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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，而土壤水分（即土壤水含量/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定义，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

大多数人在研究土壤湿度时只考虑一个变量：土壤含水量。但要描述土壤中水的状态，需要两类变量：含水量和水势，前者是水的数量，后者是水的能量状态。

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。

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）。

饱和度：不是你想的那样

就体积含水量而言，烘干土壤的体积含水量定义为 0%。这是一个定义端点。而纯水的另一端是 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 6 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，请将 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 3）。

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 7 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 8 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 9 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。

表 2.不同土壤质地的代表性田间容重和永久枯萎点

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

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度分布的仪器。

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 10 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。更多相关信息，请参阅文章："为什么土壤水分不能告诉您需要知道的一切？但是，如果您想知道何时浇水或土壤中为植物储存了多少水，您可能需要同时测量含水量和水势。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"。

哪种含水量传感器最适合您的应用？

在这个 20 分钟的网络研讨会上，科林-坎贝尔博士将为您揭开土壤 含水量测量方法之间的区别。他探讨了科学测量理论以及每种方法的优缺点。他还解释了哪种技术适用于不同类型的实地研究，以及为什么现代传感技术不仅仅是传感器。

学习： 

• 重力测量法、电容、时域反射测量法 (TDR)、时域传输法 (TDT)、频域反射测量法 (FDR)、电阻传感器等背后的测量理论
• 哪种技术适用于不同的现场情况
• 选择传感器类型时应考虑哪些因素
• 为什么有些方法不是研究级的
• 现代传感技术不仅仅是传感器的问题
• 如何为您的独特应用确定良好的性价比

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。(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.(图书链接）

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.(图书链接）

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。