是根据实际的需要来进行精量的灌溉。在农业里面对作物进行施肥的时候我们也是不仅了解作物对养分的需要什么样，何时需要何种养分，对养分的需求多大，另外当我们进行施肥的时候还要考虑作物土壤的含水量。如果我们施肥的时候，如果这个土壤里面含水量太大，含水量过高，我们所施的肥料大量溶解于土壤里面，随着水分的流失被带走，这样的话可能会造成地下水的污染。如果这个施肥的时候水分太少的话，这个土壤太干的话所施的肥料没有办法溶解在水分里面，不能有效被这个作物吸收。所以在这个精准农业里面进行变量施肥的时候我们也要精确的控制土壤的含水量。控制的前提就是能够准确的获取土壤的含水量信息，所以在农业里面土壤水分测量技术有很重要的作用。 另外土壤水分测量技术现在还广泛应用于防汛，抗旱这样的工程。比如说对土壤的含水量进行的大面积的监测预测旱情的发生，以便采取相应的应对措施。土壤水分测量技术第二个重要应用领域就是科学研究领域，特别是农学的研究领域。在农学里面需要做大量的实验来研究，在特定某一种作物不同的生长阶段，土壤的含水量，土壤里面的肥力情况等等，包括土壤的盐碱度等等对作物生长的影响。在这样的科学研究领域要非常精确的测量土壤含水量，土壤盐分，包括土壤的压尺度这样的参数。在科学领域对这个土壤测量技术的要求是最高的。 另外土壤水分测量技术还可以用于土木工程，包括我们建造大楼，打地基的时候要考虑地基以下的土层的含水量对这个地基长期的影响，这个含水量的变化对地基长期的影响。我们建造这个铁路的时候有一些铁路可能经常在高原上面，有可能平时一年里面有很长一段时间会是冰冻的，但是土壤解冻的时候会造成含水量大面积增加，这个含水量增加可能会引起土层的松动，从而对铁路轨道造成影响。我们在建造铁轨的时候我们选择建造铁轨地质的时候，除了从地质和地理的角度考虑，还要从生态环境角度考虑以外，那么我们还要从土壤的情况来进行考虑。 这时候我们也需要预先对所感兴趣的区域，土壤含水量长期变化情况，比如说一年里面土壤含水量随着季节变化情况进行长期的检测，分析土壤含水量对这个铁轨所可能带来的影响。另外，土壤水分测量技术还用于垃圾填埋领域。我们知道对垃圾的处理一般处理方式分为两大类，一类是给他分类以后进行焚烧，另外一类是分类以后进行填埋，垃圾填埋以后还要进行后续的处理。后续的处理是控制温度和湿度条件尽量的加速分解过程。 所以在垃圾填埋场我们也需要对垃圾里面的水分进行长期连续的实施检测，以便控制它分解速度和掌握它的分解程度。 另外这个水分测量技术除了可以对土壤进行测量，还可以对其他的物质进行测量，比如说可以对粮食进行测量，对粮食的含水量进行测量就可以用于粮食的储存。

　　首先看一下在土壤水分测量研究的意义，实际上土壤水分测量技术它的节水灌溉领域在农业里面的节水灌溉领域占据重要的地位。土壤水分测量技术所获得的信息是精准农业里面用于田间获取信息的重要手段。也就是说在精准农业里面把农田里面的土壤含水量是一个重要的信息，土壤水分测量是用来获得这个重要信息的手段和方法。这个土壤水分测量不仅用于农业，而且还在林业、园艺、水文学，生态学，土木工程等领域都有广泛的应用。 我们看土壤水分测量技术应用领域有哪些？首先一个是农业，可用于节水灌溉，以前我们灌溉方式都是凭人的经验进行灌溉的，灌溉的多少，灌溉的时间都是完全凭经验的。现代农业要求必须根据土壤的实际需水情况进行定量定时的灌溉。特别是大面积的把农场，在同一个农场里面，同一片土地里面所种的作物可能不同，即使对同一种作物不同的区域，不同位置土壤的含水量也是有差别的。