贡献者

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。

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。压力板并不测量样本的水势（土壤吸力）。相反，它能将样本带到特定的水势。仪器施加压力，迫使水从样本中流出，进入多孔陶瓷板。当样本达到平衡时，理论上其水势将等同于施加的压力。

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。

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