壹、土壤粒徑
土壤粒徑分布是最基本的土壤物理性質之壹，它強烈地影響著水力、熱力性質等重要的土壤物理特性。土壤粒徑分布的測定方法相對簡單便捷，精度也較高，而且在常規的土壤調查資料中也有詳細程度不壹的粒徑分析數據。而土壤水分特征曲線和(非)飽和水力傳導率、土壤熱導率、土壤熱容量等土壤水力、熱力性質的直接測定比較費時、昂貴，且精度較低，可重復性差。因此，根據土壤粒徑分布來估計土壤的其他水力學性質已經成為相關領域的研究熱點。
土壤基質是由不同比例的、粒徑粗細不壹、形狀和組成各異的顆粒(土粒)組成，壹般分為礫、砂、粉粒和黏粒4級。粒徑分析的目的，是為了測定不同直徑土壤顆粒的組成，進而確定土壤的質地。土壤顆粒組成在土壤形成和土壤的農業利用中具有重要意義，土壤質地直接影響土壤水、肥、氣、熱的保持和運動，並與作物的生長發育有密切的關系。
1.土工實驗法
土粒的粒徑變化範圍非常大(粒徑由﹥60mm到﹤0.002mm)，故對不同的粒組采用不同的試驗方法：粗粒組壹般用篩析法，細粒組采用密度計法或移液管法。
對於粒徑﹥0.075mm的粗粒土，壹般采用篩析法分析土的顆粒大小。篩析法是采用不同孔徑的分析篩，由上至下孔徑自大到小疊在壹起。試驗時，取幹土放入最上的篩裏，通過篩析後，得到不同孔徑篩上土質量，進而計算出粒組含量和累積含量。
2.激光粒度儀法
激光粒度分析儀是根據光的散射原理測量粉顆粒大小的，是壹種比較通用的粒度儀。其特點是測量的動態範圍寬、測量速度快、操作方便，尤其適合測量粒度分布範圍寬的粉體和液體霧滴。對粒度均勻的粉體，比如磨料微粉，要慎重選用。
激光粒度儀集成了激光技術、現代光電技術、電子技術、精密機械和計算機技術，具有測量速度快、動態範圍大、操作簡便、重復性好等優點，現已成為全世界最流行的粒度測試儀器。
3.吸管法
顆粒組成(粒徑分布)常用吸管法測定，方法由篩分和靜水沈降結合組成，通過2mm篩孔的土樣經化學和物理方法處理成懸浮液定容後，根據司篤克斯(Stokes)定律及土粒在靜水中的沈降規律，﹥0.25mm的各級顆粒由壹定孔徑的篩子篩分，﹤0.25mm的粒級顆粒則用吸管從其中吸取壹定量的各級顆粒，烘幹稱量，計算各級顆粒含量的百分數，確定土壤的顆粒組成(粒徑分布)和土壤質地名稱。
4.比重計法
土樣經化學和物理方法處理成懸浮液定容後，根據司篤克斯(Stokes)定律及土壤比重計浮泡在懸浮液中所處的平均有效深度，靜置不同時間後，用土壤比重計直接讀出每升懸浮液中所含各級顆粒的質量，計算其百分含量，並定出土壤質地名稱。比重計法操作較簡便，但精度較差，可根據需要選擇使用。
二、土壤絕對含水量
土壤絕對含水量是土壤中所含水分的數量，即100g烘幹土中含有若幹克水分，也稱土壤含水率。土壤含水率是農業生產中壹個重要參數，其主要方法有稱重法、張力計法、電阻法、中子法、γ-射線法、駐波比法、時域反射法及光學法等。土壤中水分含量通常采用質量含水率(θg)和體積含水率(θυ)兩種表示方法。
1.稱重法
也稱烘幹法，這是唯壹可以直接測量土壤水分的方法，也是目前國際上的標準方法。用土鉆采取土樣，用0.1g精度的天平稱取土樣的質量，記作土樣的濕重(M-MH)，在105℃的烘箱內將土樣烘6～8h至恒重，然後測定烘幹土樣，記作土樣的幹重(MS-MH)。土壤含水量計算公式如下：
地質環境監測技術方法及其應用
式中：θ—土壤含水率；M—烘幹前鋁盒及土壤質量(g)；MS—烘幹後鋁盒及土壤質量(g)；MH—鋁盒質量(g)。
