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无论您是正在进行环境测量的研究生、经验丰富的研究人员，还是关注灌溉管理的种植者，您可能都曾意识到需要测量土壤水分。为什么？因为水分供应是生态系统生产力的主要驱动力之一，土壤水分（即土壤含水量/土壤水势）是大多数植物的直接水源。什么是土壤水分？下面将全面介绍土壤水分的测量方法，并探讨与土壤水分相关的一些重要科学术语。

土壤湿度到底意味着什么？

土壤湿度不仅仅是了解土壤中的含水量。在决定如何测量之前，您需要了解一些基本原则。以下是一些问题，可以帮助您集中精力了解实际情况。

• 您对土壤中储存的水感兴趣吗？
• 您是更关心可用于初级生产力的水量，以最大限度地提高产量，还是更了解您所在地区的最大产量？
• 您在研究土壤中水和溶质的运动吗？
• 您的目标是优化作物用水吗？
• 您是否在为土壤水文建模？

根据您对这些问题中的哪一个感兴趣，土壤湿度的含义可能会截然不同。

了解应测量的变量

大多数人只用一个变量来衡量土壤湿度：土壤含水量。但要描述土壤中水的状态，需要两类变量：一是含水量，即水的数量；二是水势，即水的能量状态。

土壤含水量是一个广泛的变量。它会随着面积和情况的变化而变化。它被定义为单位体积或质量中的含水量。基本上，它是指土壤中的含水量。

水势是一个"密集 "变量，描述物质或能量的强度或质量。它通常与温度相比较。正如温度可以显示人的舒适度一样，水势也可以显示植物的舒适度。水势是指每摩尔（单位质量、体积、重量）水的势能，参照零势能的纯水。您可以把水势看成是从土壤中取出少量水并将其放入纯净的自由水池中所需的功。

进一步了解密集变量与广泛变量

下载 "研究人员水潜力完整指南"

土壤含水量：这只是一个量

本文简要介绍了测量土壤含水量的两种不同方法：重量含水量和体积含水量。

重量含水量是指每质量土壤中水的质量（即每克土壤中含水的克数）。这是测量土壤含水量的主要方法，因为通过测量质量可以直接测量土壤含水量。计算方法是从田间采样的湿土称重，在烘箱中烘干，然后称干土。

因此，重力含水量等于湿土质量减去干土质量再除以干土质量。换句话说，就是水的质量除以土壤的质量。

体积含水量是指土壤总体积中的含水量。

体积含水量的描述与重量含水量相同，只是它是按体积报告的。

例如，已知体积土壤的成分如图 1 所示。所有成分的总和为 100%。由于体积含水量 (VWC) 等于水的体积除以土壤的总体积，因此在这种情况下，体积含水量为 35%。VWC 有时用^cm3/cm3或英寸/英尺表示。

重量测量法和 VWC：通过体积密度联系起来

将重力含水量(w) 乘以土壤的干容重 (⍴)，即可换算成体积含水量(ϴ)。_b转换为体积含水量（ϴ）（公式 3）。

由于重力含水量是测量土壤含水量的第一原理（或直接）方法，因此几乎所有原地或远程感测的 VWC 测量值都要用它来进行校准和验证读数。如果您有一个介电传感器，您就可以通过某种关系将电磁场中的读数转换为土壤含水量。因此，如果您不确定您的体积含水量是否正确，可以取一些土壤样本，测量重力含水量，再取一个容重样本，然后自己检查。

观看土壤湿度 101

土壤湿度不仅仅是了解土壤中的含水量。在决定如何测量之前，您需要了解一些基本原则。在这个 20 分钟的网络研讨会中，您将发现

• 为什么土壤水分不仅仅是一个量
• 含水量：什么是含水量、如何测量含水量以及为什么需要含水量
• 水势：水势是什么，与含水量有何不同，为什么需要水势
• 是测量含水量、水势，还是同时测量含水量和水势
• 哪些传感器可测量各类参数

如何测量体积含水量

大多数体积含水量测量都使用某种传感器。METER 含水量 传感器采用电容技术。为了进行测量，这些传感器利用了水的 "极性"。它是如何工作的？

图 2 显示了一个水分子。水分子的顶部是一个带有氧原子的负极，底部是一个带有两个氢原子的正极。如果我们在土壤中引入电磁场（图 3），这个水分子就会跳起来。如果电场相反，它就会反向舞动。因此，利用含水量传感器产生电磁场，就可以测量水对电磁场的影响。如果土壤中的水分较多，则会产生较大的影响。点击此处了解有关电容技术的更多信息。

为什么要用传感器测量土壤含水量？

使用土壤含水量传感器可以获得时间序列（图 4），这是了解土壤状况的有力工具。测量重力含水量需要采集样品或一系列样品并带回实验室。如果您需要时间序列，这是不现实的，因为您基本上要一直在野外取样。

使用含水量传感器，您可以自动测量土壤含水量变化的时间，并比较剖面中的深度。这些曲线的形状提供了有关土壤含水量变化的重要信息。

表 1 比较了不同的土壤传感方法。

重量含水量	VWC 传感器	遥感（SMOS）
第一原理/直接法	方便时间序列	可在有限范围内处理时间序列
耗费时间	实现随时间变化的轮廓传感	空间采样功能极其强大
破坏性	减少干扰
只有一个时间快照

表 1.土壤传感方法比较

重力含水量是一种很好的第一原理测量方法，但耗时长、破坏性大，而且只能提供时间快照。土壤含水量传感器可提供时间序列，实现随时间变化的剖面传感，并避免破坏性采样，但传感器仍需插入土壤中。遥感技术提供的时间序列尺度有限，但在空间取样方面却非常强大，这对于测量含水量非常重要。METER土壤水分传感器采用专门的 安装工具，可减少对现场的干扰（观看视频了解其工作原理）。

观看土壤湿度：为什么安装至关重要以及如何正确安装

如果您想获得准确的土壤湿度数据，正确安装传感器应该是您的首要任务。在土壤中测量时，密度的自然变化可能会导致 2% 到 3% 的精度损失，但安装不当可能会导致 10% 以上的精度损失。安装不当是土壤水分数据中最常见的误差来源，但有一些技术可以确保每次都能完美安装。传感器安装专家克里斯-钱伯斯（Chris Chambers）解释了为什么需要更智能的土壤水分传感器安装以及如何实现。
学习：

• 良好的土壤水分数据是什么样的
• 数据中如何显示各种安装问题（例如，空气间隙、传感器松动、土壤类型变化、深度交叉）？
• 如何确保准确安装
• 新 TEROS Borehole Installation Tool如何减少空气间隙和场地干扰，同时提高一致性
• 其他科学家如何确保正确安装

饱和度：不是你想的那样

就体积含水量而言，烤箱干燥土壤的体积含水量定义为 0%。这是一个定义端点。纯水的另一端是 100%。很多人认为 100% 的体积含水量就是完全饱和的土壤，其实不然。每种土壤的饱和含水量都不同。

一种方法是将其视为饱和度百分比：

饱和度百分比 = VWC/孔隙度 * 100

如果知道任何特定土壤类型的孔隙度，就可以大致推算出饱和时的含水量。但土壤在田间很少达到饱和状态。为什么呢？

从图 5 中可以看到，土壤吸水后会形成一层水膜，附着在土壤颗粒上。此外，还有一些充满空气的孔隙。在实地条件下，很难消除这些空气空间。这就是为什么任何特定类型土壤的饱和度很少等于理论最大饱和度的原因。

什么是水势？

水势是用于描述土壤湿度的另一个变量。如前所述，它被定义为土壤的能量状态或每摩尔水的势能，以零势能的纯水为参照。这意味着什么？要理解这一原理，可以将土壤样本中的水与饮用水杯中的水进行比较。玻璃杯中的水是相对自由和可利用的；而土壤中的水则与表面结合，可能会被溶质稀释，甚至在压力下被稀释。因此，土壤水的能量状态与 "自由 "水不同。自由水无需施加任何能量即可获取。而土壤中的水只有消耗相当于或大于其所含能量的能量才能被提取出来。水势表示您需要消耗多少能量才能将水从土壤样本中提取出来。

