土壤水分含量的准确测量对于农田灌溉管理、农业生产指导及水文气象预测等领域均有重要作用。长期以来，土壤水分测量方法的研究和相关仪器的研制开发受到广泛关注。目前，国内外测量土壤水分的方法多达几十种[1]。常用方法包括烘干法、中子法、时域反射法（TDR）、频域反射法（FDR）、遥感反演法等。烘干法（恒温烘箱法）是测量土壤水分的传统方法和国际公认的标准方法，但该方法需要耗费大量的时间、人力和物力，且对土壤有一定破坏，不利于野外长期、定点、连续、重复监测。中子法[2]测量土壤水分始于20 世纪60 年代，该方法可实现野外定点连续观测，但其辐射性对操作人员和环境有潜在危害。TDR[3]克服了中子仪测量法的放射性危害、测量精度较低等缺点，在相关科研领域应用较广，但其测量空间分辨率低、且价格较高，探针的埋置方式会导致测量误差。与TDR 测量土壤水分含量相比，FDR[4-5]具有快速、准确、连续测量、价格低、无污染以及未扰动被测土壤等优点，但需要对不同类型土壤进行标定，操作复杂。遥感反演法测量土壤水分含量的应用研究发展于20 世纪70 年代[6]，可长期对大区域的土壤水分状况进行实时、快速监测，但测量精度较低，且测定深层土壤水分含量的技术有待进一步研究[7-8]。

光谱学是通过光谱研究物质与电磁波之间相互关系的重要交叉学科。1800 年，英国物理学家Herachel 在做光的色散实验室，发现了近红外光，但在20 世纪中叶之前，近红外光谱技术并没有引起科学家的重视，随着计算机技术和光学元件的发展，近红外检测技术在科学研究和工业质量控制领域才得到广泛应用。

近红外区域按照美国材料与试验协会（ASTM）的定义，是指波长在780-2 526 nm 范围内的电磁波[9]。当一束近红外光照射样品时，如果被照射样品的分子选择性地吸收辐射光中某些频率波段的光，则产生吸收光谱，发生在该区域内的吸收谱带对应于分子基频震动的倍频和组合频[10-11]。近红外光谱技术应用于土壤水分含量测定的研究始于20 世纪60 年代，到20 世纪90 年代后期，该研究开始在中国逐渐开展起来[12]。该分析技术能够满足对物质成分快速、非接触、现场重复测量的要求，已经被成功的应用在土壤水分测量中，研究表明，物质中的水分对近红外光谱的特定波段有强烈吸收，其中土壤水分在近红外光谱中的强烈吸收波段为1 400、1 900 和2 200 nm，利用水分对近红外光谱的吸收特性，Norris 等[13]在1964 年设计了第一台近红外小麦水分仪，随后，许多学者在仪器的设计和改进方面做了大量工作，研究方法和手段随着计算机等硬件技术和化学计量学相关统计方法不断进步，测量准确度和精度不断提高，面向实际应用的传感技术和仪器设备也有了长足发展。Skidmore 等[14]自行设计了近红外仪器，使用发光二极管（LED）代替传统的宽带光源，在输出能量能够满足测试需求的条件下，无需使用滤光片，同时仪器的耗能、体积减少。Bowman 等[15]设计了以LED 为光源的近红外水分仪，以1 450 nm 波段作为水分的吸收波段，1 300 nm 作为参考波段，用以测量收割后黑麦草Lolium perenne 的水分，测量的水分范围为20%-80%，Whalley 等[16]将Bowman 设计的仪器应用于沙土和沙壤土的水分测量中，分析了此仪器在测量膨胀土壤含水量时存在的问题。本文将从近红外土壤水分测量理论方法和先进仪器设备技术的研究进展两方面，系统总结国内外研究进展和发展趋势。

1 基于近红外光谱学原理的土壤水分测量方法

1.1 基本理论

当一束近红外单色光或复合光照射样品时，如果被照射样品的分子选择性地吸收辐射光中某些频率波段的光，则产生吸收光谱。分子吸收近红外辐射（光子或能量）后会引起构成分子中各化学键的震动，这些化学键震动的方式可以用简谐振动模型来描述，表达式如下：

其中，n 为振动量子数；h 为普朗克常数，6.63×10-34m2·kg/s；k 为振动力常数；μ 为原子化学键减少的质量。

当分子吸收光的能量等于分子不同震动能级之间的能量差时，就会使分子从低能级向高能级跃迁，形成吸收光谱。

其中，Ep为吸收光的能量；v 为入射光的频率；h 为普朗克常数，6.63×10-34m2·kg/s；ΔEv为不同振动能级之间的能量差。

当含有一定水分的土壤受到近红外光照射时，由于水分子中O-H 键的拉伸和弯曲，导致水分子的倍频和基频振动，不同形式的水对近红外波段的光有强烈的吸收；倍频和合频构成了近红外光谱的核心部分，近红外谱带的产生和属性（频率，强度）取决于非谐性，非谐性最高的化学键是含有最轻原子的氢原子化学键，这些键在高能处发生振动，伸缩振动具有大的振幅，因此，具有很强的强度。水分子中O-H 键在近红外光谱区有两个特征吸收波段，1 940 nm 和1 450 nm 这两个吸收波段分别是组合频和O-H 键伸缩振动的一级倍频引起的，因此物质中的水分含量可以通过这些特征吸收来测定。