電磁感應式大地電導率儀在土壤學領域中的應用研究

劉 虎 王振宇 魏占民 張金龍 尹春艷

摘要:介紹了電磁感應式大地電導率儀的工作原理,回顧和總結了這種儀器在土壤學領域中土壤水分、鹽分、粘粒含量等的測定預測方面的研究現狀,最后展望了電磁感應式土壤性質測評技術與3S技術相結合后帶來的土壤信息動態變化方面的革命。

關鍵詞:磁感式大地電導率儀;土壤信息;3S技術

中圖分類號:S153.2 文獻標識碼:A文章編號:1006-6500(2009)01-0055-04

Applied Research of Electromagnetic Induction Type Soil Conductivity Meter in the Filed of Soil Science

LIU Hu1,2,WANG Zhen-yu1,WEI Zhan-min2,ZHANG Jin-long1,YIN Chun-yan3

(1.Tianjin Teda Landscape Architecture Company Limited,Tianjin 300457,China;2.Water Conservancy and Civil Engineering College,Inner Mongolia Agriculture University,Hohhot, Inner Mongolia 010018,China;3.Inner Mongolia Wushen Soil and Water Conservation Bureau,Erdos, Inner Mongolia 017300,China)

Abstract:The working principle of electromagnetic induction type soil conductivity meter was first explained. Then, the using of this instrument on measuring the soil moisture, the salinity, the clay content and so on in the field of soil science was reviewed and summarized. Finally, the revolution after combination technology of electromagnetic induction measuring and appraising of soil nature with 3S technology was forecasted.

Key words: electromagnetic induction type soil electrical conductivity meter;soil information;3S technology

土壤屬性調查的傳統方法是在采樣點上使用采樣機械采集土壤樣本,然后在實驗室對土壤各種屬性進行分析測定,從而得到相關數據。傳統采樣方法的測量周期長、檢測過程繁瑣、勞動強度大,在實際工作中由于受到財力、物力、人力的限制,常無法采集足夠數量的樣品,因此無法保證精度。采用較易獲得的土壤表觀電導率以表征土壤信息是快速獲得土壤更多定量化信息的一條行之有效的途徑[1-3]。

電磁感應大地電導率儀最早于20世紀80年代開始應用于土壤學領域,國內外已在表觀電導率對土壤鹽分、含水量、粘粒含量、緊實度甚至作物產量預測等性質的響應特征方面進行了大量的研究,同時還與空間技術相結合,將其擴展到區域尺度,使其成為研究土壤性質的有力工具。

1 電磁感應式大地電導率儀的工作原理

以磁感應式電導率儀EM38為例,其工作原理[2]為:EM38的后端(信號發射端子)有一個小型發射線圈,它可以產生一個隨時間變化并且強度隨著大地深度增加而逐漸減弱的初級磁場(Hp),這個磁場可以在大地中產生非常微弱的交流感應電流,而這個電流又誘導出次級磁場(Hs),儀器前部(信號接收端子)的接受線圈則接收了土壤傳導電流所產生的次級電磁場信號,儀器接收到的與土壤電導率成正比的電信號經過運算處理后顯示為土壤表觀電導率(圖1)。通常初級磁場Hp和次級磁場Hs均是兩端子的間距(S)、交流電頻率以及大地電導率的復雜函數,并且次級磁場和初級磁場強度的比值與大地電導率呈線性關系,可以表示為:

[Hs

ECa=4( )/ωμ0S2

Hp]

式中:ECa為大地電導率(mS/m);Hs,Hp分別為次級磁場和初級磁場;ω=2πf,f為發射頻率(Hz);S為發射端子與接受端子之間距(m);μ0為空間磁場傳導系數。

電磁感應儀能在地表直接測量土壤表觀電導率,為非接觸直讀式,其特殊的工作原理決定了電磁感應設備不需要與大地接觸就可以測量大地電導率,這就使得這些設備不需要配備任何探針,并且僅需要很少的電纜線。利用這類設備進行大地電導率調查,可以大大縮短所需時間,工作效率明顯提高。用傳統電極法進行大地電導率測定,其測量結果對電極附近的不規則物質的反應將非常敏感。而用電磁感應設備進行大地電導率測定時,設備自動對其測量范圍內的大地電導率進行平均。因此,電磁感應設備可以顯著提高測定結果的精度(如EM38的測量精度可達±5%)[4],這也使得電磁感應技術改進傳統的測定方法成為可能[5]。