水势是四个不同组成部分的总和：重力水势 + 垫水势 + 压力水势 + 渗透水势（公式 4）。

就土壤而言，母势是最重要的组成部分，因为它与附着在土壤表面的水分有关。在图 6 中，是母势产生了附着在土壤颗粒上的水膜。当水从土壤中排出时，充满空气的孔隙会变大，随着母势的降低，水会更紧密地与土壤颗粒结合在一起。观看下面的视频，了解母势的作用。

水势梯度是土壤中水流的驱动力。 而土壤水势是植物可用水分的最佳指标（在此了解原因）。与含水量类似，水势也可以通过传感器在实验室和田间进行测量。以下是几种不同类型的田间水势传感器。

水势预测水的流动

如图 6 所示，水会从能量较高的位置向能量较低的位置移动，直到达到平衡。例如，如果土壤的水势为 -50 kPa，水就会向更负的 -100 kPa 移动，从而变得更加稳定。

这也近似于植物土壤大气连续体中的情况。在图 7 中，土壤的压力为-0.3 兆帕，根系的压力为-0.5 兆帕，略微偏负。这意味着根系会将水从土壤中吸上来。然后，水分会通过木质部向上移动，穿过这个电位梯度从叶片流出。而-100兆帕的大气则是这一梯度的驱动力。因此，水势决定了水在系统中移动的方向。

什么是植物可用水？

植物可用水量是指土壤或生长介质中田间容水量与永久枯萎点之间的含水量差值（见下文定义）。如果让土壤干到甚至接近永久枯萎点，大多数作物都会严重减产。为使作物产量最大化，土壤含水量通常要保持在永久枯萎点以上，但植物可用水量仍是一个有用的概念，因为它反映了土壤中储水量的大小。只要掌握一些有关土壤类型的基本知识，就能通过原位 土壤水分传感器的测量结果估算出田间持水量和永久枯萎点。这些传感器可提供连续的土壤含水量数据，为灌溉管理决策提供指导，从而提高作物产量和用水效率。

什么是实地能力？

田间持水量的定义是："土壤在被水润湿两三天后，在自由排水可以忽略不计的情况下，土壤中剩余的水的质量或体积含量"。土壤科学术语表》。美国土壤科学学会，1997 年。对于细粒土，通常假定其为-33 千帕水势时的含水量；对于砂质土，通常假定其为-10 千帕水势时的含水量，但这只是粗略的起点。实际的实地容水量取决于土壤剖面的特征。 它必须根据实地监测到的含水量数据来确定。如果您要查看实地容水量数据，最好能了解该点是如何得出的。

尽管我们通常用水势来表示田间持水量，但必须认识到它实际上是一种流动特性。 在重力势差的影响下，水在土壤剖面中向下流动。水会一直向下流动，但随着土壤的干燥，导水率会迅速降低，最终使向下流动的水量与蒸发和蒸腾损失相比变得很小。 把土壤想象成一个漏桶。当水通过根区向下流动时，植物会试图抓住一些水。

什么是永久枯萎点？

与之相对的是永久枯萎点。向日葵的永久枯萎点是通过实验确定的，定义为 -15 巴（-1500 千帕，Briggs 和 Shantz，1912 年，第 9 页）。这是向日葵枯萎并在一夜之间无法恢复的土壤电位。从理论上讲，这是一个空箱，在这里完全丧失了抗压能力，植物已经枯萎。但-1500 千帕并不一定是所有植物的枯萎点。许多植物的 "枯萎 "点不尽相同；有些植物会在 -1500 千帕之前就开始保护自己免受永久性损害，有些则在 -1500 千帕之后。因此，-1500 千帕是土壤中一个有用的参考点，但要注意的是，仙人掌可能不在乎-1500 千帕，而松柏也肯定不会在这个点上停止生长。因此，对于不同的植物或作物来说，它可能意味着不同的东西（更多信息请阅读：M.B. Kirkham：M.B. Kirkham.土壤与植物水分关系原理》，2005 年，Elsevier 出版社）。

使用 METER 的............. WP4C.

土壤类型：透视镜

要对含水量得出有意义的结论，必须了解土壤类型。

图 8 是一张从砂到粘土的最常见质地分类图。每种质地都有不同的粒度分布。表 2 显示，在-1500 千帕（永久枯萎点）时，每种质地的含水量都不同。实地容量也是如此。

纹理	FC (v%)	PWP (v%)
沙子	5	1
粘性砂	10	2
砂质壤土	17	6
砂质粘土壤土	32	19
粘土	27	14
桑迪-克莱	38	28
淤泥	27	13
淤泥	24	10
粘壤土	36	23
淤泥质粘土	36	22
淤泥质粘土	40	28
粘土	42	32

表 2.不同土壤质地的代表性田间容重和永久枯萎点

有趣的是，砂质粘壤土的田间容重可以达到 32%（这是一种水份充足的土壤），但对于粘土来说，32% 的田间容重是永久性的枯萎点。这意味着您在安装传感器时应采集土壤样本，以确保了解土壤质地和土壤中的情况。当土壤类型发生变化时，这一点尤为重要：无论是土壤剖面的变化还是不同地点的空间变化。请注意，水势不会随着情况的变化而变化。对于所有这些土壤类型，无论是粘土还是沙土，-33 千帕就是-33 千帕。 如果将淤泥质壤土视为一种中等质地的土壤，其-33 千帕含水量为 27%，-1500 千帕含水量为 13%。在典型的容重下，总孔隙度约为 50%。如果孔隙被填满，土壤就会饱和。因此，从饱和状态开始，（假设实地容量为-33 千帕）一半的水将排出，以达到实地容量。剩下的水约有一半是植物可利用的水。当植物抽取完所有能抽取的水后，土壤中仍有约等于植物可用水量的水，但植物无法将其排出。

该仪器 PARIO是一种可自动确定任何土壤类型和粒径分布的仪器。

土壤保水曲线

水势与体积含水量之间存在一定的关系，可以用土壤保水曲线（有时也称为水分释放曲线或土壤水分特性曲线）来说明。图 9 展示了三种不同土壤的曲线示例。x 轴是对数标度的水势，Y 轴是体积含水量。土壤保水曲线就像物理指纹一样，对每种土壤都是独一无二的。这是因为每种土壤的水势和土壤含水量之间的关系都不同。利用这种关系，您可以找出不同土壤在曲线上任何位置的表现。您可以回答一些关键问题，例如：水是会迅速从土壤中排出，还是会滞留在根部？土壤水分保持曲线是用于预测植物吸水、深层排水、径流等的强大工具。点击此处了解更多工作原理，或观看土壤水分 201。

该仪器 HYPROP是一种可自动生成湿度范围内土壤保水曲线的仪器。通过将 HYPROP 和................ WP4C.

土壤湿度：我需要含水量还是水势？

在开始任何土壤水分测量活动之前，请先问自己这些问题：

• 我需要知道土壤中储存了多少水吗？
• 我需要知道水流的方向吗？
• 我需要知道我的植物是否能得到水吗？
• 我需要知道我的植物在土壤中的含水量吗？
• 我需要知道何时浇水吗？

如果只想知道土壤中储存了多少水，就应该关注土壤含水量。如果您想知道水会流向哪里，那么水势就是正确的测量方法。要了解植物能否获得水分，就需要测量水势。

请在文章中阅读更多相关信息："为什么土壤水分不能告诉您需要知道的一切？不过，如果您想知道何时浇水或土壤中为植物储存了多少水分，您可能需要同时了解含水量和水势。这是因为您需要知道土壤中的实际含水量，还需要知道植物在什么时候无法获得水分。更多相关信息，请参阅文章："何时浇水：双重测量揭开神秘面纱"。

相关资源：什么是土壤湿度？

Kirkham, Mary Beth.土壤与植物水分关系原理》。学术出版社，2014 年。

Taylor, Sterling A., and Gaylen L. Ashcroft.物理土壤学。灌溉和非灌溉土壤的物理学。1972.

Hillel, Daniel.土壤物理学基础》。学术出版社，2013 年。

Dane, Jacob H., G. C. Topp, and Gaylon S. Campbell.土壤分析物理方法》。编号：631.41 S63/4。2002.

