全 文 ：第9卷 第 2期
2 0 01年 6月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
V01．9
June，
No．2
2 0 01
TDR研制与应用方面的若干进展*
柴世伟 刘文兆
( 国 学 水土保持研究所 扬陵
张聚庭
713100)(北京核安核子仪器有限公司 北京 100083)
摘 要 通过分析近年来国内外关于TDR的文献，总结了TDR研制与应用方面的若干新进展，概括 了在使用
TDR时应注意的几个问题。结果表明，线圈型 TDR探针可很好地梓决TDR探针在物理长度上的限制|多功能
TDR探针可用来同时测定含水量与基质势、含水量与土壤热学性质、含水量与盐度和温度。当温度在5～45℃之间
变化时随着温度的升高，TDR在沙壤土中测定的土壤含水量降低，而在粘壤土和有机质含量高的土壤测定的土壤
含水量值升高。TDR探针应以台适的角度插^土壤，同时尽量避兜摇摆、两探针不平行插^等误操作。
关键词 时域反射仪(TDR) 土壤含水量 测量
Some progre~ In TDR manufacture and appllcatioa．CHAI Shi—Wei，LIU Wen—Zhao(Institute of Soil and W ater
Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，YangLing 712100)，ZHANG Ju—Ting
(Beijing Limited Corporation of Nuclear Instrument，Beijing 100083)， ER，3001，9(2)：97~99
Abstract Through analyzing the TDR literature，some new progress in TDR manufacture and application were
summarized and the several problems in using TDR were generalized．The result shows that the coil type of probe
can solve the problem of tOO long or too short TDR probe；multiplex TDR probe can me~．sure both soil water con—
tent and po tential or thermal properties or temperature and salinity simultaneously．With the temperature rising
from 5"G to 45℃ ，the soil water content detected by TDR wil decline in sandy loam soil．and rise in clay loam and
organic soil．The TDR probe should insert into soil with an angle and avoid the wrong operation．such as swaying
or un—paralleling．
Key words Time doraain refiectometry(TDR)，So ll water content，Measure
20世纪 70年代末 TDR成为测定土壤水分含量的 1种新工具“]，它具有快速、可连续原位测定及无辐
射等优点，在水分测定方法方面表现出良好的发展势头。TDR测定土壤含水量是基于对土壤的表观介电常
数的测量，自然水的介电常数为 8o．36(20℃)，空气的介电常数为 1，土壤的介电常数为 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测试仪利用测量电磁波通过土壤介质沿探针传播
井在其末端反射的时间来确定土壤介电常数。目前使用的TDR土壤水分仪主要有美国土壤水分设备公司
生产的Trase系统、加拿大生产的型号为 MP一917MOISTURE．POINT的 TDR和波兰 EAsY TEST公司
生产的FOM／mrs型TDR，国产 TDR正在研制之中。
1 TDR探针设计
TDR探针设计有不对称同轴探针、含有 Balun的对称双棒探针、无Balun的对称双棒探针及对称多棒
探针“ 目前所有的探针工作原理都以电磁波在传输线中的传播为理论，几乎投有关于 TDR探针设计标准
的文献。这些常规的TDR探针由于长度等方面的因素，又由于其测定值是一段距离的平均值，故在实际应
用中测定微域土壤水分变化时遇到了困难，探针长度太短，则投有足够的传播时间以精确地区分电磁波在始
端和终端的反射i探针太长，由于电导率的影响，电磁波信号的衰减将增加，从而影响测定结果。Nissen等应
用线圈探针测定含水量使探针设计迈上新台阶，这种时域反射仪线圈探针长 0．015m，直径为0、0036m，不仅
解决了微域变化范围内土壤含水量的测定，也解除了TDR探针物理长度上的限制，同时这种探针容易生
产，成本较低 ]。TDR主要被用来测定含水量和电导率，同时测定含水量和土壤基质势的 TDR探针最近已
经有人使用“] 这种新的基质势一含水量TDR探针一部分被塞入石膏中，另一部分被塞入土壤中，直至石膏
· 。九五 国家自嚣科学基金重大项目(49890330)与中国科学院重大项目(KZ951一A1—301)~特别支持瑷日(KZ95T一04—01)资助
收穑日期：Z000—08—03 改回日期，2000—09-06
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 9卷
中的基质势与周围土壤的基质势相平衡。这种技术可用来确定石膏和土壤的介电常数，在石膏和土壤的基质
势( 处于一1000kPa和一lOkPa之间时，用粘质壤土中压力盘产生的介电常数一基质势关系检验这种 TDR
探针，结果表明，石膏的介电常数值在一1000kPa和一30kPa之间时相符性能很好，但当 一30kPa时，介
