摘要：土壤水势（基质势）是表征土壤水分能量状态的核心参数，直接决定了土壤水分的有效性及其对植物的可利用性，在农田灌溉管理、土壤-植物-大气连续体（SPAC）水分运移研究及生态水文监测等领域具有重要的基础性地位。
传统的机械式张力计（负压计）依赖真空表人工读数，响应滞后、维护频繁，难以满足高时间分辨率自动监测的需求。基于压阻式压力传感技术的电子张力计，采用高渗透性多孔陶瓷头与精密力敏元件相结合的设计，可在数秒内响应土壤水势变化，通过标准化电压或电流信号输出，实现数据的自动采集与记录。电子张力计的免维护设计和可更换陶瓷头结构大幅降低了野外长期监测的运行成本。
本文从方法原理、选型比较、操作规范、技术标准、市场应用及科研实践等八个维度进行系统阐述，为农业节水、生态水文及环境监测领域的技术人员提供参考。

1. 土壤水势测定方法的技术比较与选型指南
1.1 土壤水势的概念与测定方法体系

土壤水势是土壤水分在能量状态上的量化表达，代表了土壤水与自由水之间的自由能之差。在实际应用中，通常将土壤水势分为基质势（由土壤基质对水分的吸附和毛细作用引起）和溶质势（由溶液中溶质浓度引起）。在农业灌溉管理和植物水分关系研究中，基质势是最受关注的指标——它直接反映了植物根系从土壤中吸取水分的难易程度。当土壤基质势低于植物根系的渗透势时，植物将无法从土壤中获取水分。

目前，土壤水势的测定方法主要分为以下几类：

张力计法：通过多孔陶瓷头与土壤水之间的水力联系，测量土壤的基质势。张力计法适用于湿端范围（0~-100 kPa或更低），是田间原位监测土壤水势最经典的方法。

露点法（干端） ：通过测量样品在密闭腔室中与空气达到水汽平衡时的相对湿度来推算水势，适用于极干土壤（<-1000 kPa），与张力计法形成互补。

热电偶干湿计法：利用热电偶测量湿球温度降低值来推算水势。

压力膜仪法：通过施加气压排除土壤中的水分，测定不同压力下的平衡含水量，是实验室获取土壤水分特征曲线的标准方法。

1.2 机械式与电子式张力计的技术比较

传统的机械式张力计在结构上包括多孔陶瓷头、PVC管或不锈钢管、真空表和密封系统。使用时将陶瓷头埋入土壤中，通过预先注满水的管路系统与土壤水建立水力联系。当土壤水势降低时，管路中的水被土壤吸出，形成负压，通过真空表读取负压值。

机械式张力计的技术局限主要体现在以下几个方面：

• 响应时间长：真空表对负压变化的响应存在迟滞，难以捕捉快速的水势变化过程

• 依赖人工读数：无法实现自动化连续监测

• 维护工作量大：需定期注水和排气管路中的气泡

• 量程限制：当水势低于约-85 kPa时，管路中的水可能发生气蚀（空化），导致测量失效

电子张力计在传统张力计的框架基础上进行了关键性的技术升级：

• 传感元件的革新：以压阻式压力传感器取代机械式真空表，将压力信号转化为电信号，响应时间缩短至1秒以内

• 信号标准化输出：提供0~100 mV（电压型）或4~20 mA（电流型）标准信号，可直接接入数据采集器实现自动监测

• 宽量程设计：量程覆盖0~-999 hPa，可满足从饱和到接近萎蔫系数的全湿端监测需求

• 免维护运行：采用高稳定性电子元件，无需频繁注水和排气

1.3 电子张力计的技术原理

电子张力计的核心测量原理可概括为以下环节：

多孔陶瓷头埋入土壤后，与周围土壤水建立水力联系。陶瓷头内部的水通过陶瓷头壁的微孔与土壤水进行交换——当土壤水势低于陶瓷头内的水势时，陶瓷头中的水被土壤吸出，在陶瓷头内部及连接管路中形成负压；当土壤水势升高（如降雨或灌溉后）时，外部水分回流至陶瓷头内部。

与陶瓷头连通的管路中充满水，负压通过水传递至末端的压力传感器。传感器选用压阻式力敏元件——当感受到压力变化时，敏感元件的电阻值发生相应变化，通过内置电路将电阻变化转换为标准化的电信号输出（电压或电流）。该电信号经采集后，根据出厂校准的“信号-压力”对应关系，即可换算出当前土壤的基质势值。

1.4 选型要点与选购指南

在选用电子张力计及相关土壤水势测定设备时，研究人员应综合考虑以下关键因素：

量程匹配：对于湿润或半湿润地区、灌溉农田等水分条件较好的场景，标准量程0~-999 hPa已足够覆盖从饱和到植物萎蔫系数的范围。对于干旱半干旱地区或极端干旱条件下的监测需求，应考虑选择支持更低量程的型号或配合露点法使用。

