什么是土壤水分？

无论您是开始环境测量活动的研究生、经验丰富的研究人员，还是关心灌溉管理的种植者，在某些时候您可能已经意识到您需要测量土壤湿度。为什么？因为可用水是生态系统生产力的主要驱动因素之一，而土壤水分（即土壤含水量/土壤水势）是大多数植物的直接水源。什么是土壤水分？以下是对土壤水分定义的全面介绍，以及对与土壤水分结合使用的一些重要科学术语的探索。
 
土壤水分甚至意味着什么？
土壤水分不仅仅是知道土壤中的水量。在决定如何衡量之前，您需要了解一些基本原则。 这里有一些问题可以帮助你专注于你真正想要找出的东西。 
 
知道你应该测量哪个变量
大多数人只根据一个变量来看待土壤水分：土壤含水量。但是描述土壤中水的状态需要两类变量：含水量，即水的量和水势，即水的能量状态。土壤含水量是一个广泛的变量。它随着大小和情况而变化。它被定义为每单位总体积或质量的水量。基本上，它是有多少水。水势是描述物质或能量的强度或质量的“密集”变量。它通常与温度相比较。正如温度表明人类的舒适度一样，水势也可以表明植物的舒适度。水势是相对于零势纯水每摩尔（单位质量、体积、重量）水的势能。您可以将水势视为从土壤中去除少量水并将其存放在纯净、自由的水池中所需的工作。
 
土壤含水量：只是一个量
本文简要介绍了两种测量土壤含水量的不同方法：重量含水量和体积含水量。重量含水量是每质量土壤的水质量（即每克土壤的水克数）。它是测量土壤含水量的主要方法，因为土壤含水量是通过测量质量直接测量的。它的计算方法是称重从田间取样的湿土壤，在烘箱中干燥，然后称重干土壤。因此，重量含水量等于湿土质量减去干土质量除以干土质量。换句话说，水的质量除以土壤的质量。体积含水量是每土壤总体积的水体积。体积含水量描述与重量含水量相同的东西，除了它是基于体积报告的。例如，已知体积土壤的成分。所有成分的总和为 100%。由于体积含水量 (VWC) 等于水体积除以土壤总体积，在这种情况下，VWC 将为 35%。VWC 有时报告为 cm 3 /cm 3或每英尺英寸。
 
重量和 VWC：通过堆积密度联系起来
通过乘以土壤的干容重 ( ⍴ b )，可以将重量含水量 ( w ) 转换为体积含水量 ( ϴ )（公式 3）。由于重量含水量是测量土壤中水量的首要原则（或直接）方法，因此它用于开发校准和验证几乎所有原位或远程感测的 VWC 测量读数。如果您有一个介电传感器，您就有某种关系可以将您在电磁场中读取的数据转换为土壤含水量。因此，如果您不确定您的体积含水量是否正确，请取样一些土壤，测量重量含水量，取体积密度样品，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是使用某种传感器进行的。含水量传感器使用电容技术。为了进行这种测量，这些传感器利用了水的“极性”。它是如何工作的？显示了一个水分子。顶部有一个带有氧原子的负极，底部有一个带有两个氢原子的正极。如果我们将电磁场引入土壤，这个水分子就会引起注意。如果场被颠倒，它会以另一种方式跳舞。因此，通过使用含水量传感器创建电磁场，可以测量水对该电磁场的影响。如果土壤中的水分更多，效果会更大。在此处了解有关电容技术的更多信息。电容传感器使用两个探头（一个带正电荷，一个带负电荷）形成电磁场。这使他们能够测量探针之间的材料的电荷存储容量，在这种情况下的土壤，其然后可以与 到的水（或VWC）在土壤中的量。
 
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开辟了时间序列的可能性（，这是一种用于了解土壤中发生情况的强大工具。测量重量含水量需要采集一个或一系列样品并将它们带回实验室。如果您需要时间序列，这是不切实际的，因为您基本上一直在现场采样。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关于土壤中水发生了什么变化的重要信息。重量含水量是一个很好的第一性原理测量，但耗时、具有破坏性，并且只能及时给出快照。土壤含水量传感器提供时间序列，可随时间推移进行剖面感测，并避免破坏性采样，尽管传感器仍插入土壤中。遥感提供有限尺度的时间序列，但对于空间采样非常强大，这对于测量水含量很重要。土壤湿度传感器使用专门的安装工具减少干扰，旨在最大限度地减少现场干扰。
 