电常数的变化不明显；而土壤介电常数的变化在整个 值范围内一直很好。当含水量逐渐降低或升高时·这
种探针可精确地测出含水量和基质势。但当土壤表面附近的湿度急剧变化时·测出的基质势值尚不如意，这
种局限在其他基质势测定方法中也存在。基于热脉冲理论的发展，1种新装置DPHP近年来被用于同时测定
土壤热扩散、体积热容量和热传导，由于 DPHP与TDR探针的材料和结构相似，结合这 2种仪器可同时测
定含水量、电导率和热学性质。Noborio依靠热脉冲方法测定热扩散系数、体积热容量和热传导，依靠 TDR
方法测定含水量，制造了 1种多功能探针，该探针在测定含水量时结果很理想，但在测定热学性质时结果不
是很好，这在某种程度上与设计本身有关【 。现在根据TDR探针和DPHP装置的设计要求，1种新型结构探
针已被设计出来，该探针在测定含水量和电导率时结果都令人满意．但必须进行含水量和介电常数关系的重
新校正，目前这个结果尚处在实验室阶段。
2 影响 TDR测定值的因素
温度和质地对 TDR测定数据的影响 Topp等认为，温度在 1o～36℃之间，实际含水量在 o～0．35
cma／cms之间变化时，温度改变对含水量的测定结果无影响；Zagoski等也认为温度>5℃时，测定的含水量
不会改变，但当温度<5℃时，由于水的密度变化较大，影响了含水量的测定值 陈志雄等 通过对 FOM／mts
型TDR的标定研究认为，在砂质壤土中其各级含水量多点测定的重现性很好，且在温度较低时(16~C)标定
曲线的误差最小；在壤质粘土中当含水量>O．3949cm ／cm 时其多点测定的重现性差，且在温度较高(26~C)
条件下误差最大。龚元石等【 认为在沙质壤土中随着温度在5～45℃之间的升高，TDR测定的土壤含水量降
低，而在粘土和有机质含量高土壤中由于高盐分电导率的影响，随着温度的升高，水含量的测定值也增高；同
时含水量越高．温度的影响也越大，当含水量
的影响。TDR探针不同埋没方式对其测定结果的影响。Zegelin S．J．、龚元石等认为由于土壤含水量的垂直
变化(尤其是表层)较大，土壤表层(<40cm)的测定值之间差异明显大于下层，同时由于探针在竖埋和横埋
方式下被测土壤体积的范围不一致，测定值亦有差异，竖埋方式的较大，竖埋方式下土壤剖面扰动比较大，扰
动后的农田土壤水分运动受到一定程度的影响，因此在测定农田贮水量时，表层可用竖埋式，下层可用横埋
式。另外有人将探针以一定的角度(30。或 45。)插入土壤，既对土壤的扰动小，而且测定的值也较准确，但这还
需要进一步研究。
3 TDR在溶质运移中应用及其测量空间的敏感性
TDR在溶质运移中被认为是 1种有潜力的测定手段，因为它能够同时测定含水量和电导率。TDR监测
溶质运移特性曾被人 分别用垂直埋没探针的方法和水平埋没方式验证，用的都是直线式的探针；也有人
用弯曲的TDR探针监测三维空间的溶质运移，同时用水平安装方式来监测一维方向的运移变化；还有人口]
同时使用垂直和水平安装探针，用水平探针来估计运移参数，用垂直探针来分别验证这些估计。近年来大多
数的研究 是使用 TDR在稳流状态下测定离子的穿透曲线(BTC)。Risler等人拓展了这种技术，在自然流
体状态下监测溶质运移。TDR虽能监测溶质运移，但它不能区分各个溶质组分的特性。
TDR测量空间的敏感性曾被许多研究人员所注意。ToppG．C．认为 ]，1个双棒探针的测定范围是1圆
柱体，该圆柱体的轴位于 2棒间的中线上，圆柱体的直径为 2棒间距离的1．4倍。Knight J．H．等提出了2棒
探针周围电磁波的理论分析，他们认为 94 的可获得电磁波能量存在于 2棒的中线附近，试验结果也证明
了这一点，而多线撵针电磁渡能量的范围则更为减小，因此一般认为 3棒探针具有比2棒探针较小的感应范
围。同时探针直径与撵针间距离的比率也影响着TDR探针的空间敏感性。有资料表明如果保持探针间距离
不变时，加粗撵针直径将增大感应范围。
4 其他有关研究与使用应注意的问题
随着Topp G．C．等人提出了介电常数与体积含水量的3次多项式方程经验公式后，其他的校正技术，
如介电常数混合模型、传播速度误差分析模型和用TDR校正的溶质浓度线性模型 等也得到快速发展。电
磁波在土壤中沿着探针传播时减弱的原因是由于土壤中盐度和粘粒含量的影响，这种影响曾被ToppG．C．
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第 2期 柴世伟等：TDR研制与应用方面的若干进展 99
等在理论上所证明。在 TDR的应用中垂直放置探针有以下优势，首先容易安置和移动，另外测定的是某个
范围内的平均值；而水平放置时在水平方向上的空间变异性可能被平均，其最大缺点是要挖 1个剖面坑，故
建议以一定角度(30。或 45。)插入导渡棒；在插入导波棒时引起的任何 摇摆”都会产生空气间隙并导致在测
定含水量时的“系统性偏差”．建议使用小直径波导棒、渐尖的渡导棒或专用的导向装置将空气间隙的影响降
低到最小程度；在探针的外围镀上 1层绝缘材料可使 TDR的测定精度提高；应尽可能保证 2根探针平行插
入土中，否则造成较大测定误差，甚至导致完全不合理的测定结果“ ；TDR探针的安装使探针附近的土壤被
压紧，这是导致测定结果产生误差的一个来源，尤其是大直径的探针(>6mm)。
5 小 结
线圈型 TDR探针能较好地解决 TDR探针物理长度上的限制；同时测定含水量与基质势、含水量与土
壤热学性质、含水量与盐度和温度的多功能TDR探针在实践中已分别得到应用}温度和容重等因素对TDR
测定值的影响虽小，但当这些因素有较大幅度的变化时，也应考虑它们的影响；TDR探针应以一定的角度
(30 或 45。)插入土壤 ，同时应尽量避免摇摆、两探针不平行插入等误操作；TDR在溶质运移中的应用及其校
正模型近年来也得到较快的发展。
参 考 文 献
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欢迎订购《新时期党和国家领导人论林业与生态建设》
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