输出信号类型的选择：电压输出型（0~100 mV）适合近距离、低功耗应用场景，信号处理简单；电流输出型（4~20 mA）抗干扰能力强、适合远距离传输，在野外长距离布线的监测网络中更具优势。随着信号传输线缆长度的增加，电流输出型的信号衰减远小于电压输出型，这一特性在大型田间监测网中具有显著的工程意义。

精度与稳定性：精度优于1%是电子张力计区别于机械式张力计的重要性能指标。高稳定性电子元件的应用使设备能够在较长时间内保持校准状态，减少现场校准频次。

陶瓷头的可更换性：多孔陶瓷头在长期使用后可能因堵塞或破损而影响测量性能。可更换式陶瓷头设计有效延长了设备主体的使用寿命，降低了长期运行成本。同时，可更换设计也便于在污染或堵塞后进行清洗或替换。

工作温度范围与防冻措施：在寒冷地区使用时，应确认设备的工作温度范围是否满足冬季要求（典型为-10~50℃），并根据需要选用防冻液。

供电方式与功耗：对于需要长期野外监测的应用场景，应关注设备的供电要求和功耗水平。低功耗设计（典型电流2~8 mA）可有效延长电池供电系统的运行时间。

2. 仪器的使用方法、经验与常用操作手册
2.1 测试前的准备工作

传感器准备：检查陶瓷头是否完好、无裂纹。对于新购置或长期未使用的张力计，应将陶瓷头浸泡在除气水中至少24小时，使陶瓷头充分饱和。

注水与排气：这是张力计准备工作中最关键的环节。将管路及陶瓷头中注满除气水（可使用煮沸后冷却的水），排尽所有气泡。气泡残留在管路中会严重影响响应速度和量程——管路中的气泡具有较大的压缩性，在负压条件下会膨胀，吸收一部分压力变化，导致测量值偏低和响应滞后。

信号线检查：检查电缆是否完好、无破损，接头是否牢固、无锈蚀。

系统连接：将张力计信号线连接至数据采集器（或读数表）。确认供电电压在指定范围内（典型6~15 V DC）。

2.2 标准操作流程

第一步——测孔准备：在选定的测点位置使用土钻或专用工具钻孔至目标深度。钻孔直径应略大于陶瓷头直径（20 mm），孔深应确保陶瓷头与目标深度处的土壤充分接触。钻孔时应注意避免孔壁过度压实或涂抹。

第二步——张力计安装：将经过注水和排气的张力计垂直放入钻孔中，使陶瓷头完全埋入目标深度的土壤中。轻轻将陶瓷头周围的土壤回填压实，确保陶瓷头与土壤紧密接触。

第三步——系统密封：在地表处对安装孔进行密封处理，防止雨水沿管壁下渗。

第四步——稳定平衡：安装后需等待一段时间（通常数小时至1~2天），使陶瓷头与周围土壤达到水力平衡。平衡时间取决于土壤质地和含水量状况——湿润砂质土平衡快，干燥黏质土平衡慢。

第五步——数据采集：平衡后，通过数据采集器读取输出电压或电流信号。根据出厂校准表将电信号换算为基质势值（hPa或kPa）。

第六步——定期维护：建议定期检查管路中的水位（使用专用的水位检查工具），必要时补充除气水。对于长期监测应用，建议每1~3个月进行一次维护检查。

2.3 操作经验与注意事项

• 注水和排气的彻底性：这是电子张力计操作中最关键、也是最容易被忽视的环节。建议采用煮沸法和抽气法相结合的方式制备除气水。排气管路中的气泡时应耐心操作，确保系统内所有气泡全部排出。

• 安装密实度：陶瓷头与土壤之间的接触状态直接影响测量响应时间和平衡速度。回填土时应分层压实，确保陶瓷头周围土壤的密实度与原状土接近。

• 防冻措施：在气温可能降至零度以下的地区使用，应在管路中添加防冻液（如乙二醇溶液），以防止管路中的水结冰膨胀导致张力计损坏。

• 防风防雨：地表外露的管口应采用防水透气盖封堵，防止雨水和杂物进入，同时允许气体交换以避免管路内产生过大正压。

• 定期校准验证：建议每年使用标准压力源或饱和盐溶液对张力计进行校准验证，确保测量精度符合要求。

• 多深度布设策略：在研究植物根系吸水或土壤剖面水分运移时，建议在多个深度（如10 cm、30 cm、50 cm、70 cm）布设张力计，获取土壤水势的垂直剖面信息。

