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您应该选择哪种土壤水分传感器？

Deciding how to measure soil moisture can be complicated, but METER’s easy, plug and play soil sensors simplify the process. When choosing a METER soil moisture sensor, the first thing to know is that all METER soil sensors have the same research-grade accuracy with minimum sensitivity to salts (<10 dS/m bulk EC), temperature gradients, and soil texture. Among the thousands of peer-reviewed publications using METER soil sensors, no soil moisture sensor or water potential sensor emerges as the favorite. Thus sensor choice should be based on your needs and application. Use the following considerations to help identify the perfect soil moisture sensor or water potential sensor for your research.  Explore the links for a more in-depth look at soil moisture definitions, terms, and topics.

如何测量土壤湿度--选择正确的测量方法

体积含水量

如果要测量土壤中水分含量（或百分比）的升降，就需要一个含水量传感器（土壤水分传感器）。土壤由水、空气、矿物质、有机物，有时还有冰组成（图 1）。 作为其中的一种成分，水占总成分的一定比例。要直接测量土壤含水量，可以通过将水的质量与其他成分的总质量进行比较，计算出基于质量的百分比（重量含水量）。 不过，由于这种方法耗费大量人力，因此大多数研究人员使用土壤水分传感器来自动进行基于体积的测量，称为体积含水量（VWC）。

METER土壤水分传感器采用高频电容技术测量土壤的体积含水量，即测量与土壤总体积相比的体积含水量。 通常需要土壤水分传感器的应用领域包括流域特征描述、灌溉调度、温室管理、施肥管理、植物生态学、水平衡研究、微生物生态学、植物病害预测、土壤呼吸、水文学和土壤健康监测。点击此处了解有关体积含水量的更多信息。

水势

如果需要了解植物可利用的水分、植物水分胁迫或水分移动（水分是否会移动以及移动到哪里），除了土壤水分传感器外，还需要水势土壤传感器。水势是对土壤中水的能量状态的测量，换句话说，就是水与土壤表面结合的紧密程度。这种张力决定了根系是否可以吸收水分，并提供了植物生长是否需要水分的范围。此外，水总是从高水势向低水势流动，因此研究人员可以利用水势来了解和预测水的流动动态。 点击此处了解更多有关水势的信息。

下载 "研究人员水潜力完整指南"

了解土壤类型和质地

在土壤中，土壤颗粒之间的空隙（孔隙）可以简单地看作是一个毛细管系统，其直径由相关颗粒的大小及其空间关联决定。 这些毛细管的尺寸越小，由于表面的关联，水就越能被紧紧地吸住。

在含水量相同的情况下，粘土比沙子更能紧紧地抓住水，因为粘土含有更小的孔隙，因此有更大的表面积供水结合。但即使是沙子，最终也会干到表面只有一层薄薄的水膜，水也会被紧紧地结合在一起。 原则上，水离表面越近，结合得越紧。由于水在沙质土壤中结合松散，所以水量会很快消耗和补充。 粘土把水紧紧地粘在一起，水的流动很慢。不过，仍有可用的水。

注：使用 PARIO土壤质地分析仪自动识别土壤类型和质地。

两次测量胜过一次测量

在所有土壤类型和质地中，土壤水分传感器都能有效测量水分百分比。双重测量--使用两种类型的土壤传感器：水势土壤传感器和土壤水分土壤传感器--为研究人员提供了土壤水分的总体情况，在确定何时浇水以及浇水量方面更为有效。 含水量 数据能显示每天吸水量的微妙变化，还能显示需要浇多少水才能将根区保持在最佳水平。 水势数据可确定特定土壤类型和质地的最佳水平。 点击此处了解更多相关信息。

通过水分释放曲线了解全局

同时测量含水量和水势还可以绘制原位 土壤水分释放曲线（或土壤水特征曲线），如下图（图 5）所示，该曲线详细描述了水势和含水量之间的关系。 科学家和工程师可以在实验室或野外评估这些曲线，了解土壤的许多情况，如水力传导性和总水可用性。点击此处了解有关土壤水分释放曲线的更多信息。

