研究人员的土壤湿度完整指南
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研究人员的水潜力完整指南
测量水势所需的一切信息--水势是什么？ 它是什么、为什么需要、如何测量、方法比较。此外，您还可以通过土壤水分释放曲线看到测量结果。
密集型变量不随规模或情况的变化而变化
要了解水势以及为什么需要水势，就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湿度：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 1 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。如果我们让热棒与船接触，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。
进一步了解密集变量与广泛变量。
含水量并不能预测水是如何流动的
与热含量类似，含水量也是一个量。它是一个广泛的变量。它会随着大小和情况的变化而变化。请考虑以下悖论：
- 容积含水量相当低的土壤有大量植物可利用的水分，而含水量高的土壤则几乎没有水分。
- 重力将水从剖面向下拉，但水从地下水位向上进入土壤
- 处于平衡状态的相邻两块土壤的含水量可能相差很大
在这些和其他许多情况下，含水量数据之所以令人困惑，是因为它们无法预测水是如何运动的。水势测量的是水的能量状态，因此可以解释水运动的实际情况，否则就无法凭直觉判断。正如温度决定人的舒适度一样，水势决定植物的舒适度。如果知道水势，就可以预测植物在任何环境下是生长良好还是受到压力。
水势如何决定植物的舒适度
含水量并不是植物 "舒适度 "的指标，因为土壤、粘土、沙子、盆栽土和其他介质的持水量都不同。想象一下含水量为 30% 的沙子。由于表面积较小，沙子会过于潮湿，不利于植物的最佳生长，导致根部缺乏通气性，濒临饱和。现在考虑一下同样含水量为 30% 的细质粘土。粘土看起来只是湿润，但由于粘土表面结合了水分，使植物难以获得水分，因此远低于植物的最佳 "舒适度"。
水势测量清楚地表明了植物的可用水量，与含水量不同的是，水势测量有一个简单的参考范围--植物的最适水量大约在 -2 至 5 千帕之间，即非常湿润的一侧，到大约 -100 千帕之间，即最适水量较干燥的一端。低于此值，植物将处于缺水状态，而超过 -1000 千帕时，植物将开始受到影响。根据植物的不同，水势低于 -1000 至 -2000 千帕会导致植物永久枯萎。表 1 列出了某些作物的简易参考值。当水势保持在这一舒适范围内时，植物就不会受到压力，产量也会增加。
大多数应用都需要水势和含水量
水势强度测量并不能直接转化为储水量或需水量。灌溉管理和水平衡研究等应用中也需要含水量信息。更多信息，请阅读"何时浇水--双重测量揭开谜底"。
观看水势 101
在本次网络研讨会上，Doug Cobos 博士将区分水势和含水量，讨论水势的理论、应用和关键组成部分，以及水势对研究人员和灌溉管理的影响。
水势定义
水势是指将无穷小量的水从样本输送到纯净自由水的参照池所需的能量（单位水量）。要理解这意味着什么，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的、可利用的；而土壤中的水则被溶质稀释后结合在表面，并受到压力或张力的作用。事实上，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。而土壤水只能通过消耗能量来提取。土壤水势表示从土壤样本中提取水需要消耗多少能量。