2 磁感式大地電導率儀在測定土壤信息方面的應用與研究

2.1在土壤鹽分測定方面的應用

土壤鹽分的磁感式調查測定是磁感式土壤性質測定技術最為廣泛和最為深入的研究應用方向。

西班牙學者Amezketa[6]應用EM38結合專業分析軟件對土壤鹽分進行了評估、預測、成圖。Kinal等[7]通過建立0~6 m土壤1∶5土水比浸提液電導率與應用EM31測定的大地電導率之間的關系解譯獲得了澳大利亞森林土壤鹽分的空間分布特征。Triantafilis等[8]運用系數建立法確立了測量灌溉棉花土壤含量的電磁感應式測定的校正模式。Randy等進行了田間土壤鹽分電磁感應式測定,根據鹽分分布特征提出相應管理措施。Hanson等[9]則研究了磁感式電導率測量對土壤含鹽量和土壤含水量的響應,建立了初步的磁感應電導測定土壤含鹽量的校正模式。

在我國,陳玉娟在新疆塔里木地區使用大地電導率儀建立耕層含鹽量的測定模型,能較為準確地對耕層含鹽量進行測定[1]。趙軍偉等[10]通過應用EM38大地電導率儀調查了新疆阿克蘇地區阿瓦提縣豐收灌區土壤鹽分含量,并將EM38讀數與常規土壤含鹽量測定方法所獲得的結果進行比較,分析了對儀器電磁產生影響的因素。姚榮江等結合EM38大地電導率儀測量與田間采樣分析了黃河三角洲典型區域土壤電導率的剖面分布特征,建立了磁感式表觀電導率與土壤電導率間的多元回歸解譯模型[11-13]。楊勁松等[14]則在分析土壤鹽分剖面分布特征的基礎上提出了指數衰減模型,并運用該模型對鹽分剖面進行了參數擬合和驗證。李洪義與史舟等[15]以海涂圍墾區鹽堿土為研究對象,利用大地電導率儀在地表不同高度測量的土壤表征電導率預測不同深度土壤剖面的電導率。

目前,眾多學者應用電磁感應儀進行了土壤鹽分特征的評價與預測方面的研究,由于操作上的原因,大多數的研究都是建立表觀電導率值與土壤鹽分之間的單因子回歸關系[10,16];同時這種回歸關系往往只針對特定地塊,即只能應用于建立該模型的地塊或具有相似土壤特性的地塊,一旦推廣到其他具有不同土壤性質的區域時,預測模型需要重新建立或校正,這些問題有待于當代土壤學工作者進一步研究和探討[15]。

2.2 在土壤含水量測定方面的應用

電磁感應儀所測量的土壤表觀電導率反映的是土壤水分與鹽分的綜合信息,因此在鹽分含量相對均一的區域,土壤中水分的變化將會引起土壤表觀電導率的變化,這成為大地電磁感應儀可以用于土壤含水量研究的理論基礎[16]。目前,大地電導率儀在土壤水分研究上的應用主要是通過建立表觀電導率與土壤含水量之間的關系,對點尺度或空間尺度土壤含水量進行估算。Robert 和 Bridget對在美國德克薩斯州Chihuahuan沙漠地區使用電磁感應式儀預測1.5 m土體平均含水量,并且對土壤儲水變化進行了評估,經過3年持續研究認為,在該地區僅采用電磁感應式土壤性質測評技術即可獲得土壤含水量精確值,與傳統含水量監測方法相比具有諸多優勢[17]。

在我國,電磁感應技術在土壤含水量測定方面的應用尚處于起步階段,北方干旱半干旱地區水資源短缺是影響農業生產的主要障礙因素[18],所以,對北方地區土壤含水量進行快速、準確、動態的監測是十分必要的。