3. 新产品与新技术介绍
3.1 压阻式压力传感技术在张力计中的应用

传统机械式张力计的核心传感元件是真空表——一种基于布尔登管或膜盒的机械式压力指示器。真空表通过机械传动将压力变化转换为指针的角位移，其响应速度慢、精度受机械摩擦和疲劳影响显著。

电子张力计引入压阻式压力传感器作为核心传感元件。压阻式传感器是一种基于半导体材料压阻效应的力敏元件——当敏感元件受到压力作用时，其电阻值发生与压力成比例的变化。压阻式传感器相比传统真空表具有以下技术优势：

• 响应快：无机械传动部件，压力信号直接转换为电信号，典型响应时间1秒

• 精度高：半导体压阻效应具有高灵敏度，配合信号调理电路可实现优于1%的测量精度

• 稳定性好：无机械磨损问题，长期稳定性显著优于机械式真空表

• 信号标准化：可直接输出标准化电信号，便于自动化数据采集

• 微型化潜力：压阻式传感器体积小，便于集成到紧凑型探头设计中

3.2 标准化信号输出与自动化集成

电子张力计的另一核心技术特征是标准化信号输出。根据传感器内部电路设计的不同，主要提供两种信号输出方式：

电压型输出（0~100 mV） ：传感器输出与压力成线性关系的毫伏级电压信号。该方式的优点是信号处理电路简单、功耗低，适用于近距离连接（通常<10 m）和低功耗应用场景。其局限性是模拟信号在长距离传输时易受电磁干扰和线缆电阻的影响而产生衰减。

电流型输出（4~20 mA） ：传感器输出与压力成线性关系的电流信号。该方式的优点是电流信号在传输过程中不易受线路电阻和电磁干扰的影响，适用于长距离传输（可达数百米）和工业控制应用。4~20 mA的工业标准信号可直接接入大多数工业级数据采集系统。

标准化信号输出使电子张力计能够与多种数据采集平台兼容，包括专用数据采集器、可编程逻辑控制器（PLC）、无线传感器网络节点等。这一特性使电子张力计可以无缝集成到现代自动化监测体系中。

3.3 可更换陶瓷头设计

多孔陶瓷头是张力计与土壤发生水力交换的关键部件，直接决定了测量性能和使用寿命。在长期使用过程中，陶瓷头可能面临以下问题：

• 土壤中细小颗粒堵塞陶瓷头微孔，导致响应速率下降

• 冻融循环造成的陶瓷头微裂纹

• 机械损坏（安装时与砾石碰撞等）

传统张力计多为一体化设计，陶瓷头损坏后整个传感器报废，更换成本高。可更换陶瓷头设计通过标准化接口（如螺纹连接或插拔式快接）将陶瓷头与传感器主体分离，在陶瓷头损坏或性能下降后仅需更换陶瓷头而不需更换整个传感器。这一设计显著降低了长期使用成本。

3.4 技术发展趋势

当前，土壤水势原位监测技术正呈现以下发展趋势：

从人工读数向自动化监测发展：电子张力计配合数据采集器和远程传输模块，可实现土壤水势的实时、连续、无人值守监测。

从单点测量向剖面监测发展：多深度张力计阵列可获取土壤水势的垂直剖面信息，为研究根系吸水层位和土壤水分运移提供数据支撑。

从有线向无线传输发展：无线传感器网络技术使土壤水势数据可通过LoRa、ZigBee、NB-IoT等方式远程传输至云平台。

从单一参数向多参数集成发展：土壤水势传感器与土壤水分、温度、电导率等传感器集成，实现土壤物理性质的多参数综合监测。

4. 行业标准与法规
4.1 国内标准

标准编号	名称	与本方法的关系
SL 364-2015	土壤墒情监测规范	规定了土壤墒情（土壤含水量）监测的技术要求，包括张力计法的应用
SL 364-2015	土壤墒情监测规范	田间土壤水势监测的重要技术规范
NY/T 1121系列	土壤检测	土壤物理性质测定的方法标准
HJ/T 166-2004	土壤环境监测技术规范	土壤环境监测的通用技术规范