哪种含水量传感器方法适合您的应用？

了解土壤水分传感器之间的区别可能会让人感到困惑。下面两张图表比较了最常见的土壤水分传感方法、每种方法的优缺点以及每种方法在哪种情况下可能有用。所有 METER土壤水分传感器都使用高频电容传感技术和安装工具，便于安装并确保尽可能高的精度。有关每种测量方法的更多详细信息，请观看我们的土壤水分 102 网络研讨会。

土壤水分传感器的类型

传感器	优点	缺点	何时使用
电阻 探头	1.可使用数据记录器进行连续测量 2.价格最低 3.耗电量低	1.精度差：校准随土壤类型和土壤含盐量而变化 2.传感器随时间退化	1.当您只想知道含水量是否发生变化，而不关心准确性时
TDR 探头 时域	1.可使用数据记录器进行连续测量 2.通过特定土壤校准（2-3%）可实现精确测量 3.对盐度不敏感，直至信号消失 4.受到审稿人的尊重	1.使用起来比电容更复杂* 2. 2.安装需要时间，因为必须挖沟而不是挖洞 3.在高盐度环境中停止工作 4.耗电量大（大型充电电池）	1.如果实验室已经拥有该系统。它们比电容式系统更昂贵、更复杂，而且研究表明 TDR 和电容式系统在校准后同样精确
电容传感器	1.可使用数据记录器进行连续测量 2.某些类型易于安装 3.通过特定土壤校准，精度高（2-3%） 4. 4.耗电少（小型电池，只需少量或无需太阳能电池板） 5. 5.价格低廉，您可以花更多的钱获得更多的测量结果	1.在高盐度条件下（高于 8 dS/m 饱和萃取）变得不准确**。 2.某些劣质品牌的精度和性能较差。	1.您需要大量的测量地点 2.您需要一个易于部署和维护的系统 3.需要低功耗 4.每花费一美元，就需要进行更多的测量
中子探测器	1.测量体积大 2.对盐度不敏感 3.受到审稿人的尊重，因为这种方法存在的时间最长 4. 4.不受土壤-传感器接触问题的影响	1.昂贵 2.需要辐射证书才能操作 3.耗时极长 4.无法连续测量	1.您的程序中已经有一个获得认证的中子探测器，而且您已经知道如何解读中子探测器的数据 2.您正在测量高盐度或膨胀收缩粘土，保持接触是个问题
COSMOS	1.影响范围极大（800 米） 2.自动化 3.对卫星数据进行地面实况核实非常有效，因为它能平滑大面积的变化 4.不受土壤传感器接触问题的影响	1.最昂贵 2.测量体积不明确，且随土壤含水量变化而变化 3.准确性可能受到植被等干扰因素的限制	1.需要获得大范围内的平均含水量时 2.您正在对卫星数据进行地面实况验证

*Acclima 和 Campbell Scientific 生产的 TDR 传感器/轮廓探头具有板载测量电路，克服了大多数 TDR 系统面临的复杂性挑战。
**这取决于测量频率，频率越高，灵敏度越低。

传感器优势比较

	阻力	TDR	电容	中子探测器	COSMOS
价格	最低	中度至高度	低度至中度	高	最高
准确性	低	高* （有针对特定土壤的校准）	高* （有针对特定土壤的校准）	低（现场校准后会提高）	未知
复杂性	简单	简易至中级	简单	困难	困难
电力使用	低	中度至高度	低	不适用	高
盐度敏感性	极端	1.在中低盐度条件下没有 2.在高盐度条件下有	在高盐度条件下可以	没有	没有
耐用性	低	高	高	高	高
影响范围	探头 A 和探头 B 之间的区域较小	0.25 升至 2 升，取决于探头长度和电磁场形状	0.25 升至 2 升，取决于探头长度和电磁场形状	土壤潮湿时为直径 20 厘米的球体，土壤干燥时为直径 40 厘米的球体	直径 800 米

*某些劣质品牌精度低、性能差。对 TDR 和电容传感器精度威胁最大的是安装不当造成的空气间隙，其次是土壤中的粘土活性（即铁石棉粘土），再次是盐度。

了解我们最新的土壤水分传感器

METER 创建了全新的TEROS 传感器系列，以消除获得良好精度的障碍，如安装不一致、传感器之间的可变性和传感器验证。TEROS 土壤水分传感器将一致、完美的安装与安装工具、极其坚固的结构、最小的传感器之间的可变性、较大的影响范围和先进的数据记录相结合，以您负担得起的价格提供最佳性能、精度、易用性和可靠性。

想要了解更多详情？在下面的网络研讨会上，土壤湿度专家利奥-里维拉（Leo Rivera）解释了为什么我们花了 20 年时间创建了新的TEROS 传感器系列。

如何提高现场传感器的精度

为了获得更高的精度，请考虑进行土壤专用校准。METER 的土壤水分传感器通过测量土壤的介电常数来测量土壤的体积含水量，介电常数是含水量的一个重要函数。然而，并非所有土壤都具有相同的电特性。由于土壤容重、矿物学、质地和盐度的差异，目前 METER 传感器的通用矿物校准结果是，大多数矿物土壤的精度约为± 3 至 4%，无土栽培基质（盆栽土、岩棉、椰糠等）的精度约为± 5%。不过，通过特定土壤校准，土壤和无土栽培基质的精度可提高到 ± 1 至 2%。METER 建议土壤水分传感器用户进行特定土壤校准，或使用我们的特定土壤校准服务 ，以获得最佳的体积含水量测量精度。

 

	TEROS 12	TEROS 11	TEROS 10	EC-5	10HS
措施	体积含水量、温度、导电率	体积含水量、温度	体积含水量	体积含水量	体积含水量
影响范围	1010 毫升	1010 毫升	430 毫升	240 毫升	1320 毫升
测量输出	数字 SDI-12	数字 SDI-12	模拟	模拟	模拟
实地寿命	10 年以上	10 年以上	10 年以上	3-5 年*	3-5 年*
耐用性	最高	最高	最高	中度	中度
安装	高精度安装工具	高精度安装工具	高精度安装工具	手工安装	手工安装

表 1.土壤水分传感器对照表

*如果现场条件通常温暖潮湿，请选择长寿命传感器，如TEROS

 

您需要多少个土壤水分传感器？

在研究地点安装土壤水分传感器的数量可以决定是证明假设还是完全否定假设。安装多少个传感器才能获得最完整的土壤水分图像？没有一个单一的答案能涵盖所有情况。研究目标、精度要求、规模以及研究地点的具体特点都会影响所需的传感器数量。此外，土壤水分在空间和时间上都是多变的。了解这种可变性的驱动力可让研究人员深入了解如何进行采样。

了解变异性可能很困难

在研究地点的区域内，土壤水分的变异性来自于土壤质地、植被覆盖的数量和类型、地形、降水和其他天气因素、管理方法以及土壤水力特性（水在土壤中的流动速度）的差异。研究人员应考虑地貌特征的变化，以了解需要多少取样点才能捕捉到土壤水分的多样性。

土壤含水量也会随时间而变化，随降水、干旱、灌溉和蒸腾作用而变化，并以与季节性天气和植被多样性相关的可预测模式变化（Wilson 等人，2004 年）。虽然这个概念很容易理解，但如果考虑到时间和空间动态之间的相互作用所产生的变异性，就会变得更加复杂。

土壤水分数据经常对假设提出质疑

以下示例使用模拟数据来说明时空差异对土壤含水量的影响。在第一个例子中，模拟了同一研究地点在潮湿和干燥条件下的土壤含水量，并计算了概率密度函数 (PDF)。该示例表明，描述土壤水分概率密度函数的参数并不是静态的，而是会随着土壤水分条件的变化而变化。

在第二个例子中，土壤含水量模拟的是既不潮湿也不干燥的单个时间点。得出的 PDF 表明，研究地点内的土壤含水量 "群体 "不止一个（图 11）。这可能是由几个因素造成的。这可能是由于存在不同土壤质地的区域（例如，较干燥的沙质区域和较潮湿的粉砂壤土区域）、研究区域包括低洼地形和邻近的山坡，或者研究区域有不同类型的植被覆盖。

上述两个简单的例子说明了土壤水分在时间和空间上的复杂性。这两个例子都表明，在野外条件下处理土壤含水量时，常态假设并不总是有效的（Brocca 等人，2007 年；Vereecken 等人，2014 年）。

