贡献者

哪种水势传感器适合您？

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几周甚至几个月的时间。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 250^cm3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。

张力计管内装有一池（理论上）纯净的自由水。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 制造的 张力计 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，成为现代经典。 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

除非经过单独定制校准，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%。

水势 201：选择正确的仪器

科林-坎贝尔博士的网络研讨会涵盖水势仪理论，包括测量水势的挑战以及如何选择和使用各种水势仪。

有关如何测量水势的更多资源

1. 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.文章链接。
2. 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.文章链接。
3. 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.文章链接。
4. 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。
5. 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。

专业测量水势

下载 "研究人员水潜力完整指南"。

有问题吗？

我们的科学家拥有数十年帮助研究人员和种植者测量土壤-植物-大气连续体的经验。

• 咨询专家
• 索取报价

参加我们的土壤湿度大师班

六段简短的视频将向您传授有关土壤含水量和土壤水势的所有知识--以及为什么要同时测量它们。 此外，您还可以掌握土壤导水性的基础知识。

立即观看