無論您是開始環境測量活動的研究生、經驗豐富的研究人員，還是關心灌溉管理的種植者，在某些時候您可能已經意識到您需要測量土壤濕度。為什么？因為可用水是生態系統生產力的主要驅動因素之一，而土壤水分（即土壤含水量/土壤水勢）是大多數植物的直接水源。什么是土壤水分？以下是對土壤水分定義的全面介紹，以及對與土壤水分結合使用的一些重要科學術語的探索。
 
土壤水分甚至意味著什么？
土壤水分不僅僅是知道土壤中的水量。在決定如何衡量之前，您需要了解一些基本原則。 這里有一些問題可以幫助你專注于你真正想要找出的東西。 
 
知道你應該測量哪個變量
大多數人只根據一個變量來看待土壤水分：土壤含水量。但是描述土壤中水的狀態需要兩類變量：含水量，即水的量和水勢，即水的能量狀態。土壤含水量是一個廣泛的變量。它隨著大小和情況而變化。它被定義為每單位總體積或質量的水量。基本上，它是有多少水。水勢是描述物質或能量的強度或質量的“密集”變量。它通常與溫度相比較。正如溫度表明人類的舒適度一樣，水勢也可以表明植物的舒適度。水勢是相對于零勢純水每摩爾（單位質量、體積、重量）水的勢能。您可以將水勢視為從土壤中去除少量水并將其存放在純凈、自由的水池中所需的工作。
 
土壤含水量：只是一個量
本文簡要介紹了兩種測量土壤含水量的不同方法：重量含水量和體積含水量。重量含水量是每質量土壤的水質量（即每克土壤的水克數）。它是測量土壤含水量的主要方法，因為土壤含水量是通過測量質量直接測量的。它的計算方法是稱重從田間取樣的濕土壤，在烘箱中干燥，然后稱重干土壤。因此，重量含水量等于濕土質量減去干土質量除以干土質量。換句話說，水的質量除以土壤的質量。體積含水量是每土壤總體積的水體積。體積含水量描述與重量含水量相同的東西，除了它是基于體積報告的。例如，已知體積土壤的成分。所有成分的總和為 100%。由于體積含水量 (VWC) 等于水體積除以土壤總體積，在這種情況下，VWC 將為 35%。VWC 有時報告為 cm 3 /cm 3或每英尺英寸。
 
重量和 VWC：通過堆積密度聯系起來
通過乘以土壤的干容重 ( ? b )，可以將重量含水量 ( w ) 轉換為體積含水量 ( ? )（公式 3）。由于重量含水量是測量土壤中水量的首要原則（或直接）方法，因此它用于開發校準和驗證幾乎所有原位或遠程感測的 VWC 測量讀數。如果您有一個介電傳感器，您就有某種關系可以將您在電磁場中讀取的數據轉換為土壤含水量。因此，如果您不確定您的體積含水量是否正確，請取樣一些土壤，測量重量含水量，取體積密度樣品，然后自己檢查。 如何測量體積含水量
大多數體積含水量測量是使用某種傳感器進行的。含水量傳感器使用電容技術。為了進行這種測量，這些傳感器利用了水的“極性”。它是如何工作的？顯示了一個水分子。頂部有一個帶有氧原子的負極，底部有一個帶有兩個氫原子的正極。如果我們將電磁場引入土壤，這個水分子就會引起注意。如果場被顛倒，它會以另一種方式跳舞。因此，通過使用含水量傳感器創建電磁場，可以測量水對該電磁場的影響。如果土壤中的水分更多，效果會更大。在此處了解有關電容技術的更多信息。電容傳感器使用兩個探頭（一個帶正電荷，一個帶負電荷）形成電磁場。這使他們能夠測量探針之間的材料的電荷存儲容量，在這種情況下的土壤，其然后可以與 到的水（或VWC）在土壤中的量。
 
為什么要用傳感器測量土壤含水量？
使用土壤含水量傳感器開辟了時間序列的可能性（，這是一種用于了解土壤中發生情況的強大工具。測量重量含水量需要采集一個或一系列樣品并將它們帶回實驗室。如果您需要時間序列，這是不切實際的，因為您基本上一直在現場采樣。使用含水量傳感器，您可以自動測量土壤含水量變化的時間并比較剖面中的深度。這些曲線的形狀提供了關于土壤中水發生了什么變化的重要信息。重量含水量是一個很好的第一性原理測量，但耗時、具有破壞性，并且只能及時給出快照。土壤含水量傳感器提供時間序列，可隨時間推移進行剖面感測，并避免破壞性采樣，盡管傳感器仍插入土壤中。遙感提供有限尺度的時間序列，但對于空間采樣非常強大，這對于測量水含量很重要。土壤濕度傳感器使用專門的安裝工具減少干擾，旨在最大限度地減少現場干擾。
 