有多少个土壤水分传感器？ 这要看情况。

如果目标是确定研究区域的 "真实 "平均土壤含水量，那么采样方案就需要考虑上述变异来源。如果研究区域有山丘和山谷，树冠覆盖类型多样，降水量也有季节性变化，那么传感器就应该安装在代表主要异质性来源的区域。相反，如果研究地点比较单一，或者研究人员只对土壤含水量的时间模式感兴趣（例如，用于灌溉调度），那么由于数据的时间自相关性，可能需要较少的土壤水分传感器（Brocca 等人，2010 年；Loescher 等人，2014 年）。

原位连续测量能更好地了解土壤含水量

土壤含水量在时间和空间上都是高度动态的。采用定点取样的方式捕捉所有这些动态变化既费力又困难，尽管有些研究人员确实选择了这一途径。与环境科学的许多其他领域一样，利用原位传感器网络进行的研究正在对土壤水分行为产生一些最深刻的认识（Bogena 等人，2010 年；Brocca 等人，2010 年）。在大多数应用中，使用原位连续测量可让您对土壤含水量有更深入的了解。

如需更深入地了解这一主题，请阅读以下文章。

参考文献

Baroni, G., B. Ortuani, A. Facchi, and C. Gandolfi."植被和土壤特性对玉米田表层土壤水分时空变化的作用"。水文学杂志 489 (2013)：148-159.文章链接。

Brocca, L., F. Melone, T. Moramarco, and R. Morbidelli."土壤水分的时空变异性及其跨尺度估算"。水资源研究》第 46 卷第 2 期（2010 年）。文章链接。

Brocca, L., R. Morbidelli, F. Melone, and T. Moramarco."意大利中部实验区土壤水分空间变异性"。Journal of Hydrology 333, no：356-373.文章链接。

Bogena, H. R., M. Herbst, J. A. Huisman, U. Rosenbaum, A. Weuthen, and H. Vereecken."无线传感器网络测量土壤含水量变化的潜力"。Vadose Zone Journal 9, no.4 (2010):1002-1013.文章链接（开放获取）。

Famiglietti, James S., Dongryeol Ryu, Aaron A. Berg, Matthew Rodell, and Thomas J. Jackson."跨尺度土壤湿度变化的实地观测"。Water Resources Research 44, no.文章链接（开放获取）。

García、Gonzalo Martínez、Yakov A. Pachepsky 和 Harry Vereecken。"土壤水力特性对土壤水分空间均值与变异性之间关系的影响"。水文学杂志 516 (2014)：154-160.文章链接。

Korres、W.、T. G. Reichenau、P. Fiener、C. N. Koyama、H. R. Bogena、T. Cornelissen、R. Baatz 等人 "时空土壤湿度模式--使用地块到流域尺度数据的元分析"。水文学杂志 520 (2015)：326-341.文章链接（开放获取）。

Loescher、Henry、Edward Ayres、Paul Duffy、Hongyan Luo 和 Max Brunke。"北美生态系统间土壤特性的空间变化及采样设计指南"。PLOS ONE 9, no. 1 (2014): e83216.文章链接（开放获取）。

Teuling, Adriaan J., and Peter A. Troch."Improved understanding of soil moisture variability dynamics." 地球物理研究快报 32, no.Geophysical Research Letters 32, no.5 (2005).文章链接（开放获取）。

Vereecken, Harry, J. A. Huisman, Yakov Pachepsky, Carsten Montzka, J. Van Der Kruk, Heye Bogena, L. Weihermüller, Michael Herbst, Gonzalo Martinez, and Jan Vanderborght."田野尺度下土壤水分的时空动态"。水文学杂志 516 (2014)：76-96.文章链接。

Wilson, David J., Andrew W. Western, and Rodger B. Grayson."识别和量化时空土壤水分观测的变异性来源"。水资源研究》第 40 卷第 2 期（2004 年）。文章链接（开放存取）。

哪种传感器安装方法最好？

水分的补充和使用模式会导致土壤水分在土壤剖面深度上产生巨大的空间变化。因此，对剖面含水量的精确测量是任何水分预算研究的基础。如果监测准确，剖面测量结果将显示用水量、深层渗漏量和植物储水量。

如何避免测量误差

进行高质量体积含水量测量的三个常见挑战是

1. 确保土壤水分传感器安装在未受干扰的土壤中
2. 尽量减少对测量体积内的根系和生物孔的干扰
3. 消除流向探头及其周围的优先水流

所有介质探头在探头表面的灵敏度最高。探头与土壤之间的任何接触损失或探头表面土壤的压实都会导致较大的测量误差。表面积水和探头安装孔中的水流也会导致较大的测量误差。

安装土壤水分传感器总会涉及到一些挖掘工作。如何在尽可能少扰动土壤的情况下对剖面进行准确取样？ 请考虑五种不同的剖面取样策略的利弊。

偏流是商用剖面探头的常见问题

剖面探头是剖面含水率测量的一站式解决方案。在一个孔中安装一个探头，就可以读取多个深度的数据。轮廓探头可以很好地工作，但正确安装可能很棘手，而且公差要求很高。很难精确地钻一个深孔，以确保探头的整个表面都能接触到。为改善接触而回填会导致重新包装和测量误差。此外，剖面探头还特别容易出现顺着检修管长表面优先流动的问题。 (注：新的 TEROS Borehole Installation Tool消除了偏流问题，减少了对现场的干扰，同时允许您在自己选择的深度安装传感器）。

沟槽安装十分困难

通过沟槽侧壁在不同深度安装传感器是一种简单而精确的方法，但实际挖掘沟槽的工作量很大。这种方法可将探头置于未受扰动的土壤中，不会出现填料或水流偏向的问题。但由于需要开挖，通常只有在因其他原因挖沟，或土壤多石或充满砾石，其他方法无法奏效时才会使用。应将挖掘区域填满并重新填土，使其密度与原始土壤大致相同，以避免产生不必要的边缘效应。

螺旋侧壁安装工作量更少

通过单个螺旋钻孔的侧壁安装探头具有沟槽法的许多优点，但不需要重型设备。Bogena 等人就使用了这种方法。 EC-5探针。他们制造了一种设备，可以同时在几个深度安装探头。与沟槽安装方法一样，应将钻孔填满并重新堆放到取样前的大致密度，以避免边缘效应。

螺旋钻孔会扰动土层，但对场地的影响相对较小，仅为沟槽安装的一小部分。坑道长约 60 至 90 厘米，宽约 40 厘米。钻孔安装使用的是小型手动钻，钻孔直径仅为 10 厘米。 TEROS Borehole Installation Tool钻孔直径仅为 10 厘米，仅为沟槽面积的 2-3%。由于对场地的扰动最小，因此受到扰动的大孔隙、根系和植物较少，场地可以更快地恢复到自然状态。此外，在小钻孔内使用安装工具时，可确保土壤与传感器之间的良好接触，而且由于需要分离的土壤较少，因此更容易分离地平层并重新包装以达到正确的土壤密度。

多孔安装可防止故障发生

为每个深度挖一个单独的检修孔，可确保每个探针都安装在各自孔底未受扰动的土壤中。与所有方法一样，要注意确保水流不会优先进入重新填充的钻孔，但单孔的故障不会危及所有数据，就像在单孔中进行所有测量一样。

这种方法的主要缺点是，剖面上的每一个深度都必须挖一个洞。不过，这些孔很小，所以通常很容易挖。

单孔安装最不理想

可以通过钻一个孔，在底部安装一个传感器，然后将孔重新包扎，同时在重新包扎的土壤中按所需深度安装传感器来测量剖面湿度。不过，由于重新包扎的土壤的容重可能不同于未扰动状态下的容重，而且土壤在挖掘、混合和重新包扎的过程中，剖面已经完全改变，因此这是讨论过的方法中最不可取的一种。尽管如此，单孔安装对于某些目的来说可能是完全令人满意的。如果允许该装置与周围土壤保持平衡，并允许根系在土壤中生长，受扰动土壤的相对变化应与周围环境的变化一致。

参考资料

Bogena, H. R., A. Weuthen, U. Rosenbaum, J. A. Huisman, and H. Vereecken."基于 Zigbee 的土壤湿度传感器网络"。在AGU 秋季会议摘要中。2007.文章链接。