土壤水势是一种差异属性。要使测量具有意义，必须指定一个参照物。通常指定的参照物是土壤表面的纯净自由水。该参照物的水势为零。环境中的水势几乎总是小于零，因为必须增加能量才能将水排出。
水潜力回答了两个关键问题
1.水的流动
水总是从高电位流向低电位。这就是热力学第二定律--能量沿着强度变量的梯度流动。如图 3 所示，水会从能量较高的位置流向能量较低的位置，直到两个位置达到平衡。例如，如果土壤的水势为 -50 kPa，水会向更负的 -100 kPa 移动，从而变得更加稳定。
2.植物可用水量
液态水从土壤流向根部并通过根部、植物木质部到达叶片，最终在叶片的叶下腔蒸发。这种流动的驱动力是水势梯度。因此，为了让水流动，叶片的水势必须低于土壤的水势。在图 4 中，土壤的水势为-0.3 兆帕，而根的水势稍负一些，为-0.5 兆帕。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，再通过叶片流出。而-100 兆帕的大气则是这一梯度的驱动力。
灌溉人员和科学家将水势传感器与含水量传感器结合使用，以了解植物的水分供应情况。在图 5 中，您可以观察到含水量下降的位置，以及植物开始承受压力的百分比。 还可以识别出土壤中的水分何时过多：含水量高于水势传感器开始感知植物压力的位置。 利用这些信息，研究人员可以确定植物的最佳含水量范围为 12% 至 17%。 任何低于或高于该范围的情况都属于水分过少或过多。
要进一步了解土壤水势如何指示植物的水分供应情况，请阅读 "何时浇水：双重测量揭开神秘面纱"。
水势名称、范围和单位
图 6 说明有不同的水势仪可以测量不同的范围。观看视频，了解如何将 METERLABROS 仪器结合起来，测量土壤水势的全部范围。在此了解有关如何测量水势以及哪些仪器用于何种目的的更多信息。
水势通常被称为水张力、土壤吸力和土壤孔隙水压力。我们通常使用压力单位来描述土壤水势，包括兆帕 (MPa)、千帕 (kPa)、巴和米水压 (mH2O)、厘米水压 (cmH2O) 或毫米水压 (mmH2O)。
水势实际上是用单位质量的能量来衡量的，因此官方单位应该是每公斤焦耳，但如果考虑到水的密度，单位就变成了千帕斯卡，因此我们通常用压力单位来描述水势。
水势成分
总水势是四个不同组成部分的总和。
- Matric potential（母势）：水与表面的结合
- 渗透势与水中溶质的结合
- 重力势能：水在引力场中的位置
- 压力势能：水的静水压或气压
如何计算水势
土壤水势是四个不同组成部分的总和：重力水势 + 基质水势 + 压力水势 + 渗透水势（公式 1）。
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 7 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。
入学潜力
产生母势的原因是水通过氢键和范德华力被大多数表面所吸引。土壤由小颗粒组成，提供了大量能与水结合的表面。这种结合力在很大程度上取决于土壤类型。例如，沙质土壤的颗粒较大，提供的表面结合点较少，而淤泥质土壤的颗粒较小，提供的表面结合点较多。
观看下面的视频，直观了解母电势的作用。
下图显示了三种不同类型土壤的水分释放曲线，说明了表面积的影响。含水 10% 的沙土具有较高的母势，生物和植物很容易获得水分。淤泥质壤土含水量为 10%，母势要低得多，可利用的水分要少得多。
母势始终为负或零，是非饱和状态下土壤水势的最重要组成部分。
点击此处了解更多有关水分释放曲线以及土壤水势和土壤含水量之间关系的信息。
张力计和TEROS 21都是土壤水势传感器，用于测量田间的母势。要了解哪种田间水势传感器适合您的应用，请阅读 "哪种土壤传感器最适合您？
渗透电位
渗透势描述了溶解在水中的溶质对水的稀释和结合作用。这种渗透势也总是负的。