在这个精准农业里面电量灌溉的思想就是要求对同一块地里面不同的区域，针对他们含水量不同来给予不同的灌溉。 也就是说不是将这个同一块土地全部一刀切，而是根据实际的需要来进行精量的灌溉。在农业里面对作物进行施肥的时候我们也是不仅了解作物对养分的需要什么样，何时需要何种养分，对养分的需求多大，另外当我们进行施肥的时候还要考虑作物土壤的含水量。如果我们施肥的时候，如果这个土壤里面含水量太大，含水量过高，我们所施的肥料大量溶解于土壤里面，随着水分的流失被带走，这样的话可能会造成地下水的污染。如果这个施肥的时候水分太少的话，这个土壤太干的话所施的肥料没有办法溶解在水分里面，不能有效被这个作物吸收。所以在这个精准农业里面进行变量施肥的时候我们也要精确的控制土壤的含水量。控制的前提就是能够准确的获取土壤的含水量信息，所以在农业里面土壤水分测量技术有很重要的作用。 另外土壤水分测量技术现在还广泛应用于防汛，抗旱这样的工程。比如说对土壤的含水量进行的大面积的监测预测旱情的发生，以便采取相应的应对措施。土壤水分测量技术第二个重要应用领域就是科学研究领域，特别是农学的研究领域。在农学里面需要做大量的实验来研究，在特定某一种作物不同的生长阶段，土壤的含水量，土壤里面的肥力情况等等，包括土壤的盐碱度等等对作物生长的影响。在这样的科学研究领域要非常精确的测量土壤含水量，土壤盐分，包括土壤的压尺度这样的参数。在科学领域对这个土壤测量技术的要求是最高的。 另外土壤水分测量技术还可以用于土木工程，包括我们建造大楼，打地基的时候要考虑地基以下的土层的含水量对这个地基长期的影响，这个含水量的变化对地基长期的影响。我们建造这个铁路的时候有一些铁路可能经常在高原上面，有可能平时一年里面有很长一段时间会是冰冻的，但是土壤解冻的时候会造成含水量大面积增加，这个含水量增加可能会引起土层的松动，从而对铁路轨道造成影响。我们在建造铁轨的时候我们选择建造铁轨地质的时候，除了从地质和地理的角度考虑，还要从生态环境角度考虑以外，那么我们还要从土壤的情况来进行考虑。 这时候我们也需要预先对所感兴趣的区域，土壤含水量长期变化情况，比如说一年里面土壤含水量随着季节变化情况进行长期的检测，分析土壤含水量对这个铁轨所可能带来的影响。另外，土壤水分测量技术还用于垃圾填埋领域。我们知道对垃圾的处理一般处理方式分为两大类，一类是给他分类以后进行焚烧，另外一类是分类以后进行填埋，垃圾填埋以后还要进行后续的处理。后续的处理是控制温度和湿度条件尽量的加速分解过程。 所以在垃圾填埋场我们也需要对垃圾里面的水分进行长期连续的实施检测，以便控制它分解速度和掌握它的分解程度。 另外这个水分测量技术除了可以对土壤进行测量，还可以对其他的物质进行测量，比如说可以对粮食进行测量，对粮食的含水量进行测量就可以用于粮食的储存。还可以对其他一些化学原料进行测量，这可以用于制药行业。 土壤水分测量技术它有电学的方法也有非电学的方法，最传统的方法就是烘干法，烘干法也称之为承重法，是一种最简单最直观的方法，就是在田间用土钻取土，取一定体积的土壤，然后将这个所取的土壤给置于105摄氏度的恒温箱里面烘烤24小时，烘烤24小时以后我们可以认为它里面所含的水分已经全部蒸发。这时候我们把它取出来对它进行承重，用它烘干以前的重量减去烘干以后干土的重量就可以得到土壤里面原来含有水分的重量。根据土壤里面所含水分的重量除以干土的重量就可以得到土壤的质量含水量。也就是说，这里面的W是表示烘干之前土壤的总重，WS是烘干后干土的质量，用总重减去干土的重量就是水分的重量。水分的重量除以干土的重量再乘以百分之百，就是土壤的重量含水量，或者是质量含水量。