更多安装建议

在下面的视频中，传感器安装专家克里斯-钱伯斯（Chris Chambers）解释了为什么需要更智能的土壤湿度传感器安装以及如何实现这一目标。学习：

• 良好的土壤水分数据是什么样的
• 数据中如何显示各种安装问题（例如，空气间隙、传感器松动、土壤类型变化、深度交叉）？
• 如何确保准确安装
• 新 TEROS Borehole Installation Tool如何减少空气间隙和场地干扰，同时提高一致性
• 其他科学家如何确保正确安装

站点干扰对数据的 5 种影响方式--如何应对

在测量土壤水分时，现场扰动是不可避免的。我们可能会自我安慰，认为即使现场的大量土壤被扰动，土壤传感器也能告诉我们土壤水分的情况。或者，我们可能会认为，传感器周围的土壤性质发生变化并不重要，因为针头插入的是未受扰动的土壤。事实上，场地扰动确实很重要，而且有办法减少其对土壤水分数据的影响。以下是对现场干扰的探讨，以及研究人员如何调整安装技术以消除数据中的不确定性。

非干扰方法尚未达到要求

在安装土壤水分传感器时，必须尽可能减少对土壤的扰动，以获得具有代表性的测量结果。非扰动方法确实存在，例如卫星、探地雷达和 COSMOS。然而，这些方法都面临着挑战，使其无法作为单一的含水量测量方法。卫星覆盖面积大，但一般只能测量土壤顶部 5 到 10 厘米，而且分辨率和测量频率较低。探地雷达的分辨率很高，但价格昂贵，而且在下边界深度未知的情况下，数据解读很困难。COSMOS 是一种基于地面的非侵入式中子方法，可连续测量直径达 800 米的区域，测量深度超过卫星。但这种方法在许多应用中成本过高，而且对植被和土壤都很敏感，因此研究人员必须将这两种信号分开。这些方法还不能取代土壤水分传感器，但如果与土壤水分传感器提供的地面实况数据结合使用，效果会很好。

1.扰乱的后果是......扰乱

研究地点受到干扰后，土壤可能需要长达六个月甚至更长的时间才能恢复自然状态。影响因素包括降水量（潮湿气候比干燥气候恢复 "正常 "更快）、土壤类型和土壤密度。在等待恢复平衡的过程中，研究人员通常会忽略前两三个月的数据。当研究人员挖掘时，成熟的草或植物会被移走，然后再替换。通常情况下，这些植物很难重新生长，而在大规模干扰下，这些植物中的大量植物要么表现不佳，要么死亡。由于这些植物不再蒸腾水分，水分平衡发生了变化，这可能会对土壤水分数据产生重要影响。任何减少扰动面积的方案都能降低植物死亡率，改善结果。

2.挤压大孔隙会造成灾难性后果

当土壤被移动或压实时，会对土壤的微孔和大孔隙造成不成比例的影响，微孔和大孔隙是具有各种孔隙大小的微小毛细管，它们赋予了土壤结构并允许水流动。场地扰动和土壤重新堆积会破坏土壤的大孔隙，导致水流速度更慢，并沿着不同的路径流动。这反过来又会影响改变区下方的补给。任何能减少土壤移除量的安装方案都能将这一问题降至最低。

3.土壤密度难以把握

与压实相反的情况是，土壤被重新包扎得过于松散。这会导致水沿着钻孔或沟壁的两侧优先流动，使进入该区域的水量多于正常情况。这些多余的水通常会被插入传感器针头的未扰动土壤吸收，从而使土壤湿度数据出现偏差。为了解决这个问题，研究人员应该计划好时间，仔细地将孔洞重新包装到适当的密度。具体做法是分层添加土壤和填土，直到表面出现一个小丘以防止积水。如果表面是平的，随着时间的推移，土壤可能会沉积成凹陷。大坑可能会形成较大的凹陷，从而优先集水，并改变水渗入传感器周围土壤的方式。

4.地层混杂导致水文混杂

在重新安装基坑时，混合土层会极大地改变土壤的水力特性。例如：如果土壤的 A 层为沙土，B 层为粘土，将土层颠倒或混合会产生明显的后果。有些土层很容易区分，而有些土层则很难区分。因此，应小心地分层取土和还土，以防止土壤水文发生变化。为此，研究人员可以在安装坑周围铺上防水布，然后一层一层地小心取土，并按顺序放在防水布上。这些土层很容易弄混，因此在开始之前准备一个记住土层的方法很有帮助。传感器安装完毕后，研究人员应按相反的顺序将土层放回坑中，每层之间按正确的密度重新包装。

5.破坏根系统--破坏数据

挖沟安装土壤水分传感器有可能会破坏大型根系，尤其是当研究人员在有成熟灌木和树木的区域挖沟时。由于根系是土壤中水分的主要消耗机制，当根系死亡时，将改变土壤水分测量对整个研究区域的代表性。如果传感器附近的所有根系都被杀死，测量结果可能会表明土壤中的水分比实际更充足。研究人员可以通过战略性地放置钻孔，减少对根系的干扰，从而减少这一问题。

沟槽安装--最好还是最坏的主意？这要看情况。

挖掘沟渠的一个好处是，研究人员可以看到整个土壤剖面，从而更容易识别硬土层、确定地层和土壤类型，以及确定土壤结构和形成。但是，挖掘大沟会带走大量土壤。一旦这些土壤被重新包扎，许多大孔隙很可能被压碎，土壤中现在存在水力不连续性，增加了水从传感器被人为分流或流向传感器的可能性。如果研究人员为了节省时间而使用反铲挖掘机，情况就会更糟。反铲挖掘机的履带和垫子会压实土壤，尤其是在潮湿的情况下，而大铲子则会撕裂植物和根系。

轮廓探测器--如此之近，却又如此之远

剖面探头的诱人之处在于其钻孔较小，对土壤的扰动较小。然而，剖面探头的刚性直线形状要求井壁完全垂直，以实现土壤与传感器的良好接触。遗憾的是，钻孔的两侧很少是完全垂直的。土壤壁上会有曲线和凹坑。直边剖面探头很少能获得良好的连通性，而且安装过程中经常会出现气隙和偏流现象。剖面探头使用者通常试图用厚泥浆回填来弥补，但这种方法也存在挑战，包括引入非本地土壤和土壤干燥时产生的裂缝造成的误差。

钻孔法获胜的原因

钻孔会扰动土层，但对场地的影响相对较小，仅是沟槽安装的一小部分。沟槽长约 60 至 90 厘米，宽约 40 厘米。使用小型手动钻进行钻孔安装，钻孔直径仅为 10 厘米。 TEROS Borehole Installation Tool钻孔直径仅为 10 厘米，仅为沟槽面积的 2-3%。由于对场地的扰动最小，因此受到扰动的大孔隙、根系和植物较少，场地可以更快地恢复到自然状态。此外，在小钻孔内使用安装工具时，可确保土壤与传感器之间的良好接触，而且由于需要分离的土壤较少，因此更容易分离地平层并重新包装以达到正确的土壤密度。

无法消除场地干扰，但可以控制规模

减少场地扰动对土壤水分数据影响的关键是控制扰动的规模。大规模的挖掘会影响到更大的区域，而钻一个小孔对周围植物和土壤水分特性的影响要小得多，可以让研究地点以更快的速度恢复到自然状态。

更深入地了解土壤水分释放曲线

土壤水分释放曲线（也称为土壤水特征曲线或土壤保水曲线）就像物理指纹一样，对每种土壤都是独一无二的。研究人员利用它们来了解和预测特定湿度条件下水在特定土壤中的去向。水分释放曲线可以回答一些关键问题，例如：土壤在什么含水量下会永久枯萎？应该灌溉多长时间？水分会很快从土壤中排出还是会滞留在根部？它们是用于预测植物吸水、深层排水、径流等情况的强大工具。

什么是土壤水分释放曲线？

水势和体积含水量之间存在一定的关系，可以用图表来说明。这些数据共同构成了一条曲线，称为土壤水分释放曲线。土壤水分释放曲线的形状对每种土壤来说都是独一无二的。它受到许多变量的影响，如土壤质地、容重、有机质含量、孔隙结构的实际构成，以及