只有当存在阻止溶质通过的半透屏障时，渗透势才会对系统产生影响。这在自然界中其实很常见。例如，植物根部允许水通过，但会阻挡大部分溶质。细胞膜也会形成一个半渗透屏障。一个不太明显的例子是空气-水界面，水可以以气相的形式进入空气，但盐分会被留在空气中。
如果知道水中溶质的浓度，就可以通过下式计算渗透势
其中，C是溶质浓度（摩尔/千克），ɸ是渗透系数（大多数溶质为-0.9 至 1），v是每摩尔离子数（NaCl= 2，CaCl2= 3，蔗糖= 1），R是气体常数，T是开尔文温度。
渗透势始终为负或零，在植物和某些受盐影响的土壤中非常重要。
引力潜能
重力势能是由于水在重力场中的位置而产生的。重力势可以是正的，也可以是负的，这取决于你所处的位置与土壤表面纯净的自由水的特定参照物的关系。重力势为
其中， G是重力常数（9.8 m s-2），H是参考高度到土壤表面（指定高度）的垂直距离。
压力潜能值
压力势能是施加或拉动水体的静水压或气压。这是一种更宏观的效应，作用于整个系统的较大区域。
在自然环境中，有许多正压潜能的例子。例如，任何地下水的表面下都存在正压。当你游入湖泊或水池时，就能亲身感受到这种压力。同样，当您移动到地下水位以下时，也会产生压头或正压势。植物的凝固压和动物的血压也是正压势的两个例子。
压力势能的计算公式为
其中，P 是压力（帕），PW是水的密度。
虽然压力势通常是正的，但也有一些重要的情况并非如此。其中一个例子是在植物中，木质部的负压势将水从土壤中吸上来，通过根部进入叶片。
水势和相对湿度
水势和相对湿度通过开尔文方程相关联。如果您知道温度和湿度，就可以使用该方程计算水势
其中，Ψ是水势（兆帕），HR是相对湿度（无单位），R是通用气体常数（8.3143 J mol-1K-1），MW是 水的质量（18.02 克/摩尔）， T是开尔文温度。
什么是水势？需要记住的要点
水势
- 描述水在环境中的能量状态
- 确定生物可获得的水量
要点
- 水总是从高电位流向低电位
- 这就是热力学第二定律--能量沿着强度变量的梯度流动
在此查找 "什么是水势 "问题的更多答案：返回水势主页或向专家咨询如何在应用中使用水势。
供进一步研究的土壤水分潜力参考文献
Kirkham, Mary Beth.土壤与植物水分关系原理》。学术出版社，2014 年。图书链接
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.书籍链接
Hillel, Daniel.土壤物理学基础》。学术出版社，2013 年。图书链接
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.
观看水势 201
科林-坎贝尔博士的网络研讨会 "水势 201：选择正确的仪器 "涵盖水势仪器理论，包括测量水势的挑战以及如何选择和使用各种水势仪器。
哪种水势法适合您？
从本质上讲，水势的主要测量方法只有两种- -张力计和蒸汽压法。张力计在湿的范围内工作--特殊的张力计可以延缓水的沸点，测量范围从 0 到大约 -0.2 兆帕。蒸汽压力法在干范围内工作--从大约 -0.1 兆帕到 -300 兆帕（0.1 兆帕为 99.93% 相对湿度；-300 兆帕为 11%）。
历史上，这些范围并不重叠，但最近张力计和温度感应技术的进步改变了这一状况。现在，熟练的用户凭借出色的方法和最好的设备就可以在实验室测量整个水势范围。
不过，我们也有理由考虑使用辅助测量方法。蒸汽压力法在现场并不实用，而张力计的精确度必须通过持续、仔细的维护来保证（尽管张力计有自充气版本）。
此外，还应该了解一些传统方法，如石膏块、压力板和滤纸。本节将简要介绍每种方法的优点和局限性。
压力板