2.3在土壤粘粒含量測定方面的應用

隨著人們對田間水平土壤性質的空間信息的需求,特別是在精準農業和環境管理的應用等方面需求的增加,利用電磁感應式電導率儀測定田間尺度粘粒含量的方法也逐漸為專家學者所關注。已有研究表明,表觀土壤電導率會隨著土壤粘粒含量的升高而增大,這一方面是由于粘粒含量會影響電磁傳導性能,另一方面在于土壤粘粒含量與陽離子交換量CEC密切相關,而部分鹽基交換離子能夠產生離子電導并進而影響表觀電導率。Sudduth等[19]通過對美國6個州的土壤含水量、粘粒含量、陽離子交換量CEC與表觀電導率進行了分析發現,各州的土壤屬性與表觀電導率均呈極顯著相關性。Triantafilis等[20]分析了澳大利亞新南威爾士Gwydir Vally地區表觀電導率與1.5 m土體平均粘粒含量發現,電磁感應儀EM38與EM31測得的表觀電導率與粘粒含量均具有極顯著的相關性。

2.4 在土壤養分、有害物質的測定以及產量預測方面的應用

Eigenberg等[21]應用EM38對農田進行持續動態表觀電導率監測,獲得了較精確解譯土壤速效氮的時空變化規律。根據與電磁感應式大地電導率的單因子相關性對重金屬B、Se、As、Mo分別進行解譯的研究應用實踐表明,使用電磁感應式大地電導率儀獲取某些重金屬的空間分布是可行的[22]。

眾多文獻表明,土壤鹽漬化會造成作物不同程度地減產[23],而表觀電導率作為表征土壤鹽漬特征的重要特征,其與作物產量潛力的相關性也使得利用電磁感應式土壤性質測評技術預測產量成為可能。但是Corwin 和 Lesch[24]也指出,由于土壤系統、氣候條件的復雜性以及作物產量的空間變異性,表觀土壤電導率與作物產量的關系只能是綜合、經驗性的。

2.5在研究其它土壤理化性質方面的應用

磁感式大地電導率儀除了在土壤鹽分、含水量、粘粒含量、土壤養分、有害物質以及產量預測方面的應用外,還被廣泛應用于其它土壤理化性質的研究中[2,5]。劉廣明等[25]在江蘇東川農場進行的地下水礦化度的研究中,確定了進行沿海灘涂區地下水礦化度快速精確測評的電磁感應儀測定位或測定位組合,及其對應的地下水礦化度信息解譯模型。Kitchen等[26]通過應用磁感式大地電導儀測定淤積泥沙厚度對洪水災害進行了評估。Lesch等[27]應用EM38通過淋洗灌溉前后分別對土壤鹽分進行淋洗效果分析,獲得了土體結構分布。Bork等[28]研究利用磁感式大地電導測量估計灌木地上的土壤深度。Mankin等[29]則使用磁感應式電導測量技術進行了咸水泄漏的田間估計,并據此對咸水的泄漏進行修復。劉廣明和楊勁松等[30]利用EM38和EM31對土質堤壩安全隱患進行了探測,取得了良好的應用效果。姚榮江與楊勁松[12]運用電磁感應儀EM38,結合GIS技術和地統計方法對黃河三角洲地區土層含鹽量的空間變異性進行研究,并對研究區鹽漬化分級以及鹽分剖面分布特征進行探討。

3 磁感式大地電導率儀與RS和GIS技術相結合

從目前的研究現狀來看,點尺度土壤信息的快速檢測、區域尺度土壤信息定量預測對生產實際的意義很大。從國內外研究發展趨勢來看,土壤學研究的進步對新技術的依賴日益增加,尤其是對3S(GIS、GPS、RS)技術[31-34]。電磁感應儀具有速度快、精度高、信息豐富、實時性與可直接以數字方式記錄處理等優勢,我們可以利用GIS技術的空間分析將土壤信息實現可視化[23,35]。應用土壤表觀電導率的獲取容易、信息量大以及鹽分響應特征良好等優勢,有利于研究影響區域水鹽運動的自然和人為因素以及空間、時間變化規律,可以與水鹽運動動態觀測資料和衛星遙感影像資料相結合,對區域水鹽運動進行定性、定量的分析。在GPS精確定位條件下,結合GIS,通過對土壤表觀電導率和土壤鹽分信息的高精度解譯,可對具有時空變化的土壤水鹽動態和鹽漬化土地的動態變化進行可視化分析,不僅快速、準確,而且時效性好、可操作性強。

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