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选择合适的土壤水分传感器

预期寿命很重要

对于研究人员来说，了解实验的持续时间非常重要，这样他们就可以选择一款符合预期的土壤水分传感器。 METER 的 10HS土壤水分传感器和 EC-5土壤水分传感器和土壤水分传感器采用包覆成型技术，在野外一般使用情况下可持续约 3 至 5 年（在温暖/潮湿条件下使用时间较短）。坚固耐用的TEROS 11、TEROS 12、TEROS 10 和TEROS 54土壤传感器采用升级的聚氨酯（环氧树脂）填充物，使用寿命是标准传感器的两倍。实验室测试表明，在电路板进水之前，这些传感器的使用寿命可达 10 年以上。如果研究环境是热带-温暖-典型的潮湿环境，请务必选择长寿命传感器。

哪种传感器用于什么目的？

METER 的土壤水分传感器对温度的敏感度极低，但如果安装深度较浅且安装地点暴露在外，则需要考虑温度的影响。TEROS 11 和TEROS 12 土壤水分传感器以及TEROS 54土壤水分剖面探头带有一个板载热敏电阻，可在测量土壤水分的同时测量温度。这样就无需在每个测量点额外安装温度传感器。TEROS 54 剖面探头可测量多个深度插拔点的土壤水分含量和土壤温度，使您可以利用每个数据记录器端口进行更多测量。

除了含水量之外，还想测量体积导电率(EC) 的研究人员应选择TEROS 12土壤湿度传感器。这种传感器使用户能够测量土壤中的盐分和肥料对体积导电率的反应。导电率测量要求传感器上的不锈钢电极与土壤接触良好。

对于土壤湿度测量，许多科学家更喜欢TEROS 10。 它易于安装、价格低廉、性能可靠，非常适合需要大量传感器的大型项目。在难处理的土壤（硬土或岩石土）、盆栽土壤和无土栽培介质中，我们建议使用TEROS 系列传感器，以保持良好的土壤接触并补偿土壤或基质中的空气间隙。

所有 METER 土壤水分传感器均可与 METER数据记录仪即插即用。它们还可与使用SDI-12 协议的第三方记录仪集成。使用 ZL6从远程站点轻松采集数据，也可手动下载数据。

METER 含水量传感器与其他方法的比较

在这一 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差异的神秘面纱。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

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（水在土壤中流动的速度）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。科学家通常会测量不同深度的土壤水分，以了解土壤变化的影响，并观察水分在土壤剖面中的流动情况。大面积的研究区域或变化较大的地点通常需要大量的土壤水分传感器。 土壤水分传感器 EC-5对于需要大型土壤传感器网络的科学家来说，土壤水分传感器或TEROS 10土壤水分传感器是经济实惠的选择。TEROS 11 土壤水分传感器和TEROS 12 土壤传感器是我们最新推出的传感器，具有更大的影响容积（1 升），有助于平滑变化。

安装影响数据

METER 的高质量研究级传感器可提供出色的数据，但用户在准备安装时必须了解现场情况。所有介质探头的灵敏度都最高。

探头与土壤之间的任何接触损失或传感器测量范围内土壤的压实都会导致测量误差。地表积水和探头安装孔内的积水也会导致测量误差。 在为特定地点或土壤类型选择最佳安装方法时，这些都是需要考虑的问题，这意味着土壤水分传感器的针形、尺寸和耐用性在困难的土壤中非常重要。 新的 TEROS Borehole Installation Tool与TEROS 系列传感器配合使用，可消除空气间隙、土壤扰动和优先流。观看视频，了解其工作原理。

如果土壤岩石太多或太硬，传感器与土壤接触不良，可以考虑使用TEROS 21水势传感器。可以使用土壤水分释放曲线从水势数据中计算出含水量，并将TEROS 21 回填或填入土壤中。TEROS 10、11 或 12 个土壤水分传感器与安装工具一起使用，是我们对困难土壤的一致推荐。

土壤水分传感器需要更高的精度？

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、质地和盐度的变化，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。