饱和度：不是你想的那样
就体积含水量而言，根据定义，烘干土壤的 VWC 为 0%。这是一个定义的端点。纯水在比例的另一端，为 100%。很多人认为 100% VWC 是完全饱和的土壤，但事实并非如此。每种土壤类型将在不同的含水量下饱和。
查看它的一种方法是百分比饱和度：
饱和度 = VWC/孔隙度 * 100
如果您知道任何给定土壤类型的孔隙度，就可以估算出饱和时的含水量。但是土壤很少在田间达到饱和。为什么？您可以看到，当土壤吸水时，它会形成一层附着在土壤颗粒上的水膜。还有充满空气的孔隙。在野外条件下，很难消除这些气隙。这种空气滞留是任何给定土壤类型的饱和百分比很少等于理论饱和最大值的原因。
 
什么是水势？
水势是用于描述土壤水分的另一个变量。如前所述，它被定义为土壤的能量状态或每摩尔水的势能，参考零电位的纯水。这意味着什么？要理解这个原理，请比较土壤样品中的水在饮水杯中浇水。玻璃杯中的水比较自由，可用；土壤中的水会附着在表面上，可能会被溶质甚至在压力下稀释。因此，土壤水具有与“自由”水不同的能量状态。无需施加任何能量即可获得自由水。只能通过消耗相当于或大于其所含能量的能量来提取土壤水。水势表示将水从土壤样本中提取出来需要消耗多少能量。
 
水势是四个不同分量的总和：重力势 + 基质势 + 压力势 + 渗透势。
 
就土壤而言，基质势是最重要的组成部分，因为它与附着在土壤表面的水有关。基质势是产生附着在土壤颗粒上的水膜的原因。随着水从土壤中排出，充满空气的孔隙空间变得更大，随着基质势的降低，水与土壤颗粒的结合更加紧密。观看下面的视频，了解矩阵势的作用。水势梯度是水在土壤中流动的驱动力。土壤水势是植物可用水的最佳指标（在此处了解原因）。与含水量类似，水势可以在实验室和现场使用传感器测量。以下是不同类型的现场水势传感器的几个示例。
 
水势预测水运动
水将从能量较高的位置移动到能量较低的位置，直到这些位置达到平衡。例如，如果土壤的水势为 -50 kPa，水将向更负的 -100 kPa 移动，成为更稳定。水总是从较高的能量状态移动到较低的能量状态。这也近似于植物土壤大气连续体中发生的情况。土壤处于 -0.3 MPa，而根在 -0.5 MPa 处略微更负。这意味着根会从土壤中吸取水分。然后水将通过木质部向上移动，穿过这个潜在梯度从叶子流出。-100 MPa 的大气是驱动这种梯度的原因。所以水势定义了水在系统中移动的方向。
 
什么是植物可用水？
植物有效水是土壤或生长介质中田间持水量与永久枯萎点之间的含水量差异（见下文定义）。如果允许土壤干燥甚至接近永久枯萎点，大多数作物将经历显着的产量损失。为了最大限度地提高作物产量，土壤含水量通常会保持在永久枯萎点以上，但植物可用水仍然是一个有用的概念，因为它传达了土壤中水库的大小。有了关于土壤类型的一些基本知识，就可以通过原位 土壤湿度传感器的测量来估计田间持水量和永久枯萎点。这些传感器提供连续的土壤含水量数据，可以指导灌溉管理 提高作物产量和用水效率的决定。
什么是场容量？
田间持水量被定义为“在用水润湿两三天后，自由排水后土壤中剩余的以质量或体积为基础的水含量可以忽略不计。” 土壤科学术语表。土壤科学协会，1997 年。通常假设是细质地土壤中水势为 -33 kPa 或沙质土壤中水势为 -10 kPa 时的含水量，但这些只是粗略的起点。实际田间持水量取决于土壤剖面的特征。它必须根据现场监测的含水量数据来确定。如果您正在查看现场容量数据，很高兴知道这一点是如何得出的。
尽管我们通常根据水势来指定田间容量，但重要的是要意识到它确实是一种流动特性。在重力势梯度的影响下，水在土壤剖面中向下移动。它将永远向下移动，但随着土壤干燥，水力传导率迅速下降，最终使向下流动与蒸发和蒸腾损失相比变小。把土壤想象成一个漏水的桶。当水通过根区向下移动时，植物试图抓住一些水。
什么是永久萎蔫点？
在规模的另一端是永久枯萎点。永久萎蔫点在向日葵中通过实验确定并定义为 -15 bar这是向日葵枯萎并且无法在一夜之间恢复的土壤潜力。理论上是空罐，那里的膨胀压力完全丧失，植物已经枯萎。但-1500 kPa 不一定是所有植物的枯萎点。许多植物在不同的点“枯萎”；一些植物会在比 -1500 kPa 更早的时候开始保护自己免受永久性损害，而有些则在很久之后。所以 -1500 kPa 是土壤中一个有用的参考点，但请注意，仙人掌可能不在乎 -1500 kPa，而黄松肯定不会在这一点上关闭。您可以使用土壤传感器快速轻松地确定任何土壤的永久枯萎点。