2.張力計法
也稱負壓計法，它測量的是土壤水吸力，測量原理如下：當陶土頭插入被測土壤後，管內自由水通過多孔陶土壁與土壤水接觸，經過交換後達到水勢平衡，此時，從張力計讀到的數值就是土壤水(陶土頭處)的吸力值，也即為忽略重力勢後的基質勢的值，然後根據土壤含水率與基質勢之間的關系(土壤水特征曲線)就可以確定出土壤的含水率。
3.電阻法
多孔介質的導電能力是同它的含水量以及介電常數有關的，如果忽略含鹽的影響，水分含量和其電阻間是有確定關系的。電阻法是將兩個電極埋入土壤中，然後測出兩個電極之間的電阻。但是在這種情況下，電極與土壤的接觸電阻有可能比土壤的電阻大得多。因此采用將電極嵌入多孔滲水介質(石膏、尼龍、玻璃纖維等)中形成電阻塊以解決這個問題。
4.中子法
中子法就是用中子儀測定土壤含水率。中子儀的組成主要包括：壹個快中子源，壹個慢中子檢測器，監測土壤散射的慢中子通量的計數器及屏蔽匣，測試用硬管等。快中子源在土壤中不斷地放射出穿透力很強的快中子，當它和氫原子核碰撞時，損失能量最大，轉化為慢中子(熱中子)，熱中子在介質中擴散的同時被介質吸收，所以在探頭周圍，很快地形成了持驗密度的慢中子雲。
5.γ-射線法
γ-射線法的基本原理是放射性同位素(現常用的是137Cs，241Am)發射的γ-射線法穿透土壤時，其衰減度隨土壤濕容重的增大而提高。
6.駐波比法
自從Topp等人在1980年提出了土壤含水率與土壤介電常數之間存在著確定性的單值多項式關系，從而為土壤水分測量的研究開辟了壹種新的研究方向，即通過測量土壤的介電常數來求得土壤含水率。從電磁學的角度來看，所有的絕緣體都有可以看作是電介質，而對於土壤來說，則是由土壤固相物質、水和空氣3種電介質組成的混合物。在常溫狀態下，水的介電常數約為80，土壤固相物質的介電常數為3～5，空氣的介電常數為1，可以看出，影響土壤介電常數主要是含水率。Roth等提出了利用土、水和空氣3相物質的空間分配比例來計算土壤介電常數，並經Gardner等改進後，為采用介電方法測量土壤水分含量提供了進壹步的理論依據，並利用這些原理進行土壤含水率的測量。
7.光學測量法
光學測量法是壹種非接觸式的測量土壤含水率的方法。光的反射、透射、偏振也與土壤含水率相關。先求出土壤的介電常數，從而進壹步推導出土壤含水率。
8.時域反射法
時域反射法(Time Domain Reflectrometry，TDR)也是通過測量土壤介電常數來獲得土壤含水率的壹種方法。TDR的原理是電磁波沿非磁性介質中的傳輸導線的傳輸速度υ＝c/ε，而對於已知長度為L的傳輸線，又有υ＝L/t，於是可得ε＝c×t/L，其中，c 為光在真空中的傳播速度，ε為非磁性介質的介電常數，t為電磁波在導線中的傳輸時間。而電磁波在傳輸到導線終點時，又有壹部分電磁波沿導線反射回來，這樣入射與反射形成了壹個時間差T。因此通過測量電磁波在埋入土壤中的導線的入射和反射時間差T就可以求出土壤的介電常數，進而求出土壤的含水率。
9.土壤水分傳感器法
水分傳感器按顯示方式來分，可分為兩大類：壹是直接顯示方式，壹是用二次傳感的方式。
直接顯示方式又可分為3種類型：壹是用吸力負壓表顯示型(又稱負壓張力計)；二是電接點真空表顯示型，常用於報警式水分傳感器；三是用U型管水銀柱顯示型。3種直接顯示方式中，U型水銀柱顯示型的精度最高，讀數最準，誤差最小，可精確到毫巴。其缺點是：在農田使用中U型管破裂時，水銀會汙染農田，造成環境汙染。3種顯示方式的選擇常根據使用者的具體要求而定。