压力板于 20 世纪 30 年代由 L.A. Richards 推出。它实际上并不测量样品的水势。相反，它通过对样品施加压力，让多余的水通过多孔陶瓷板流出，从而使样品达到特定的水势。当样品达到平衡时，其水势将与施加的压力相当。
压力板通常用于绘制土壤水分特征曲线。一旦土壤样本在压力下达到特定的水势，研究人员就可以将样本从压板上取下并烘干，以测量其含水量。在压力板仪器中以不同的压力进行这些测量，就能得出土壤水分特征曲线。
压力板的精度非常重要，因为它们通常用于校准其他二次测量方法。
压力板存在平衡问题
为了用压力板绘制准确的水分释放曲线，必须确保样品在指定压力下完全达到平衡。包括 Gee 等人（2002 年）、Cresswell 等人（2008 年）以及 Bittelli 和 Flury（2009 年）在内的多位评论家都指出了这一假设存在的问题。
造成误差（尤其是在低水势条件下）的原因可能是压水板陶瓷中的孔隙堵塞、样品内部的流动受限、土壤收缩导致压水板与土壤之间失去水力接触，以及压水板上的压力释放后重新吸水。在低水势条件下，低水力传导性会导致平衡需要数周甚至数月的时间。Gee 等人（2002 年）测量了在 15 巴压力板上平衡 9 天的样本水势，发现水势为-0.5 兆帕，而不是预期的-1.5 兆帕。尤其是在构建水分释放曲线以估算水力传导性和确定植物可用水分时，在水势低于 -0.1 兆帕（-1 巴）的压力板上进行测量会造成很大误差（Bittelli 和 Flury，2009 年）。
此外，Baker 和 Frydman（2009 年）从理论上确定，土壤基质在正压下的排水方式与在吸力下的排水方式不同。他们推测，利用吸力达到的平衡含水量将与自然条件下的平衡含水量大不相同。尽管还需要进一步测试，但轶事证据似乎支持这一观点。最终，压力板在湿度范围（0 到 -0.5 兆帕）内的精度可能足以满足某些应用的需要，但其他方法可以提供更好的精度，这在使用数据建模或校准时可能尤为重要。
蒸汽压力法
WP4C 露点湿度计是目前市场上使用这种技术的少数几种仪器之一。与传统的热电偶湿度计一样，露点湿度计也是在密封的腔体内平衡样品。
室内的一面小镜子被冷却，直到上面开始结露。在露点处，WP4C 以 0.001 oC 的精度测量镜子和样品的温度，从而确定样品上方水汽的相对湿度。
优势
这种露点湿度计的最新版本在 -5 至 -300 兆帕之间的精度为 ±1%，而且使用相对简单。许多类型的样品都可以在五到十分钟内完成分析，但湿样品需要更长的时间。
局限性
在高水势下，饱和蒸汽压与样品室内蒸汽压之间的温差会变得非常小。
由于温度测量分辨率的限制，蒸汽压力法可能永远无法取代张力计。
露点湿度计的量程为 -0.1 至 -300 兆帕，但使用特殊技术可读取 -0.1 兆帕以上的读数。对于 0 至 -0.1 兆帕的读数范围，张力计仍然是最佳选择。
张力计和风力/辛德勒技术
该仪器是一种独特的实验室仪器。 HYPROP是一种独特的实验室仪器，使用 Wind/Schindler 蒸发法绘制土壤水分释放曲线，水势在张力计范围内。
Hyprop 使用两个精密的微型张力计测量饱和的 250cm3土壤样本中不同水平的水势，同时将样本放在实验室天平上。随着时间的推移，样品逐渐变干，仪器同时测量变化的水势和变化的样品重量。它可根据重量测量值计算出含水量，并绘制出水势变化与含水量变化的相关曲线。
对结果进行验证，并根据选定的模型（即 van Genuchten/Mualem、双峰 van Genuchten/Mualem，或 Brooks 和 Corey）计算干范围和饱和度值。
优势
Hyprop 具有很高的精确度，可在湿度范围内生成完整的水分释放曲线。该曲线需要三到五天才能完成，但仪器可在无人看管的情况下运行。
局限性