　　这里面提到土壤质量含水量，其实对土壤含水量还有另外一种定义，就是土壤的体积含水量。土壤的体积含水量是指土壤里面水的体积除以干土的体积，用承重法，烘干法是土壤的质量含水量，我们后面讲的间接方法所测到是土壤的体积含水量。在土壤质量含水量和土壤体积含水量之间他们有一个关系，土壤的体积含水量等于土壤的自然含水量乘以一个系数，这个是土壤的容重。我们后面会讲到使用这个间接生产方法所测到土壤的含水量通常都会受土壤种种的影响。也就是说对于密度不一样的，这个土壤的容重就是反映土壤的密度。对于不同地质的土壤测到的结果可能会有不一样。这是判断也就是说测量结果受容重的影响是判断一种测量方法好坏重要的依据。 烘干法的主要优点是简便，不需要特别精密的仪器，很直观。并且操作比较方便，精度是非常高的，可以说它的精度完全是取决于烘干的时间，烘干的温度以及对承重的一切精度。另外测量范围宽，基本上全干的土到饱和含水的土都可以进行测量。并且就样品本身而言，我们所测量的样品而言，它的结果是很可靠的。这里面为什么强调就样品本身而言可靠呢？因为我们要测量土壤含水量，我们所关心的并不是某一点这一小块土壤的含水量，而是希望他测量的结果可以代表比较大的区域，可以反映相对比较大区域里面土壤的含水量。但是通常由于土壤里面含水量的差异，我们测量的结果只能反应我们所取的样品含水量是这么多。至于对周围的土壤含水量差别有多大，这很难说。 这种方法来说烘干法所取得的结果，就这个样品本身而言是很可靠的，但是代表性取决于土壤的因为含水量的均匀性，这种测量方法的缺点是测量周期比较长，测一次至少需要包含取土，烘干和分析的过程，所以时间比较长。因为我们在它方法里面要求烘干必须要24小时，所以测一次至少要24小时以上，所以说测量周期长，而且需要比较多的人工。无法实现在线的快速测量，我们不能在实地，就是要测量某一块土壤的含水量不能在哪个地方实时的进行测量。并且它取样的时候会破坏这个土壤，我们把这个土壤取走以后这一块就留下一个洞，会对土壤造成破坏。 所以它难以长期进行连续的检测，不能对某一地区的土壤进行长期的连续的测量。虽然他具有这些特点，但是它仍然是目前土壤水分测量方法里面最准确和最可靠的方法，它是一种直接方法，所以他通常用来对其他的非直接方法，其他的间接方法进行校准和标定。 我们后面讲到我们所研制的仪器对他性能进行分析的时候也是使用烘干法作为参照的。正是因为烘干法具有非实时的缺点，所以在生产中很难满足我们的要求，所以这样的话就使得进行相关研究的科学家提出了一些新的间接性的方法。 第一种间接测量方法就是中子仪法，是用中子元仪器来辐射出中子，这种中子是具有较高的运动速度的中子称为快中子，它辐射到土壤里面就会与土壤里面物质的原子发生碰撞，发生碰撞以后中子会有能量损失，能量损失以后动能减小，使得运动速度减慢，称为慢中子也称为热化中子。那么中子在土壤里面运动的时候和所有的这些原子核发生碰撞，其中只有氢原子核，土壤里面的水分，水里面的氢原子核它的质量与中子的质量是最接近的。我们知道根据动量定理和动能定理我们知道两个物体发生碰撞的时候，质量最接近的两个物体相碰他们的能量交换是最大的。 所以中子与所有的原子核发生碰撞的时候只有与氢原子发生碰撞的时候能量损失是最大的，所以与氢原子发生碰撞的中子称为慢中子的速度最快。