二次傳感顯示型是將直接顯示型傳感器中的壓力讀數換算成水分含量，比如，可將U型管水銀指示部分換成以壓阻傳感器為二次傳感的數字化土壤水分測量裝置，即可實現數字化，直接顯示傳感器土壤吸力值的大小。二次傳感還可運用於土壤水勢的遙測。例如，將土壤水分張力計(傳感器部分)，埋設在田間所需要的土壤深度中，土壤水負壓吸力通過多孔陶土探頭內水膜的滲透傳遞，使水分傳感器產生負壓，此負壓傳給壓阻變送傳感器，給出壹電信號，通過導線傳輸給遠端的遙測溫度儀，可用接口線輸送給計算機，從而完成土壤水勢在田間的遙測。但利用負壓張力計只能測定低吸力範圍，高吸力時，陶土頭會被空氣“穿透”因而不能測定高吸力情況下的土壤水勢。
傳感器法測定土壤水分具有田間原位測定、快速直讀、不破壞土壤結構、價格低廉、無放射性物質、安全可靠、便於長期觀測和積累田間水勢資料等優點。特別是二次傳感器，具有數字化的優勢，而且可與計算機接口連接，使土壤水分測量能夠自動監測，例如根據測量結果可自動控制灌溉水閘，實現自動灌溉，這壹現代化的測量手段已成為目前土壤水分測量方法研究的新趨勢。
10.探地雷達法(GPR)
探地雷達(Ground Penetrating Radar)的工作原理是當高頻雷達脈沖到達介電性質顯著不同的兩層物質界面時，部分信號被反射，由接收裝置接收反射信號，並將其放大。反射信號的大小決定於兩物質介電常數的差值大小和雷達波穿透深度。土壤含水量是影響土壤介電常數的主要因子，而雷達脈沖穿透深度又受到土壤中水分含量的顯著影響。
GPR以不同的方式來測定土壤水分含量。壹種方式就是利用所謂地面波(Ground Wave)的天線分離法，這種方法只能測定表層(10cm)土壤的含水量；另壹種方式就是使用回波(Reflected Wave)測定土壤中的波速，進而確定出反射層與地表之間的含水量。
11.遙感法(RS)
遙感法(Remote Sensing)是壹種非接觸式、大面積、多時相的土壤水分監測方法。土壤水分的遙感監測取決於土壤表面發射或反射的電磁能的測定，而土壤水分的電磁輻射強度的變化則取決於其電介特性或溫度，或者這兩者的組合。遙感法中所涉及的波段很寬，從可見光、近紅外、熱紅外到微波都有壹定的研究。尤其在熱紅外、微波遙感監測土壤水分研究中，取得了可喜的進展。微波遙感與大氣條件無關並可獲得高分辨率圖像，加之對地面有壹定穿透能力，使得它成為土壤水分遙測中最有前途的壹種工具。微波遙感雖具有全天時、全天候、多極化和壹定的穿透特性等優點，但由於影響土壤水分變化的因素較多，如土壤質地、容重、表面粗糙度、地表坡度和植被覆蓋等也對雷達等微波遙感監測土壤水分造成影響，因而遙感監測土壤含水率仍是農業遙感中的壹個難題。最有效的途徑應該是多種遙感方法並用，發揮各自的優點，比如利用可見光和近紅外信息估算植被覆蓋，用主動微波估算粗糙度，據此由被動微波資料研究土壤水分的綜合遙感方法。
遙感法目前只適合區域尺度下土壤表層水分狀況的動態實時調查，而不適合於田間尺度下深層土壤水分的監測，因而還有必要對其理論模型、成像機制與極化方式、土壤水分、地表粗糙度和植被覆蓋等的關系進行深入研究。
12.分離示蹤劑法