Hyprop虽然微型张力计具有沸腾延缓功能，可用于测量 -250 千帕（-0.25 兆帕）以上的压力，但其量程受到张力计量程的限制。
低于 -250 kPa 时，张力计会产生气穴。功率用户可以选择在陶瓷张力计杯的空气进入点（-880 千帕；-0.88 兆帕）处为曲线添加一个最终点。
张力计
水势，顾名思义，就是测量样本中的水与参考纯净水池中的水之间的势能差。张力计就是这一定义的具体化。
张力计管内有一个（理论上）纯净的自由水池。该水池（通过透水膜）与土壤样本相连。根据热力学第二定律，水会从蓄水池流向土壤，直到膜两侧的能量相等为止。这就在管道中形成了真空。张力计使用负压计（真空计）来测量真空的强度，并用压力来描述水势。
优势
张力计可能是最古老的水势仪（最初的概念至少可以追溯到 1908 年的利文斯顿），但它仍然非常有用。事实上，在湿润范围内，熟练使用高质量的张力计可以获得极高的精度。
局限性
张力计的量程受限于管内水承受真空的能力。虽然水基本上是不可压缩的，但水面上的不连续性（如边缘或砂砾）提供了成核点，在这些点上，水的强键被破坏，并发生空化（低压沸腾）。大多数张力计在 -80 kPa 左右发生空化，正好处于植物可用范围的中间。
然而，德国METER Group Ag 公司凭借精密的德国工程技术、细致的构造和对细节的狂热追求，制造出了堪称现代经典的 张力计 。 这些张力计具有极高的精确度，其量程（如果操作人员细心操作）可以达到 -250 kPa。
辅助方法：利用水分特性
含水量往往比水势更容易测量，但由于这两个值是相关的，因此可以通过测量含水量来找到水势。
显示水被特定土壤基质吸附和解吸时水势如何变化的图表称为水分特征曲线或水分释放曲线。
每一种能保持水分的基质都有其独特的水分特征，就像指纹一样独特而鲜明。在土壤中，即使是成分和质地上的微小差异也会对水分特征产生重大影响。
一些研究人员为特定类型的土壤制定了湿度特征，并利用该特征从含水量读数中确定水势。母势传感器利用热力学第二定律，采用了一种更简单的方法。
母电位传感器
母势传感器使用具有已知湿度特征的多孔材料。由于所有能量系统都趋于平衡，多孔材料将与周围土壤达到水势平衡。
利用多孔材料的湿度特性，就可以测量多孔材料的含水量，并确定多孔材料和周围土壤的水势。水势传感器使用各种多孔材料和几种不同的方法来确定含水量。
精度取决于定制校准
在最好的情况下，母电位传感器具有良好的准确性，但并不出色。最差的情况下，这种方法只能告诉您土壤是变湿了还是变干了。传感器的准确性取决于为多孔材料开发的湿度特性的质量和所用材料的均匀性。为获得良好的精度，应使用主要测量方法对所用的特定材料进行校准。这种方法的灵敏度取决于含水量随水势变化的速度。精度取决于含水量测量的质量。
精度还可能受到温度敏感性的影响。这种方法依赖于等温条件，而等温条件很难实现。传感器和土壤之间的温度差会导致重大误差。
范围有限
所有母质电位传感器都受到导水性的限制：随着土壤越来越干燥，多孔材料需要更长的时间才能达到平衡。含水量的变化也变得很小，难以测量。在潮湿的一端，传感器的测量范围受到所用多孔材料的空气进入电位的限制。
滤纸
滤纸法是 20 世纪 30 年代由土壤科学家开发的一种替代方法。使用一种特定类型的滤纸（惠特曼 42 号无灰滤纸）作为多孔介质。样品与滤纸介质一起平衡。样品与滤纸在恒温的密封室内进行平衡。使用干燥箱测定滤纸的重力含水量，并根据滤纸的预定湿度特性曲线推断水势。Deka 等人（1995 年）发现完全平衡至少需要 6 天。
范围
如果让滤纸充分平衡，通常认为滤纸的工作范围可低至 -100 兆帕。然而，如图所示，当水势接近零时，温度梯度造成的误差会变得特别大。
这种方法既便宜又简单，但并不准确。它需要等温条件，而等温条件很难实现。微小的温度变化就会造成很大的误差。
市售母电位传感器
