1.1 土壤水分测量与墒情监测的意义
土壤水作为水资源的重要组成部分，是一切陆生植物赖以生存的基础。水不仅是一切生命的重要组成物质，而且土壤中许多物理、化学和生物过程常常需要在一定的水分条件下才能进行。植物从土壤获取所需要的营养元素也要从土壤溶液中获得，而土壤溶液的性质与土壤中的水分休戚相关。如果土壤过分缺水将导致肥料无法被作物充分吸收利用，造成土壤的盐碱化；如果土壤水分过多，将造成水分的渗漏，水中的溶质将随水分渗漏到地下水中，造成污染。目前由于过量灌溉或雨量过多使氮肥渗漏到地下水中已成为地下水污染的主要原因，这不但造成肥料和水资源的浪费，而且也破坏了地下水资源。此外，许多土壤物理性质，如结构性、塑性、压缩性、粘着性、粘结性等，都和土壤水分状况密切相关。所以，土壤水分的特性和存储状况也极大地影响着土壤中其他环境因子，进而影响植物和土壤生物的生存状况。
土壤电导率在农业上的主要作用是间接测量土壤含盐量，即土壤液相中的可溶性无机化合物微粒的含量，包括各种离子（如Na+，K+，Mg+2，Ca+2，Cl-，HCO3-，NO3-，SO4-2和CO3-2）、离子团和分子。在灌溉农业中，灌溉水不断将盐分带入土壤，由于水分的蒸发作用，导致剩下的土壤水中的盐分含量不断增加。土壤含盐量过高可能导致作物直立性丧失、降低生长速度和减产，严重的可能导致作物夭折。盐分的聚集会导致渗透压增大，蒸发速率减低，水分不易被作物吸收，土壤溶液中的某些离子可能导致作物中毒或营养失衡。此外，土壤固体颗粒吸附某些离子还可能导致土壤板结从而影响耕作。
随着变量灌溉和变量施肥技术的推广和应用，在生产和科研活动中越来越需要实时、快速和准确地监测土壤水分和电导率，以确保对农作物适时、适量的灌溉和施肥，或者结合气象预报对未来土壤水分状况进行预测，作为区域调水、配水和制定灌溉计划的参考依据。虽然目前已有多种土壤水分和电导率测量方法用于科学研究，但它们在用于农田土壤水分和电导率的实时监测时都存在这样或那样的缺陷。
时域反射（Time Domain Reflectometry，TDR）技术是当今世界上最先进的土壤水分快速测量技术之一。与其他方法相比，TDR技术具有以下优点：
（1）精度高，体积含水量测量误差一般在2%以内；
（2）测量结果受土壤类型影响较小，一般不需要对特定的土壤进行单独标定；
（3）无辐射，对土壤破坏性小；
（4）探针的几何结构对测量结果的影响较小；
（5）与数据记录仪配合可进行长期自动监测。(https://www.daowen.com)
国外应用TDR技术还在监测山体滑坡、垃圾填埋、江河和水库堤坝安全等方面发挥重要作用，在农业、林业、园艺、水文学、生态学、土木工程、废物管理、食品加工、矿业和储藏业等领域均有广泛的应用。
TDR仪通过测量土壤含水量变化引起的电磁波信号在TDR探头上传播速度的变化来测量土壤水分，当探头长度一定时，就转化为对信号传播时间的测量。土壤含水量变化引起的电磁波信号传播时间变化量很小，以通常使用的15cm长探头为例，当探头置于空气中和水中时，电磁波信号在探头上传播一个来回的时间分别约为1ns和9ns，而当探头插入土壤中时，电磁波信号传播的时间介于这二者之间。也就是说土壤含水量变化引起的电磁波信号传播时间的变化不超过8ns，为了达到一定的土壤水分测量精度，就要求TDR系统对时间测量的分辨率达到0.1ns，这对TDR系统的波形采样电路提出了很高的要求。此外，为了达到一定的测量精度，通常要求TDR系统的测试信号的上升沿时间小于200ps，这就对其信号发生器也提出了很高的要求。由于必须采用复杂且价格高昂的高频电子器件，使得现有的TDR仪器的价格都很贵，不利于在农业生产中大量推广使用。表1-1列出了几种商用TDR土壤水分和电导率测试仪的价格。
目前仅少数国家掌握了设计制造TDR土壤水分和电导率测试仪所需的高速采样示波器、窄上升沿阶跃信号发生器、高频高精度时间基准等技术。我国生产和科研单位使用的TDR仪主要从美国和加拿大等国进口，单机价格约一万美元，成套设备价格则为几万美元，由于我国尚无此产品，进口价格比生产国本地价格高出很多。因厂家在国外，缺乏完善的维修和配件供应服务，出现故障后往往不得不返回原厂家进行维修，影响监测的连续性。
表1-1 现有的TDR土壤水分和电导率测试仪价格和产地
注：表中价格均为仪器产地的价格。
近百年来，由于工业、农业和城市的发展，释放了大量的二氧化碳、甲烷等温室气体，引起全球温度增温，并产生了十分严重的后果，特别是对各国的农业发展产生深刻的影响。随着全球性气候变暖，干旱越来越成为困扰人类社会正常生产、生活的重大自然灾害。我国地处东亚大陆的东南部，是典型的季风气候国家，降水量受海陆、地形、季风和台风等多种因素的影响，地区分布差异很大，年内季节分配不均衡，年际之间变化很大，所以旱灾频繁。
对土壤墒情（旱情）进行监测和预报研究，是进行防旱抗旱工作的基础。抗旱部门正是通过测定土壤墒情的变化，来确定当前墒情程度和预报下一步墒情的发展演变趋势。在过去对墒情信息的采集与传递，仍然停留在较低的水平上，信息获取与传递的速度慢、效率低，导致了墒情分析缺乏准确性、科学性、实时性；难以为领导和上级部门提供及时准确的墒情和科学决策信息，贻误抗旱时机。新中国成立以来，我国各级政府投入大量的资金、人力、物资，兴建了许多水利工程和抗旱系统。这些工程每年在减轻旱灾、保障农业及工业生产和挽回经济损失方面发挥着重大作用。
进行土壤墒情（旱情）监测与预报工作也能在水资源日益短缺情况下节约用水、高效用水、合理运用有效的水资源。中国水资源人均占有量仅为2240m3，约为世界人均的1/4，是世界上最缺水的13个国家之一。然而由于不合理利用水资源，我国却在极度缺水的同时，大量地浪费着有限的水资源。我国农业用水的浪费占所有水资源浪费的80%。墒情监测与预报工作使人们能及时了解墒情的发生，对墒情作出有效的评估，并能适时对墒情进行预警，这样就有利于人们进行有效的抗旱决策，根据墒情具体情况对水资源进行有效的分配，实现“变量灌溉”，使有限的水资源得到优化配置和合理使用。