飽和度：不是你想的那樣
就體積含水量而言，根據定義，烘干土壤的 VWC 為 0%。這是一個定義的端點。純水在比例的另一端，為 100%。很多人認為 100% VWC 是完全飽和的土壤，但事實并非如此。每種土壤類型將在不同的含水量下飽和。
查看它的一種方法是百分比飽和度：
飽和度 = VWC/孔隙度 * 100
如果您知道任何給定土壤類型的孔隙度，就可以估算出飽和時的含水量。但是土壤很少在田間達到飽和。為什么？您可以看到，當土壤吸水時，它會形成一層附著在土壤顆粒上的水膜。還有充滿空氣的孔隙。在野外條件下，很難消除這些氣隙。這種空氣滯留是任何給定土壤類型的飽和百分比很少等于理論飽和最大值的原因。
 
什么是水勢？
水勢是用于描述土壤水分的另一個變量。如前所述，它被定義為土壤的能量狀態或每摩爾水的勢能，參考零電位的純水。這意味著什么？要理解這個原理，請比較土壤樣品中的水在飲水杯中澆水。玻璃杯中的水比較自由，可用；土壤中的水會附著在表面上，可能會被溶質甚至在壓力下稀釋。因此，土壤水具有與“自由”水不同的能量狀態。無需施加任何能量即可獲得自由水。只能通過消耗相當于或大于其所含能量的能量來提取土壤水。水勢表示將水從土壤樣本中提取出來需要消耗多少能量。
 
水勢是四個不同分量的總和：重力勢 + 基質勢 + 壓力勢 + 滲透勢。
 
就土壤而言，基質勢是最重要的組成部分，因為它與附著在土壤表面的水有關。基質勢是產生附著在土壤顆粒上的水膜的原因。隨著水從土壤中排出，充滿空氣的孔隙空間變得更大，隨著基質勢的降低，水與土壤顆粒的結合更加緊密。觀看下面的視頻，了解矩陣勢的作用。水勢梯度是水在土壤中流動的驅動力。土壤水勢是植物可用水的最佳指標（在此處了解原因）。與含水量類似，水勢可以在實驗室和現場使用傳感器測量。以下是不同類型的現場水勢傳感器的幾個示例。
 
水勢預測水運動
水將從能量較高的位置移動到能量較低的位置，直到這些位置達到平衡。例如，如果土壤的水勢為 -50 kPa，水將向更負的 -100 kPa 移動，成為更穩定。水總是從較高的能量狀態移動到較低的能量狀態。這也近似于植物土壤大氣連續體中發生的情況。土壤處于 -0.3 MPa，而根在 -0.5 MPa 處略微更負。這意味著根會從土壤中吸取水分。然后水將通過木質部向上移動，穿過這個潛在梯度從葉子流出。-100 MPa 的大氣是驅動這種梯度的原因。所以水勢定義了水在系統中移動的方向。
 
什么是植物可用水？
植物有效水是土壤或生長介質中田間持水量與永久枯萎點之間的含水量差異（見下文定義）。如果允許土壤干燥甚至接近永久枯萎點，大多數作物將經歷顯著的產量損失。為了最大限度地提高作物產量，土壤含水量通常會保持在永久枯萎點以上，但植物可用水仍然是一個有用的概念，因為它傳達了土壤中水庫的大小。有了關于土壤類型的一些基本知識，就可以通過原位 土壤濕度傳感器的測量來估計田間持水量和永久枯萎點。這些傳感器提供連續的土壤含水量數據，可以指導灌溉管理 提高作物產量和用水效率的決定。
什么是場容量？
田間持水量被定義為“在用水潤濕兩三天后，自由排水后土壤中剩余的以質量或體積為基礎的水含量可以忽略不計。” 土壤科學術語表。土壤科學協會，1997 年。通常假設是細質地土壤中水勢為 -33 kPa 或沙質土壤中水勢為 -10 kPa 時的含水量，但這些只是粗略的起點。實際田間持水量取決于土壤剖面的特征。它必須根據現場監測的含水量數據來確定。如果您正在查看現場容量數據，很高興知道這一點是如何得出的。
盡管我們通常根據水勢來指定田間容量，但重要的是要意識到它確實是一種流動特性。在重力勢梯度的影響下，水在土壤剖面中向下移動。它將永遠向下移動，但隨著土壤干燥，水力傳導率迅速下降，最終使向下流動與蒸發和蒸騰損失相比變小。把土壤想象成一個漏水的桶。當水通過根區向下移動時，植物試圖抓住一些水。
什么是永久萎蔫點？
在規模的另一端是永久枯萎點。永久萎蔫點在向日葵中通過實驗確定并定義為 -15 bar這是向日葵枯萎并且無法在一夜之間恢復的土壤潛力。理論上是空罐，那里的膨脹壓力完全喪失，植物已經枯萎。但-1500 kPa 不一定是所有植物的枯萎點。許多植物在不同的點“枯萎”；一些植物會在比 -1500 kPa 更早的時候開始保護自己免受永久性損害，而有些則在很久之后。所以 -1500 kPa 是土壤中一個有用的參考點，但請注意，仙人掌可能不在乎 -1500 kPa，而黃松肯定不會在這一點上關閉。您可以使用土壤傳感器快速輕松地確定任何土壤的永久枯萎點。