石膏砌块：便宜又简单
石膏块通常被用作灌溉事件的简单指示器。石膏块测量的是石膏块对周围土壤变化做出反应时的电阻。电阻与水势成正比。
优势
石膏砌块非常便宜，而且相当容易使用。
缺点
读数与温度有关，精度很低。此外，石膏会随着时间的推移而溶解，尤其是在盐碱土中，从而失去其校准特性。石膏块可以告诉你湿度或干度，但没有更多信息。
粒度矩阵传感器：简单便宜，但精度有限
与石膏砌块一样，颗粒矩阵传感器测量多孔介质中的电阻。但它们使用的不是石膏，而是由合成膜和不锈钢保护网包围的颗粒状石英。
优势
与石膏砌块相比，粒状母质传感器的使用寿命更长，在较潮湿的土壤条件下也能正常工作。可以通过测量和补偿温度变化来提高性能。
缺点
测量结果与温度有关，精度较低。此外，即使土壤与传感器接触良好，粒状基质传感器在平衡到非常干燥的条件后也会出现再湿润问题，因为水从细土进入粒状基质粗介质的能力降低了。由于基质的空气进入潜能，湿端传感器的量程受到限制。只有当基质中最大的孔隙开始排水时，粒状基质传感器才能开始测量含水量/电位。 此外，这些传感器使用的石膏颗粒会随着时间的推移而溶解，长期稳定性较差。
陶瓷传感器
陶瓷传感器使用陶瓷盘作为多孔介质。传感器的质量取决于陶瓷的特殊品质。
由于每个圆盘都具有某种独特的湿度特性，因此精度受到限制。陶瓷材料的均匀性可以提高精确度，但会大大限制测量范围。对每个传感器进行定制校准可显著提高精度，但非常耗时。最近校准技术的创新可能会提供更好的商业校准方案。
在湿端，量程受到陶瓷的空气进入电位的限制。只有当陶瓷中最大的孔隙开始排水时，陶瓷传感器才能开始测量水含量/水势。 在干燥端，量程受到小孔隙所包含的总孔隙率的限制，这些小孔隙在低水势时会排水。
两种类型：
散热传感器
散热传感器通过测量陶瓷的热导率来测量陶瓷的含水量。它使用一个装有加热器和热电偶的陶瓷圆筒，测量基线温度，加热几秒钟，然后测量温度变化。通过绘制温度变化与对数时间的关系曲线，可以确定陶瓷的含水量。利用陶瓷盘的湿度特性，可将湿度转化为水势。需要注意的是，由于传感器是加热的，因此必须由电力储备较大的系统供电（如 Campbell Scientific 数据记录器或类似设备）。
准确性
除非单独定制校准，否则热耗散传感器只能达到中等精度。
范围
在非常干燥的一端，热导率曲线有很大的灵敏度，这使得散热传感器在干燥范围（-1 至 -50 mPa）内有更大的用途。 而在湿端，散热传感器则受限于陶瓷的进气潜能。
介电垫电位传感器
介电垫电位传感器通过测量陶瓷盘的电荷储存能力来确定其含水量。然后，它们利用圆盘的湿度特性将含水量转换为水势。
由于采用了介电技术，传感器对水中的微小变化非常敏感。与所有基于陶瓷的传感器一样，母电势传感器需要进行定制校准才能获得良好的精度。
优势
介电垫电位传感器功耗低，无需维护。
缺点
在没有校准的情况下，传感器的精度仅为读数的 ±40%。不过，最近一种定制校准版传感器的精度可达读数的 ±10%。
有关如何测量水势的更多资源
- Gee, Glendon W., Anderson L. Ward, Z. F. Zhang, Gaylon S. Campbell, and J. Mathison."水力非平衡对压力板数据的影响"。Vadose Zone Journal1, no：172-178.
- H. P. Cresswell、T. W. Green 和 N. J. McKenzie。"确定土壤保水性的压力板装置的适当性"。美国土壤科学学会期刊》第 72 期，第 1 号（2008 年）：41-49.
- Bittelli, Marco, and Markus Flury."用压力板测定的保水曲线的误差"。美国土壤科学学会会刊73, no.5 (2009):1453-1460.
