捋一捋土壤墑情監測相關的幾個關鍵概念!

農業是人類的根基，各國每年花大量的資金投入土壤墑情監測。國外有很多企業從事針對農業的墑情、氣象、灌溉相關服務，整個產業鏈、商業化、市場化都比較成熟。

        近年來，在中國從事與土壤墑情、生態環境監測產品及服務相關的專業企業中，數家企業的年營業額都已經突破億元，并成為了資本市場搶手的企業。

        在水資源分布不平衡（部分地方非常緊缺）、氣候變化加劇、生態環境監測智能硬件異軍突起、農業勞動力匱乏、大量投資轉移到農業行業等背景下，這實際上已經成為了很少有人看到的風口。

        小e從事墑情相關工作多年，站在風口，感覺風越來越大。zui近越來越多地被咨詢這些問題：

        土壤的體積含水量、重量含水量、相對含水量有什么區別？

        土壤水分傳感器測量得到的是體積含水量還是重量含水量？

        如何才能測出土壤的相對含水量？

        小e原想把這些問題的答案寫在手機備忘錄上，有人詢問就復制粘貼發出，后來一想，這樣的效率還是不高，浪費時間不少，zui為關鍵的是：需要寫出一篇自成體系的文章出來，把事情的來龍去脈講清楚。

本文分三個部分?：

        *部分是幾個基礎概念的定義，放在一起，避免新接觸該行業的朋友分別去百度搜索。

        第二部分是本文的核心干貨，約3000個文字，從土壤水分監測歷史發展的角度介紹了能被商業化使用的土壤水分傳感器的發展歷程，順帶解釋了體積含水量、相對含水量這些基本概念。

        第三部分寫土壤墑情的未來，對于已經踏入或準備踏入該行業的朋友，一定要思索未來會發生什么，才有機會站到或靠近這個特別的風暴口。

一、純概念定義（不喜歡看概念定義的請跳讀后續干貨）

        1、土壤含水量：一般是指土壤絕對含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也稱土壤含水率。 

        2、重量含水量：是指土壤中水分的重量與相應固相物質重量的比值。

        3、體積含水量：是指土壤中水分占有的體積與土壤總體積的比值。

        4、飽和含水量：是指土壤顆粒間所有孔隙都充滿水時的含水量。

        5、相對含水量：一般是指土壤含水量占田間持水量的百分數。

        6、田間持水量：指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發，經過一定時間，土壤剖面所能維持的較穩定的土壤水含量，田間持水量是大多數植物可利用的土壤水上限。

二、土壤“墑情”的來龍去脈

        墑，是指適宜植物生長發育的土壤濕度。因此，農業生產中常有搶墑、保墑、跑墑之說。土壤墑情是否適宜植物生長發育就如同人是否有飯吃，人可以吃固態、液態、各種千奇百怪的食物，而植物只能靠龐大的根系從土壤中吸收水分，順帶把溶解在土壤水分中的營養物質吸收到身體中。偉大的光合作用造就了地球，而植物特有的光合作用只有在水分子的參與下才能完成。因此，土壤墑情的測報工作對人類極為重要。

        那么，問題來了，如何測報土壤墑情才能反應土壤濕度是否處于適宜植物生長發育的狀態呢？

        由此，一大波與土壤墑情狀況相關的概念被人們整出來了（建議跳過、不用閱讀本段人們創造的N多概念），比如：體積含水量、重量含水量、相對含水量、飽和含水量、田間持水量、作物缺水脅迫、凋萎點、萎蔫系數、灌溉水利用系數、土壤重力水、土壤毛管水、土壤吸濕水、土壤膜狀水（薄膜水）、土壤束縛水、土壤自由水、化學結合水、地下水、旱災、澇災、特大干旱、嚴重干旱、中度干旱、輕度干旱、土壤水分特征曲線、土壤導水率、土壤水擴散率、土壤粒徑……

        不就是一個土壤濕度嗎？要按人類現有的知識框架正確表達清楚，得搞懂相關的概念至少二十八個，嚇死寶寶了！不怕，本文就把土壤墑情的事說清楚、道明白！

        首先，歷史以來，人們都是如何判斷識別土壤濕度情況的呢？

        可以用眼睛看，但是眼睛不能夠在不同的人之間形成共同溝通交流的標準。可以用手捏，用手捏一把土壤然后放開手，看土壤松散情況，但是，不同的人之間捏一把土的用力程度有差異，也不能形成人們共同的標準。