图 13 显示了三种不同土壤的示例曲线。X 轴为对数标度的水势，Y 轴为体积含水量。土壤含水量与水势（或土壤吸力）之间的这种关系使研究人员能够了解和预测特定土壤类型中的水分供应和水分流动情况。例如，从图 13 中可以看出，每种土壤类型的永久枯萎点（右侧垂直线）的含水量不同。细沙壤土在含水量为 5%时会出现永久枯萎，而淤泥质壤土在含水量接近 15%时会出现永久枯萎。

广泛变量与密集变量

要了解土壤水分释放曲线，有必要解释一下广泛特性与密集特性。大多数人只用一个变量来看待土壤水分：土壤含水量。但要描述环境中的物质或能量状态，还需要两类变量。广泛变量描述的是物质或能量的范围（或数量）。而密集变量描述的是物质或能量的强度（或质量）。

广泛的变量	强化变量
卷数	密度
含水量	水势
热含量	温度

表 1.广泛变量和密集变量示例

土壤含水量是一个广泛的变量。它描述了环境中的含水量。土壤水势是一个强度变量。它描述了环境中水的强度或质量（大多数情况下是可用性）。要理解这一点，可以从热量的角度来考虑广变量和集约变量。热量含量（广义变量）描述的是房间内储存了多少热量。温度（密集变量）描述的是房间的质量（舒适度）或人体对热量的感受。

图 14 显示的是北极地区的一艘大船和一根刚在火中加热过的热棒。这两种物品哪一种的热含量更高？有趣的是，北极的船比热棒的热量高，但热棒的温度更高。

如果我们将热棒与船接触，哪个变量会影响能量的流动？密集变量--温度--决定了能量的流动方式。热量总是从高温流向低温。

与热量类似，土壤含水量只是一个量。它不会告诉我们水将如何流动，也不会告诉我们植物的舒适度（植物可用的水）。但土壤水势这个密集变量却能预测水分的可用性和流动情况。
下载 "研究人员水势完整指南

水分释放曲线数据从何而来？

土壤水分释放曲线可在原地或实验室绘制。在野外，使用土壤传感器监测土壤含水量和土壤水势。

METER 的介电传感器简单可靠，可直接通过ZL6 数据记录器向cloud ( ) 报告近乎实时的土壤湿度数据。ZENTRA Cloud).这节省了大量的工作和费用。TEROS 12可测量含水量，使用TEROS 钻孔安装工具即可轻松安装。TEROS 21是一种易于安装的现场水势传感器。

在实验室中，您可以将 METER 的 HYPROP和 WP4C自动生成整个土壤湿度范围内的完整土壤水分释放曲线。

了解实验室和现场水分释放曲线的对比情况

如何使用土壤水分释放曲线

土壤水分释放曲线将体积含水量这一广泛变量与水势这一密集变量联系在一起。将广泛变量和密集变量绘制成图，可以让研究人员和灌溉人员回答一些关键问题，如土壤水将向何处流动。例如，在下图 15 中，如果下面的三种土壤是含水量为 15% 的不同土壤层，那么壤质细砂中的水将开始向细砂壤层移动，因为细砂壤层的水势更负。

土壤水分释放曲线还可用于灌溉决策，如何时开水，何时关水。为此，研究人员或灌溉人员必须了解体积含水量 (VWC) 和水势。容积含水量告诉种植者需要灌溉多少水。而水势则显示作物的可用水量以及何时停止灌溉。下面是其工作原理。

图 16.三种不同土壤的典型水分释放曲线图 16 显示了壤土、粉质壤土和粘土的典型水分释放曲线。在-100 千帕时，沙质土壤的含水量低于 10%。但在淤泥质壤土中，含水量约为 25%，而在粘土中，含水量接近 40%。田间持水量通常在 -10 至 -30 千帕之间。永久枯萎点约为 -1500 千帕。比永久枯萎点更干的土壤不会向植物供水。而湿度超过田间容水量的土壤中的水会从土壤中流出。研究人员/灌溉人员可以通过观察这些曲线，了解每种土壤的最佳含水量。

图 17 是同样的水分释放曲线，显示了田间容量范围（绿色垂直线）、灌溉作物通常设定的下限（黄色）和永久枯萎点（红色）。利用这些曲线，研究人员/灌溉人员可以看出淤泥质壤土的水势应保持在 -10 至 -50 千帕之间。而与这些水势相对应的含水量则告诉灌溉人员，淤泥质壤土的含水量必须保持在 32% 左右（0.32 立方米/立方米）。土壤水分传感器可以在高于或低于这个最佳限度时发出警报。

ZENTRA 化繁为简

一旦从释放曲线中收集到信息，METER 的 ZL6 数据记录器和 ZENTRA Cloud简化了保持最佳湿度的过程。上下限可在ZENTRA cloud 中设置，并显示为叠加在近实时土壤水分数据（蓝色阴影）上的阴影带，便于了解何时打开或关闭水源。当接近或超过这些限制时，甚至会自动发出警告。

了解更多有关利用土壤水分改善灌溉的信息

现场的水分释放曲线？是的，可以。

水势传感器和土壤水分传感器的就地定位为研究人员的知识库增加了更多的水分释放曲线。而且，由于岩土工程师和灌溉科学家最关心的主要是非饱和土壤的就地性能，因此在实验室生成的曲线上增加就地测量是最理想不过的了。

在下面的网络研讨会中，METER研究科学家 Colin Campbell 博士总结了最近在泛美非饱和土壤会议上发表的一篇论文。坎贝尔等人（2018 年）撰写的论文《原位土壤水分特征曲线与实验室生成的土壤水分特征曲线的比较》说明了使用TEROS 21校准的母势传感器和 METER含水量传感器 原位生成的 SWCC 与实验室生成的 SWCC 的比较结果。

等等，还有更多

土壤水分释放曲线可以提供超出本文范围的更多见解和信息。研究人员利用它们来了解土壤收缩膨胀能力、阳离子交换能力或土壤特定表面积等许多问题。在以下视频中，土壤水分专家利奥-里维拉（Leo Rivera）将详细介绍如何使用水分释放曲线来分析不同土壤在水分方面的表现。

附录

本节将介绍

1. TDR 与电容传感器
2. ECH2O 传感器与TEROS 传感器
3. 土壤水分数据采集：8 项最佳实践

1-为什么说 TDR 与电容可能会失之毫厘差之千里？

在考虑哪种土壤含水量传感器最适合任何应用时，很容易忽略一个显而易见的问题：测量什么？ 时域反射仪 (TDR) 与电容是研究人员在宽测量频谱范围内测量介电常数的正确问题（称为介电光谱）。这些数据中蕴含着重要的信息，例如可以测量体积密度以及含水量和导电率。如果需要进行这种测量，目前只有一种技术可以实现：TDR 技术。沿着导电杆向下移动的电脉冲的反射率包含多种频率。数字化后，这些频率可通过快速傅立叶变换进行分离，并分析以获取更多信息。

然而，对于大多数科学家来说，他们的目标仅仅是对土壤含水量进行即时或随时间变化的精确监测，这就意味着可能不需要复杂而昂贵的 TDR 系统。

两种技术背后的理论

电容和 TDR土壤水分传感器技术经常被归为一类，因为它们都测量周围介质的介电常数。事实上，经常有人将两者混淆，认为某个探头是根据 TDR 测量含水量的，而实际上它使用的是电容。下面将说明这两种技术的区别。

电容技术通过测量以介质为介质的电容器的充电时间来确定介质的介电常数。我们首先定义电容器从起始电压V_i 到电压V_f 与外加电压V_f.

其中，R是串联电阻，C是电容。电容器的充电过程如图 1 所示：

如果电阻和电压比保持不变，那么电容器的充电时间t 与电容的关系如下所示

对于平行板电容器来说，电容是电容器两板之间介质介电常数(k) 的函数，其计算公式为

其中， A是极板面积，S是极板间距。由于A和S也是固定值，因此电容器上的充电时间与周围介质的介电常数是一个简单的线性函数（理想情况下）。

土壤探头不是平行板电容器，但无论板的几何形状如何，等式 7 所示的关系都是有效的。时域反射仪 (TDR) 通过测量电磁波沿介质环绕的传输线传播所需的时间来确定介质的介电常数。电磁脉冲沿传输线传播并返回的传输时间(t) 与介质的介电常数k有关，关系式如下

其中，L是传输线的长度，c 是光速（真空中为 3 x 108 m s）。因此，介电常数的计算公式为

因此，电磁波沿 TDR 探头的传播时间只是传播时间的平方和固定值（c/2L）的函数。由于c和L分别是常数和固定长度，理论上，与电容传感器相比，TDR 测量不易受土壤和环境条件的影响。然而，当高盐度使反射波形减弱或温度改变终点时，对 TDR 输出的解释可能会产生相当大的误差。

频率对精度的影响

An oscillating voltage must be applied to a TDR or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.