- Baker, Rafael, and Sam Frydman."非饱和土壤力学：对物理基础的严格审查"。工程地质学》第 106 期，第 1 号（2009 年）：26-39.文章链接。
- Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. Mtakwa, C. E. Mullins, E. M. Veenendaal, and J. Townend."滤纸技术在测量土壤母质势方面的应用和准确性"。European Journal of Soil Science46, no：233-238.文章链接。
观察水势 301
Leo Rivera 教授利用湿端张力计数据 ( ) 和干端露点数据 ( ) 绘制土壤水特性曲线所需的技能。HYPROP）和干端露点数据（WP4C)在中间实际吻合。
这些技术有可能使研究人员的仪器超越其规格。了解与这些测量有关的问题，包括滞后的影响以及进入湿范围后所需的样品制备方法的变化。
水势作用
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、有机质含量和孔隙结构的实际构成，这些变量在不同地点和不同土壤中都会有所不同。
图 9 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，在图 1 中，您可以看到每种土壤类型的永久枯萎点（右侧垂直线）的含水量都不同。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。
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。
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 10 中，如果下面的三种土壤是含水量为 15% 的不同土壤层，那么壤质细沙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 11 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 12 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）。通过这些曲线，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（获取实时演示），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，从而轻松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。
实验室曲线--现在比以往任何时候都更容易
15-20 年前，在实验室里绘制完整、详细的土壤水分释放曲线需要花费数月时间，但现在我们已经取得了长足的进步。为什么？
水分释放曲线一直有两个薄弱环节：0 至 -100 kPa 之间的数据跨度有限，而 -100 kPa 至 -1000 kPa 之间则没有仪器可以进行精确测量。在 0 到 -100 千帕之间，土壤会失去一半或更多的含水量。使用压力板为这部分的水分释放曲线创建数据点，意味着该曲线仅基于五个数据点。
这就是差距。最低的张力计读数在-0.085 兆帕时中断，而历史上最高的 WP4 水势测量仪量程勉强达到-1 兆帕。这就在植物可用范围的正中间留下了一个缺口。
2008 年，德国METER Group AG 发布了HYPROP ，该仪器能够在 0 至 -0.1 MPa 范围内生成 100 多个数据点。这就解决了分辨率问题，该曲线部分后面的数据量是原来的 20 多倍。
2010 年，METER Group 发布了重新设计的WP4C 水势仪。现在，WP4C 的精度和量程都有了显著提高，可以读出张力计量程以内的良好读数。使用 HYPROP与重新设计的 WP4C，熟练的实验人员现在可以做出完整的高分辨率水分释放曲线。有关如何在实验室制作完整的土壤水分释放曲线的深入信息，请参阅我们的《水分释放曲线应用指南》。
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。
想了解如何在您的应用中使用土壤水分释放曲线？请联系我们--我们的土壤科学家拥有数十年帮助研究人员测量土壤-植物-大气连续体的经验。或观看我们的土壤水分释放曲线网络研讨会：土壤水分 201：水分释放曲线--揭秘。
水潜力：一段历史
了解土壤中的非饱和水流
上世纪初，美国农业部土壤局（BOS）聘请了几位纯物理学家来解决农业中令人困惑的问题。埃德加-白金汉就是其中之一。1902 年，白金汉来到土壤局工作时，他已经撰写了一本关于热力学的教科书。他在土壤局的第一个实验涉及土壤中的气体传输，但最终他开始考虑土壤中的非饱和水流问题，这也是他对土壤物理学做出最大贡献的地方。
