土壤具有时空变异性,对土壤不同理化性质的同步监测非常重要。土壤水热特性对农业、气候等具有重要意义。提高土壤热特性与含水量测量的准确性,可以为其他物理参数和物理过程的研究提供保障。热探针方法在土壤水热监测上应用非常广泛,但目前仍有很多因素限制着其测量的准确性,因此,本研究对热探针方法展开研究,以提高其测量土壤水热的准确性。热探针方法包括双针方法和单针方法,为了改进热探针方法测量土壤热特性的准确性,本研究分别进行了双针方法和单针方法的研究。1.双针方法通常被称为双针热脉冲方法,传感器包含一个温度探针和一个加热探针,测量时加热探针释放脉冲热量。探针间距r为温度探针和加热探针之间的距离,是影响比热测量准确性的重要参数。双针热脉冲方法的研究,主要围绕探针间距校正展开:(1)应用双针热脉冲方法时,探针间距变化会导致比热测量值产生很大误差。探针原位间距校正方法的线性模型,基于探针线性偏转的假设,可以原位校正探针间距。为了评价线性模型在其它偏转情况下的应用效果,对探针做成各种偏转处理,用线性模型计算比热,比较校正前后的误差。从结果可以得出线性模型能够很大程度上减少由于探针线性弯曲导致间距变化引起的误差。对探针发生各种偏转时,包括非线性偏转在内的情况,线性模型一定程度上都能减少测量误差,但在饱和样品测量上要比干样品中的校正效果差。(2)热脉冲-时域反射(热脉冲-TDR)技术结合热脉冲技术与TDR技术,应用时受两种技术的限制:热脉冲技术需要短的探针来避免探针形变,TDR技术需要增加探针长度来提高含水量测量的准确性。两种技术设计上的冲突限制了热脉冲-TDR技术的应用。将间距校正技术应用到热脉冲-TDR传感器中,进行热脉冲实验和TDR实验验证。热脉冲结果表明,间距校正技术能够明显减少间距变化引起的热脉冲测量的含水量误差。原位间距校正的线性和非线性模型校正的每个探针的平均结果与称重法之间的R2分别为0.902(RMSE = 0.039 m3 m-3,RMSE,Root-mean-square error,均方根误差)和0.981(RMSE = 0.013 m3 n-3),因此原位间距校正的非线性模型比线性模型更精确。原位间距校正技术能够明显减少间距变化引起的热脉冲测量的含水量的误差,因此长的热脉冲探针即使探针间距变化也可获得准确的含水量。对于TDR实验,RMSE对于4 cm和6 cm长的探针,分别为0.033m3m-3和0.022m3m-3,表明,6cm长的TDR探针比4cm长的TDR探针更精确。应用TDR技术测量土壤含水量,长的探针要比短的探针的结果更准确。新的热脉冲-TDR传感器能够准确测量得到土壤含水量。(3)虽然原位间距校正的非线性模型在含水量及热特性测量上表现更优,但线性模型仍然具有使用价值。非线性模型虽然结果更准确,但在一个温度探针中使用的热敏电阻比线性模型多,相同数量的传感器就会占用更多的数采仪通道。当一个探针内有三个热敏电阻时,可以根据实际情况选择线性或非线性模型。如果要选择其中两个热敏电阻应用线性模型,在选择热敏电阻组合上建议选择靠近下部的热敏电阻,因为在发生形变时位于底部的热敏电阻的相对位置更接近线性,更符合线性模型的假设。(4)原位间距校正方法基于土壤是均质的假设,野外条件下土壤条件比较复杂,为了验证原位间距校正方法在野外实验的适用性,设置了两组可原位校正探针间距的传感器在野外进行监测,结果表明探针原位间距校正技术可在一定程度上减少间距变化引起的容积热容量测量误差,体现出整体变化趋势。田间土壤,原位间距校正技术的应用可在一定程度上避免探针形变产生的误差。2.单针方法只使用了一个探针,在同一个温度探针内可以同时实现加热和测量。围绕单针方面,本研究用不同填充材料(合金和环氧树脂)、不同直径(1.27 mm,2.00 mm,3.18 mm,3.88 mm)的探针进行了单针实验,测量琼脂及两种颗粒样品的热导率和接触热导率。对琼脂的结果用两个拟合参数和四个拟合参数的公式分别拟合计算,发现用四个拟合参数计算的热导率和接触热导率结果更加准确。合金填充的探针与传统环氧树脂填充的探针相比,更加接近完美导体的假设,其结果更准确。对于本研究涉及的探针直径而言(1.27 mm,2.00 mm,3.18 mm),直径1.27 mm的探针受接触热阻的影响最小。综合结果看,直径1.27mm合金填充的探针测量结果更可靠。