METER 制造的电容传感器使用高频率，以尽量减少土壤盐度对读数的影响。 但使用的频率比 TDR 低很多，通常为 50 到 100 MHz。 电容探头的高频率可以 "看到 "土壤中的所有水分，同时足够高的频率可以避免老式电容探头因土壤盐分而产生的大部分误差。电容传感器的电路设计可以分辨体积含水量的极微小变化，以至于 NASA 使用电容技术测量火星上的含水量。电容传感器的成本较低，因为它们不需要大量的电路，因此每一元钱可以测量更多的数据。

与 TDR 一样，电容传感器的安装也相当简单。电容传感器的测量插针往往比 TDR 探头短，因此插入孔中的难度较低。电容传感器对能量的要求较低，在野外使用数据记录器中的小型电池组供电，可持续数年之久。

错误是由于安装方法不当造成的

总之，虽然测量背后的理论有些不同，但 TDR 和电容都是测量介电常数以获得体积含水量。从历史角度来看，TDR 和电容都已被广泛接受，尽管有些人可能认为 TDR 比电容更有价值，因为两者的价格相差很大。一般来说，使用这两种技术都可以获得合理的体积含水量测量结果，测量误差往往是由于安装方法不当而不是技术本身的局限性造成的。新 TEROS Borehole Installation Tool通过防止土壤水分传感器安装错误来减少数据的不确定性。由于其机械优势，该工具可在任何土壤类型（甚至是硬粘土）中实现一致、无误的安装，同时最大限度地减少对现场的干扰。传感器以均匀的压力直入并垂直安装，然后轻轻释放，以防止出现气隙和偏流。这意味着TEROS 系列电容式土壤水分传感器能够提供比市场上同类传感器更高的精度和更小的不确定性。

2-ECH₂O 土壤湿度传感器与TEROS 传感器--哪个更好？

如今的电容精度很高

20 世纪 70 年代，当电容技术首次用于测量土壤湿度时，科学家们很快意识到，电磁场的充放电速度对成功与否至关重要。低频会对读数产生较大的土壤盐度影响。随着时间的推移，这种新的认识与电子技术速度的进步相结合，使最初的电容方法得以调整，从而取得成功。现代电容传感器（如 METER 传感器）使用高频率（70 MHz），以尽量减少土壤盐度对读数的影响。

电容传感器中的电路可用于分辨体积含水量的极微小变化，以至于 NASA 使用 METER 的电容技术来测量火星上的含水量。电容式土壤水分传感器易于安装，而且功耗低。通过数据记录器中的小型电池组供电，它们可以在野外使用数年。

TEROS 和_ECH20：同样值得信赖的技术

TEROS 和_ECH20土壤水分传感器都采用了同样值得信赖的高频（70 MHz）电容技术，该技术已在数千篇同行评审论文中发表。图 20 显示了_ECH205TE 和TEROS 12 的校准数据。

新的TEROS 系列则利用校准技术的进步、安装工具和更好的原材料，生产出更耐用、更精确、安装更方便快捷、更稳定的传感器，并与功能强大、直观的近实时数据记录和可视化系统相连接（图 21）。

以下是TEROS 新含水量传感器系列的一些变化：

传感器之间的差异最小： TEROS 11/12传感器采用全新的校准程序，在保持传感器成本合理的同时，最大限度地提高了精度，并将传感器之间的差异最小化。因此，您可以放心，您安装的每个传感器的读数都会与下一个传感器一模一样。

影响体积大： TEROS 11/12 传感器的影响体积为一升（而大多数传感器的典型影响体积为 200 毫升）。

传感器性能可靠，使用寿命长： 经过改良的优质不锈钢针头即使在坚硬的土壤中也能轻松滑入，而耐用的环氧树脂填料意味着传感器在野外可使用长达 10 年之久。在TEROS 12 中，我们将温度传感器完美地安装在中间的测针内，因此测针既坚固耐用，又对土壤温度变化极为敏感。

减少安装错误： 新 TEROS Borehole Installation Tool可防止安装错误，在任何土壤类型（即使是硬粘土）中都能稳定无误地插入，同时最大限度地减少对现场的干扰。传感器的安装完全垂直于侧壁，压力均匀，然后轻轻松开，防止出现空气间隙。

验证标准：TEROS 传感器的重复性可通过精度验证标准进行检查。其他土壤湿度传感器都不具备这种功能。只需将验证夹子滑到传感器上，然后插入记录仪即可。如果读数在正确的范围内，传感器就可以使用了。

无缝数据采集： 要轻松可靠地收集数据，可将TEROS 传感器与新的 ZL6在这里，所有数据都将近实时地通过 cloud.

TEROS 获胜的原因

我们创建了新的TEROS 传感器系列，以消除实现良好精度的障碍，例如安装不一致、传感器之间的可变性和传感器验证。TEROS 土壤水分传感器采用了同样可靠的_ECH20技术，但超越了_ECH20系列，优化了整个数据集的精度。 它们结合了一致无误的安装、极其坚固的结构、最小的传感器间差异、大量的影响和先进的数据记录，以您可以承受的价格提供最佳的性能、精度、易用性和可靠性。

3-土壤水分数据采集：8 项最佳实践

每个研究人员的目标都是在整个研究期间获得可用的实地数据。好的数据集是科学家可以用来得出结论或了解特定应用中环境因素行为的数据集。然而，正如许多研究人员痛苦地发现的那样，获取好的数据并不像安装传感器、将其留在野外、返回后发现准确记录那么简单。那些不提前计划、不经常检查数据、不定期排除故障的人往往会在回来后发现令人不快的意外，比如数据记录器电缆被拔掉、传感器电缆被啮齿动物损坏，或者更糟的是：他们没有足够的数据来解释他们的结果。幸运的是，只要有高质量的设备、深思熟虑和少量的准备工作，大多数数据收集事故都是可以避免的。

别搞错了，这将使您

以下是人们在设计研究时常犯的一些错误，这些错误不仅耗费时间和金钱，还可能导致数据无法使用。

• 场地特征：对现场、其可变性或指导数据解释的其他有影响的环境因素了解不足
• 传感器位置：传感器安装的位置与研究目标不符（例如，在土壤中，传感器的地理位置和在土壤剖面中的位置都必须与研究问题相符）
• 传感器安装：传感器安装不正确，导致读数不准确
• 数据收集：传感器和记录仪没有得到保护，也没有定期检查数据，以保持数据记录的连续性和准确性
• 数据传播：其他科学家无法理解或复制数据

在设计研究时，请使用以下最佳实践来简化数据收集工作，避免因疏忽而导致数据无法使用并最终无法发表。

安装前准备节省时间和金钱

在实地考察之前，在实验室设置传感器有助于研究人员了解传感器的工作原理。例如，科学家可以在不同的土壤类型中读取土壤传感器的读数，这将使他们对不同情况下的土壤湿度值有一个扎实的了解。在实地考察之前弄清传感器的工作原理，有助于研究人员了解正确的安装方法、安装可能需要的时间，还能让他们诊断问题，例如传感器可能读数不正确。在此期间，他们还可以确定安装可能需要的工具和设备。如果有一个专门的安装工具箱，里面装满了拉链、钳子、记号笔、手电筒和电池等重要工具，就可以节省往返现场的时间。

如果研究人员使用的数据记录仪需要编程，则应提前两周学习编程语言，确保了解如何为记录仪编写程序。即使是即插即用的cloud 数据记录仪，也需要进行安装前的准备工作。 ZL6等即插即用型数据记录仪也需要进行安装前的准备工作，例如确保研究地点在信号塔范围内。