作为一名古典物理学家，白金汉利用数学来研究水在土壤中流动的奥秘和困惑。白金汉意识到含水量并不能驱动非饱和土壤中的水流，他面临的挑战是如何描述驱动水流的力。他非常熟悉电场和热力场及其产生的通量。他称之为 "毛细管传导性 "的梯度在土壤中产生了驱动力，而这些概念可以很好地模拟这种驱动力。白金汉使用欧姆定律和傅里叶定律来描述这种通量。
1902:埃德加-白金汉来到土壤局工作。他在热力学方面的经验帮助我们开始了解土壤中的非饱和水流。
1930s:L.A. Richards 开发出压力板，这是最早能够有效测量 "毛细管电导率 "的仪器之一。
1940s:L.A. Richards 和 John Monteith 发表论文，介绍如何使用热电偶湿度计测量土壤样本的水势。
1951:斯潘纳（D.C. Spanner）首次成功演示使用热电偶测压计测量土壤中的水势。
1983:METER 推出首款商用热电偶压力计（SC-10，后称为 TruPsi）。
在实验室测量水势
虽然埃德加-白金汉早在 1907 年就描述并演示了 "毛细管电导率"，但他离有效测量毛细管电导率还很遥远。第一个能够做到这一点的仪器是 L.A. Richards 在 20 世纪 30 年代发明的 压力板。压力板并不测量样品的水势。相反，它能将样本带到特定的水势。仪器施加压力，迫使水从样品中流出，进入多孔陶瓷板。当样本达到平衡时，理论上其水势将与施加的压力相等。
一旦土壤样本在压力下达到特定的水势，研究人员就可以测量相关的含水量。通过在不同压力下进行这些测量，可以得出土壤水分特征。
蒸汽方法
在压力板问世十多年后，美国的 L. A. Richards 和英国的 John Monteith 相继发表论文，介绍了如何使用热电偶湿度计测量土壤样品的水势，方法是在密闭的室内用水蒸气平衡样品并测量水蒸气的相对湿度。在平衡状态下，水蒸气的相对湿度与样品的水势直接相关。
1818 年，德国发明家恩斯特-费迪南德-奥古斯特（Ernst Ferdinand August，1795-1870 年）创造了 psychrometer 一词，在希腊语中的意思是 "冷测量器"。湿度计由两个相同的温度计组成。一个（干球温度）保持干燥，另一个（湿球温度）保持饱和。湿球温度和干球温度之间的温差可用来计算空气的相对湿度。
热电偶压力计
第一批用于测量土壤样本上方相对湿度的湿度计必须非常小。两个温度计是由微小而脆弱的热电偶制成的。热电偶是一种温度传感器，由两根不同的导体连接而成。热电偶将温度梯度转化为电能，通过测量电能来确定温度的变化。
1951 年前，D.C. 斯潘纳首次成功地使用热电偶灵敏度计测量水势，但这是一项困难的测量。为了得到他想要的结果，斯潘纳不得不自己用锑化铋制作导线--据约翰-蒙泰斯（John Monteith）说，多年来，罗森史特德的通风橱上一直留有这些实验的痕迹。
其他人很难重复他的测量结果。样本需要长达一周的时间才能达到平衡，而此时脆弱的热电偶往往只能读取一个样本的数据，然后就会损坏。尽管如此，到 1961 年，理查兹明确地将蒸汽法视为水势测量的未来（理查兹和绪方，1961 年）。
1983 年，Decagon（现为 METER）推出了其首款商用热电偶压力计（SC-10 热电偶压力计样品转换器，即后来的 TruPsi）。该仪器使用精密热电偶，但将其保护在密封外壳内。九个样品同时平衡，并在热电偶下旋转进行测量。
每次测量前，湿球热电偶都要浸入一个小水池中。热电偶的电子输出被发送到纳米伏特表，必须对其进行监测，以确定温度何时停止变化。
露点水势测量仪
20 世纪 90 年代末，Decagon（现为 METER）开始生产WP4C 露点电位计，这是一种利用蒸汽压力测量水势的改进方法。与湿度计一样，它测量的是密封在腔体内的样品上方的蒸汽压力。这两种仪器都是基于热力学原理的主要方法。
与湿度计不同，露点电位计使用冷镜露点传感器。室内的一面小镜子被冷冻，直到上面开始结露。在露点处，WP4C 以 0.001 °C 的精度测量镜子和样品的温度，从而确定样品上方水蒸气的相对湿度。样品的水势与样品温度和露点温度之差呈线性关系。
露点传感器有几个优点。它速度更快，即使操作人员相对不熟练，也能进行精确测量。此外，冷镜传感器不需要加水，因此不会增加样品上方水汽的含水量。
这种测量方法的优势在于，它是根据热力学原理而不是校准来确定水势的主要方法。
该仪器的最新版本可将温度分辨到千分之一度，从而可以测量湿度为 -0.5 兆帕的样品，而且精度极高。
有问题吗？
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