选择合适的现场水势传感器

水势测量的好坏主要取决于选择正确的仪器并熟练使用。 在理想的世界里，只有一种仪器能够简单、准确地测量水势从湿到干的整个范围。 在现实世界中，有各种各样的仪器，每种仪器都有明确的测量范围。图 7 显示，METER 的TEROS 21水位传感器可用于测量植物可用水量范围内的水位（田间持水量至空气干燥）。TEROS 22水位传感器与TEROS 21 相似，但安装过程更简单（无需挖沟）。TEROS 21 和TEROS 22 都可以测量整个湿度范围。实验室和实地测试表明，这些传感器可以以可接受的精度测量水势，至少可以测量到永久枯萎点的干湿度。张力计 在湿度范围内测量水势的精度要高得多，而湿度是水运动最多的地方。只有张力计能够直接测量高水势范围。

科林-坎贝尔博士的网络研讨会（如下）"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。

母电位传感器

METER 的TEROS 21和TEROS 22水位传感器由含水量传感器和具有已知水分释放曲线的多孔基质组成。多孔材料与周围土壤平衡后，水分传感器测量多孔材料的含水量，传感器利用水分释放曲线将含水量转化为水势。

• 量程与精度：矩阵电位传感器的量程取决于多孔基体中孔隙大小的变化；孔隙大小范围越宽，测量范围就越大。 市场上销售的陶瓷具有均匀的孔径，这就限制了其量程。TEROS 21 和TEROS 22 使用专门设计的宽孔径分布陶瓷，测量范围更广。 然而，传感器的准确性取决于该传感器的水分释放曲线对多孔基质的描述。不同传感器的基底越一致，每个传感器的精度就越高。 孔隙大小的巨大差异会导致传感器之间的不一致性，从而使传感器的这两个关键目标发生冲突。
• 校准解决方案：这种冲突可以通过在工厂校准每个传感器来解决。 然而，这一直是一个耗时且昂贵的过程。TEROS 21 和TEROS 22 的精度来自于突破性的工厂校准方法，该方法允许使用自动校准设备对传感器进行单独校准。 这些新技术使TEROS 21 和TEROS 22 成为首款具有研究级精度的全范围、低成本母差电位传感器。

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。张力计使用负压表（压力传感器）来测量真空的强度，并用压力来描述水势。

张力计可能是最古老的水势测量仪器（最初的概念至少可以追溯到 1908 年的利文斯顿），但它也非常有用。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。而且，如前所述，张力计不受土壤异质性的影响。

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 左右发生气穴现象，正好处于工厂可用范围的中间。然而，METER 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关注，成为现代经典。 这些张力计精度极高，量程可达 -85 kPa。

哪种张力计用于什么目的？

应根据应用选择张力计。 TEROS 31是一种小型实验室张力仪，用于定点测量或柱实验。 TEROS 31 可以在现场进行点检，但不方便，因为一旦出现气穴，就必须在实验室重新加注。 TEROS 32是现场张力仪。它配备了外部充气管，无需将张力计从地面移开进行充气。

传感器的选择还取决于数据收集要求。TEROS 32 可提供连续、近乎实时的远程数据，包括 ZENTRA Cloud.它可与ZL6 数据记录器和 ProCheck 手持式读取器即插即用，是大型传感器网络的最佳选择。TEROS 31 还可与 ZL6和ZENTRA Cloud 以及 ProCheck。TEROS 31 和TEROS 32 都可以与坎贝尔科学公司（或类似公司）的数据记录器连接。

了解轴、电缆和补充管的长度

TEROS 32 张力计通常以一定角度安装在野外。 我们建议使用专门用于安装张力计的 METER 野外钻。 我们还建议使用灌溉阀盖盒保护张力计轴。

所需的轴长度取决于安装深度。 例如，如果您想测量一米的深度，并以一定的角度进行安装，那么您需要知道这个角度是多少，才能计算出轴的长度。通常情况下，要比所需的安装深度长 10 到 20 厘米。 此外，加注管需要方便使用。 张力计埋得越深，管子就应该越长，以便到达地表。最后，张力计电缆的长度取决于与数据记录器的距离。

土壤湿度定义资源

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）

有关如何测量土壤湿度的问题？

观看下面的网络研讨会，了解更多信息：

• 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

如何解读土壤水分数据

深入了解土壤水分测量。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。他还教授了在不同土壤、地点和环境条件下应注意的事项。

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