规划至关重要

研究人员应制定一份带地图的现场计划，并记住安装时间通常是他们想象的两倍。有了现场计划，就能大大减少人为错误，尤其是在时间紧迫的情况下。到达研究地点后，科学家可以根据计划进行安装，并在安装过程中记录对地图的调整。如果将来他们或其他同事需要找到并挖出有问题的传感器，这一步骤可以节省大量时间。为可能出错的事情制定备用计划也很重要。例如，如果某个深度的土壤岩石太多怎么办？或者，如果气象站或湿度传感器无法安装在两米处，该怎么办？研究人员需要考虑的是，如果他们的原计划行不通该怎么办，因为他们往往在数周或数月内都无法返回现场。

选址决定研究的成败

在选址之前，科学家们应该明确界定他们收集数据的目标。他们需要知道要如何处理数据，这样数据才能回答正确的问题。一旦明白了目标，研究人员就可以开始了解在哪里放置传感器。

研究人员在决定将传感器放置在何处时，面临的最有影响力的问题是可变性。例如，研究土壤的科学家需要了解坡度、方位、植被类型、深度、土壤类型和土壤密度等变化因素。如果他们研究的是树冠，则需要了解植物覆盖的异质性并进行相应的部署。如果研究人员要对数据进行比较，则需要对传感器的放置位置保持一致。这意味着，不同地点的地面高度或地下深度应保持一致。没有办法监控每一个变异源，因此研究人员应该监控最重要的变异源。如需更深入地了解变异性，请阅读 "土壤水分传感器：您需要多少个？

选址也应切合实际。研究人员需要尽可能频繁地查看数据（我们建议至少每月一次），以确保一切工作正常，因此数据记录器需要便于访问。蜂窝数据记录仪使数据访问变得更加容易，尤其是在偏远地区。将数据上传到cloud 意味着科学家们每天都可以在舒适的办公室里访问、共享数据并排除故障。

此外，在选择数据记录器位置时，应尽量避免过长的电线，以免在雷击时造成电压电位梯度。选择一个便于插入传感器的位置，并将多余的电缆用拉链绑在柱子上，以减轻应力，从而避免电缆被拉出记录仪。传感器插头拔出或连接断裂会给研究带来灾难性后果。

更多的元数据--更多的洞察力

研究人员在研究地点记录的元数据越多，他们就能更好地了解数据，从长远来看也能节省更多时间。一些数据记录仪，如 ZL6等一些数据记录器会自动记录重要的元数据，如 GPS 位置、气压和传感器序列号。此外，土壤温度或小气候监测等辅助测量也可以成为元数据的另一个来源。多功能气象站（如ATMOS 41）可自动记录天气事件，是基准或地面实况土壤湿度、水势或其他数据的重要途径。

为了记录现场仪器无法自动记录的现场信息，许多科学家发现，创建一份共享的现场特征描述工作表非常实用，他们可以利用该工作表为在现场工作的其他同事提供信息。对未来数据洞察和出版至关重要的元数据包括：土壤类型、土壤密度、覆盖类型、测量间隔、使用的原始数据和校准类型、有关灌溉系统的说明（如果有）、在哪个深度安装了哪些土壤水分传感器、有关选址原因的说明、可能影响数据收集的事件（如收获），或在分析数据时可能难以回忆的任何其他信息。这些信息在发布时将会非常重要，将其放在一个基于cloud 的共享位置将省去很多麻烦。

安装--精度的关键

如果科学家想要获得准确的数据，正确安装传感器应该是他/她的首要任务。例如，在土壤中测量时，密度的自然变化可能会导致 2% 到 3% 的精度损失，但安装不当可能会导致 10% 以上的精度损失。正确安装传感器并不需要额外的时间，因此研究人员应仔细阅读说明书（更多详细信息，请阅读 "土壤水分传感器：哪种安装方法最好？）传感器安装完毕后，在关闭钻孔或沟渠之前，请务必使用我们的手持式瞬时读数仪检查传感器。 ZSC进行检查，以确保读数准确。在收集了一季的不良数据后，再挖出传感器会很痛苦。

此外，一定要给每个传感器贴上标签，标明传感器类型、安装深度以及其他可能重要的信息。安装了数百个传感器的研究人员有时会购买一个电子标签设备给传感器贴上条形码，但胶带和永久性记号笔也可以。将标签塞进数据记录器内，以防风雨侵蚀。

维护 = 安心

不惜一切代价保护传感器对研究至关重要。研究人员必须将暴露在外的传感器电缆置于 PVC 管或柔性电线管内，并将其沿着数据记录器支柱延伸约 60 厘米（2 英尺）。这样可以防止啮齿动物或铲子的破坏。此外，用UV 耐拉链将电缆整齐地绑在柱子上，使其紧紧固定，但不会拉扯到数据记录器（确保有一些应力释放装置）。在实地考察时，最好也检查一下数据记录器的密封件，看看是否有裂缝。如果数据记录仪密封件出现裂纹，则可能不具备防风雨功能，应予以更换。请联系客户支持部门进行免费更换。

此外，研究人员应尽可能经常检查实际数据，以排除故障。一位科学家通过与同一高度的量子传感器进行比较，发现自己的高温计数据有误。只有通过查看实际值，他才发现一只鸟弄脏了他的太阳辐射传感器，使其在大部分研究中失去了作用。最后，他不得不计算量子传感器的数据，而量子传感器的精确度并不高。定期检查数据可以防止出现对研究项目不利的问题。新的 ZENTRA Cloud和 ZL6让研究人员每天都能排除故障并绘制数据图表。只需花两到三分钟的时间发现趋势或错误，就可以避免数周的数据丢失。

时间就是一切

与前代产品一样，它也是对数据进行平均处理。 ZL6和它的前身一样，都是对数据进行平均处理。因此，如果研究人员不想要平均值，就应该更频繁地记录数据。然而，生成大量数据并不一定能实现目标。重要的是捕捉并理解与研究假设相关的时间序列。如果研究人员试图了解土壤湿度的年度变化趋势，而他/她记录的是五分钟的数据，那么产生的大量数据将毫无用处，因为土壤湿度在一分钟内不会有太大变化。然后，研究人员不得不进行后处理，以稀释数据。不过，如果研究的目的是了解水开始渗入土壤的瞬间，那么捕捉一分钟或更短时间间隔的数据就至关重要。这些研究人员需要一个坎贝尔科学数据记录器，或者一个能够根据瞬间变化触发读取事件的记录器。然而，大多数人都高估了他们需要的数据量。在测量太阳辐射时，每 15 分钟一次就足够了。对于蒸散量，通常每半小时记录一次数据。在这些和许多其他情况下，每五分钟记录一次这样的短记录间隔可能过于频繁。

研究人员经常忘记的另一个重要步骤是匹配所有数据记录仪的时间测量频率。如果研究人员有两个数据记录仪每 15 分钟读取一次数据，而其他人设置了一个记录仪每小时读取一次数据，那么只能使用每小时的数据。

数据解读--跳出条条框框

如果科学家发现数据有误，并不一定是因为传感器坏了。通常，有趣的传感器读数能说明土壤或环境中发生了什么。数据解读有时很困难，研究人员可能需要回到现场才能了解真实情况。例如：在图 22 中，一个土壤水分传感器看起来可能坏了，但当科学家进行更仔细的调查时，他发现蒸散量高于渗透量。

此外，研究人员可能需要跳出条条框框来解读数据。他们可以尝试用几种不同的方式查看数据。 图 23 展示了传统的时间数据图表方式。在图 24 中，可以用完全不同的方式查看相同的数据。

研究人员还可以使用水分释放曲线将含水量数据转换为水势（见图 25）。

获得水势数据后，数据将如下所示：

用三种不同的方式绘制相同的数据，可能会揭示出研究人员在使用传统的时间图表时可能不会注意到的问题。

让数据为您服务

在实验过程中，多花一点时间把事情做对，就能节省大量的时间、精力和金钱。准备工作、规划、明确的研究目标、正确的选址、安装、维护、时间安排以及正确的数据解读，这些都能有效避免可能影响研究项目的典型数据错误。最终结果如何？可以发表或用于决策的数据。

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在下面的视频中，科林-坎贝尔博士讨论了ZENTRA Cloud 如何简化数据收集过程，以及为什么研究人员离不开它。然后，他现场演示了ZENTRA Cloud 的功能。

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如何解读土壤水分数据

深入了解土壤水分。在下面的网络研讨会中，科林-坎贝尔博士将讨论如何解读令人惊讶和有问题的土壤水分数据。他还讲授了在不同土壤、地点和环境条件下应注意的事项。