        既然眼睛和手都不靠譜，能不能通過直接加熱讓水分揮發的方式（對比加熱前后土壤的重量差異）看看土壤中究竟有多少水呢？恒溫箱烘干法、酒精燃燒法、紅外線烘干法等都被使用。恒溫箱烘干稱重法一直被認為是zui經典和zui精確的標準方法。

        顯然，烘干稱重法得到的是重量含水量

        烘干法的優點是就樣品本身而言結果可靠，但它的缺點也是明顯的。取樣時會破壞土壤，深層取樣困難，定點測量時不可避免由取樣換位而帶來誤差。在很多情況下難以進行長期原位監測且受土壤空間變異性影響也比較大。取土烘干操作費時費力，至少需8小時以上，還需要烘干燥箱及電源，完全不適合野外作業，不可能規模化的應用。

        發明機器是人類的專長，既然稱重烘干法的缺點如此嚴重，人們都基于科學原理發明了哪些機械儀器來測量土壤中水分呢？（提前說一句，在所有測量土壤水分的方法中，只有烘干法得到的是重量含水量，因為在烘干法中必須使用工具：稱重量的稱。）

        20世紀50年代，曾經zui牛的土壤水分儀器誕生——中子儀。由于每個水分子中含有兩個氫原子，利用中子源輻射的快中子，碰到氫原子時慢化為熱中子，通過熱中子數量與土壤含水量之間的相關關系，來確定土壤水分的多少。

        世界上很多國家對中子儀進行研究，使中子法日趨完善。中子法十分適用于監測田間土壤水分動態，套管*安放后不破壞土壤，能長期定位連續測定，不受滯后作用影響，測深不限，中子儀還可與自動記錄系統和計算機連接，因而成為田間原位測定土壤含水量較好的方法并得到廣泛應用。

        然并卵，需要田間校準是中子法的主要缺點之一，另外，儀器設備昂貴，一次性投人大，單臺儀器10萬人民幣以上。中子法的土壤采樣范圍為一球體，這使得在某些情況下測量結果會出現偏差，比如在中子儀附近有一個蘿卜，則蘿卜的水分也被視為土壤水分數據，另外，土壤處于干燥或濕潤周期時、層狀土壤、表層土壤等情況，都會造成數據偏差。此外，中子儀還存在潛在的輻射危害。

        20世紀70年代，當今zui為被廣泛應用的土壤水分儀誕生——介電法水分儀。

        介電法是利用了物質材料（這里的物質材料就是土壤）的介電常數特性。介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場的原理（初中物理哦）

        從電磁角度看，在常溫常壓下自由水的介電常數為80，土壤固體顆粒約為3，空氣為1。因此，與土壤中的固體顆粒和空氣相比，水的介電常數在土壤中處于支配地位，土壤水分含量越高，介電常數值就越大。許多試驗表明，無論土壤的構成成分與質地有何差異，土壤介電常數與容積含水量總是呈非線性單值函數關系。眾所周知的TDR法、FDR法、FD法、電容法土壤水分儀都屬于介電法水分儀。20世紀90年代后，國際上把介電法水分儀作為研究土壤水分的基本儀器設備。

        沒有一種產品能夠一統天下，目前市面上還有另外一類水分儀占有一定市場——張力計。

        張力計測量的是土壤的基質勢。張力計法的優點是在土壤比較濕潤的情況下測量土壤基質勢很準確,適合于灌溉和水分脅迫的監測。與測量土壤容積或重量含水量的方法相比,張力計法受土壤空間變異性的影響比較小。它還是一種低成本設備的直接測量方法,能夠連續測量。

        張力計法的主要缺點表現在反應慢，需要長時間平衡后才能讀數；測量范圍小，非常干燥的土壤中不適合。如果瓷杯與土壤接觸不緊密(如放置在根系活動范圍內或有機肥分解產生氣體的地方或土壤失水收縮嚴重時)，會引起讀數的反應遲鈍或停滯。在測量過程中,特別是在高溫干旱季節，需要經常養護和給瓷杯補充水分。毛瓷杯易損壞，需要定期維護和更換，勞力和時間消耗非常多，運行費用較高。

        需要強調，在上述眾多方法中，除了使用烘干法得到重量含水量、使用張力計測量得到土壤水勢以外，目前地球上存在的其它各種土壤水分儀器測量得到的都是體積含水量。