低场核磁共振技术在土壤科学研究中的应用与优势

土壤作为地球陆地生态系统的基础介质，其水分状态、孔隙结构及物理力学性质直接影响着农业生产、生态环境和工程建设。传统土壤分析方法多需破坏样品、耗时较长且难以实现动态过程的无损监测。近年来，低场核磁共振技术凭借其快速、无损、精准的特点，逐渐成为土壤科学领域一种重要的研究工具。本文基于相关期刊论文案例，系统梳理低场核磁在土壤孔隙结构、水分迁移、持水性能及特殊土体研究中的应用，并突出其技术优势。

01低场核磁共振技术简介

低场核磁共振技术通常指磁场强度低于0.5 T的核磁共振系统，通过检测土壤中氢原子（主要来源于水分）的弛豫行为，反映水分的含量、状态及其所处孔隙环境。该技术具有以下特点：无损检测：不破坏土壤结构，可对原状土进行反复测量；

快速高效：单样品测试时间短，适合大批量分析；

信息丰富：可同时获取水分含量、孔隙分布、水分状态等多维度信息；

动态监测：能够实时追踪水分迁移、冻结融化等过程。

02在土壤孔隙结构与持水性能研究中的应用

土壤孔隙结构是影响其通气、透水和持水能力的关键因素。传统方法如压力膜仪、压汞法等虽能间接推求孔隙分布，但过程繁琐、周期长，且对样品有损。

孔超等（2016）在《土壤学报》发表的研究中，利用低场核磁技术对比分析了水稻土和设施蔬菜地土壤的持水性能与孔隙特征。通过测定田间持水量状态下土壤的T₂谱线，研究人员发现两种土壤孔隙分布均以小孔隙为主，大孔隙较少；水稻田转为设施蔬菜地后，土壤孔隙半径整体变小，结构趋于致密。该研究还通过模拟失水过程，观察到T₂谱线整体左移，说明孔隙收缩与水分散失同步发生，且大孔隙优先排水。低场核磁技术直观揭示了土壤失水过程中孔隙与水分状态的动态关联，为土壤结构退化机理研究提供了新视角。

03在土壤水分迁移过程研究中的突破

水分在土壤中的迁移规律对农业灌溉、地质灾害防治、工程建设等具有重要意义。传统方法多需重塑土样，难以真实反映原状土的水力特性。

李东阳等（2023）在《矿业科学学报》中提出一种基于低场核磁的无损检测泥岩水分迁移过程的新方法。该研究通过标定试验建立核磁信号量与水分含量的函数关系，结合一维入渗试验，实现了对原状泥岩中水分空间分布的无损、动态监测。与传统烘干法对比，最大误差仅为4.05%，验证了该方法的可靠性与精度。该方法尤其适用于如泥岩、硬土等难以重塑的特殊岩土体，为水分迁移研究提供了新的技术路径。

04在冻土与水热耦合研究中的先进应用

冻土区工程建设及人工冻结法中，水分迁移与冰水相变过程对工程稳定性具有关键影响。传统测试手段难以实现低温、渗流与荷载耦合条件下的原位观测。

周洁等（2025）在《岩土工程学报》中介绍了自主研发的低温三轴多相渗流核磁共振成像系统，开展了人工冻结黏土与砂质粉土在渗流作用下的水分迁移及压融试验。该系统可同步施加温度、围压、轴压与渗流边界，实时获取土体内部未冻水含量变化与水分分布图像。研究发现，冻结过程中未冻水含量逐渐降低，30℃时黏土与砂质粉土的未冻水含量较室温分别下降40%与93%；压融过程中，随着压力升高，冰逐渐融化为水，未冻水含量小幅增加。该研究展现了低场核磁在复杂多场耦合条件下，实现过程可视化与定量分析的独特优势。

05技术优势总结

结合上述案例，低场核磁共振技术在土壤科学研究中展现出以下几方面显著优势：

1. 原位无损，保持结构真实：无需破坏土样，特别适用于原状土、难以重塑的特殊土体研究；

2. 快速动态，捕捉过程演变：可在几分钟内完成单点测试，支持水分迁移、冻融过程等动态监测；

3. 信息多元，一机多用：同步获取水分含量、孔隙分布、水分状态（自由水、束缚水）等信息；

4. 精准定量，误差可控：通过与烘干法等传统方法对比，验证了其在水分定量分析中的可靠性；

5. 系统耦合，拓展性强：可与温控、压力控制、渗流系统集成，实现多物理场耦合试验。

06结语与展望

低场核磁共振技术以其独特的技术优势，正在土壤物理、农业生态、岩土工程等领域发挥越来越重要的作用。从土壤孔隙结构分析到水分迁移过程监测，从常温土体到冻结复杂体系，该技术均展现出良好的适用性与可靠性。

未来，随着设备性能的进一步提升与分析模型的不断完善，低场核磁共振有望在土壤碳循环、污染物迁移、根系土壤互作等领域发挥更大作用，为推动土壤科学发展与生态环境治理提供更加有力的技术支撑。