常規土壤含水量測定方法(如烘幹稱重法、中子儀法、TDR法等)只能在較小範圍內對土壤水分進行點上的測定，而分離示蹤劑法(Partitioning Tracer)能夠在較大範圍內測定土壤含水量。該法是將非分離示蹤劑和分離示蹤劑通入氣相系統中，分離示蹤劑溶解於水，使得其在氣相中的運移相對滯後於非分離示蹤劑，且滯後因子為土壤含水量與亨利常數的函數。分離示蹤劑法測得的結果往往低估了土壤水分含量，這是由於土壤的空間異質性、土壤水分的非均勻分布，以及土壤中優勢流等影響因素的存在所致。
分離示蹤劑法能夠測定從小尺度至區域尺度下的土壤水分，而且測深不限，還能適應特殊需求的測定。分離示蹤劑法能夠測定田間尺度下的土壤水分區域分布，還能確定土壤水分的垂直分布。但分離示蹤劑法用於區域土壤水分的測定時，必然增加示蹤劑的用量，從而導致測試費用高昂，且分離示蹤劑法在較理想的條件(如均質土壤)下測得的水分含量結果精度較高，而要提高其在非均質土壤中的測定精度，還有待於進壹步研究。
三、土壤電導率(EC)
土壤溶液具有導電性，導電能力的強弱可用電導率表示。土壤電導率是測定土壤水溶性鹽的指標，而土壤水溶性鹽是土壤的壹個重要屬性，是判定土壤中鹽類離子是否限制作物生長的因素。土壤電導率通常作為壹個重要指標被應用，它可以直接反映出混合鹽的含量，故常被用作土壤鹽分測定方法之壹，尤其近年來，國內外許多學者建議直接用電導率表示土壤含鹽量。
1.室內電導法
傳統的實驗室測定方法即田間取回目標深度的土壤樣品，室內用電導法測定其水浸液的電導率(EC)。測量原理是：土壤可溶性鹽按壹定水土比例用平衡法浸出，這些可溶性鹽是強電解質，其水溶性具有導電作用，導電能力的強弱可用電導率表示。在壹定濃度範圍內，可溶性鹽的含量與電導率呈正相關，含鹽量越高，溶液的滲透壓越大，電導率也越大。土壤浸出液電導率值可用電導率儀測定，並直接用電導率值表示土壤含鹽量的高低。
2.電導率傳感器法
傳統實驗室測定土壤電導率的方法雖然精確，但過程煩瑣，給工程實踐帶來不便。目前國內外應用於農業的土壤電導率快速測量傳感器大體可以歸為兩種：接觸式和非接觸式。接觸式土壤電導率傳感器是壹種電極式傳感器，壹般采用“電流-電壓四端法”，即將恒流電源、電壓表、電極和土壤構成回路；非接觸式則利用了電磁感應原理。
3.EM38大地電導儀
大地電導儀EM38能在地表直接測量土壤表觀電導率，為非接觸直讀式，適用於大面積土地鹽漬化的測量，EM38用連接DlfaO0數據采集器電纜的方式，較常規方法的調查速度快100倍以上，能輕松快速地完成壹般常規測量。
大地電導儀EM38總長度1m，主要由信號發射(Ts)和信號接收(R)兩個端口組成(圖4-1)，兩者之間相隔壹定的距離(S)，發射頻率為14.6 kHz。測量的有效深度可達1.5m。工作時，首先信號發射端子產生磁場強度隨大地深度的增加而逐漸減弱的原生磁場(Hp)，原生磁場的強度隨時間動態變化，因此該磁場使得大地中出現了非常微弱的交流感應電流，這種電流又誘導出現次生磁場(Hs)。信號接收端子既接受原生磁場信息又接受次生磁場信息。通常，原生磁場Hp和次生磁場Hs均是兩端子間距(S)、交流電頻率及大地電導率的復雜函數，且次生磁場與原生磁場強度的比值與大地電導率呈線性關系，可表示為
EC0＝4(Hs/Hp)/ωμ0S2
式中：EC0—大地電導率(mS/m)；Hs—信號接收端子處次生磁場強度；Hp—信號接收端子處原生磁場強度；μ0—空間磁場傳導系數；ω—角頻率，ω＝2π?，? —交流電頻率；S—信號發射端子與接受端子之間的距離(m)。
圖4-1 電磁感應技術原理示意