4.2 国际标准与行业规范

• FAO（联合国粮农组织）：发布的灌溉与排水技术手册中涵盖了张力计在灌溉管理中的应用指南

• 美国农业与生物工程师学会（ASABE）标准：涉及土壤水势测量传感器的相关性能要求

• ISO 11274：土壤质量——水分保持特性的测定——实验室方法

4.3 标准中的关键技术要求

根据SL 364-2015《土壤墒情监测规范》等相关标准，土壤水势测定应满足以下关键技术要求：

• 传感器的安装深度：应根据监测目的和作物根系分布特征确定传感器安装深度

• 传感器数量与空间布局：应根据监测区域的土壤变异程度合理布设传感器数量

• 数据采集频率：应根据监测目的确定适宜的采集频率（典型为每小时1次至每6小时1次）

• 质量控制：应建立传感器校准、数据验证和质量控制体系

5. 市场分析
5.1 市场规模与增长趋势

全球土壤水势传感器市场保持稳定增长态势。据市场研究机构统计，2025年全球土壤水势仪行业市场规模达到1.82亿美元，较2020年累计增长42.3%。技术迭代主要集中于传感器精度提升与微型化集成方向。另有数据显示，2025年全球土壤水势仪市场规模预计突破12亿美元，中国贡献率超35%。

在中国市场，土壤墒情监测网络建设和精准农业推广推动了土壤水势测定设备的持续需求。随着农业用水总量控制政策的深化和高效节水灌溉面积的扩大，土壤水势监测设备的市场需求将进一步增长。

5.2 需求驱动力

精准农业与智慧灌溉：土壤水势是科学制定灌溉制度的核心依据。基于土壤水势的灌溉决策可实现“按需供水”，避免传统灌溉中“定时定量”方式造成的过度灌溉或灌溉不足。

土壤墒情监测网络建设：国家和省级土壤墒情监测网络的建设和运行，对土壤水势（基质势）测定设备产生了持续稳定的需求。

生态水文与环境监测：在生态修复项目、湿地保护、城市绿地管理等领域，土壤水势监测是评估水分收支和生态系统健康的重要技术手段。

科研需求：农业节水、植物水分关系、SPAC水分运移等基础研究对土壤水势的连续、高精度监测提出了持续的需求。

5.3 技术发展趋势

未来，土壤水势测定仪器市场将呈现以下趋势：

低功耗与长续航：面向野外长期无人值守监测需求，设备功耗持续降低，电池供电系统运行时间不断延长。

无线化与物联网化：从有线数据采集向无线传输、物联网云平台管理方向发展。

多参数集成化：从单一水势测量向水势-水分-温度-电导率多参数集成测量发展。

低成本与可维护性：通过设计优化和可更换关键部件（如陶瓷头）设计，降低设备造价和长期运行维护成本。

6. 技术讲座与培训资源

为帮助技术人员掌握电子张力计在土壤水势原位监测中的原理与操作技能，以下培训与学习资源可供参考：

推荐培训主题：《电子张力计在土壤水势原位监测中的应用技术：原理、安装与数据解读》

核心内容建议：

1. 土壤水势的物理概念与SPAC水分运移理论

2. 张力计法的工作原理——从多孔陶瓷头到压阻式传感器

3. 机械式与电子式张力计的技术演进与比较

4. 传感器的注水、排气与安装标准化操作流程

5. 电压输出型与电流输出型信号的选择与应用场景

6. 数据采集与处理的常见问题（信号漂移、温度影响、异常值处理等）

7. 多深度布设与剖面土壤水势监测策略

8. 张力计在灌溉决策中的实践应用

7. 科研应用与数据质量保障
7.1 典型应用场景

智能灌溉决策与水分管理：通过连续监测根区土壤水势，在土壤水势降至预设阈值时启动灌溉，在达到适宜水势值时停止灌溉。这种基于“阈值触发”的灌溉策略是实现精准灌溉的科学基础。

土壤水分动态与SPAC水分运移研究：通过多深度剖面监测，研究降雨、灌溉和植物蒸腾条件下土壤水势的时空变化规律，深入理解土壤-植物-大气连续体中的水分运移机制。

作物水分胁迫诊断：通过监测不同深度土壤水势的变化，判断作物的水分胁迫状态和主要吸水层位，为制定灌溉策略提供参考。

土壤水文过程研究：结合土壤水分和土壤水势的同步监测，获得土壤水分特征曲线的动态信息，研究土壤的持水性能和释水特性。

生态环境监测：在自然保护区、湿地和生态修复区开展土壤水势的长期监测，评估生态系统的水分状况和水分收支平衡。

7.2 数据质量控制要点

传感器安装质量：传感器安装质量直接影响数据的代表性和响应速度。应确保陶瓷头与土壤紧密接触，安装过程中尽可能减少对土壤原状结构的扰动。

水势与含水量的联合分析：在解释土壤水势数据时，建议同时参考土壤含水量数据。相同水势值在不同质地土壤中对应的含水量可能截然不同，脱离含水量的水势数据容易引起误判。

温度效应的考虑：压阻式传感器的输出受温度影响，虽然电子张力计通常内置温度补偿电路，但在极端温度条件下仍可能出现漂移。建议在数据处理时关注温度变化趋势。

异常值的识别与处理：在实际监测中，由于土壤不均匀性、根系分布差异或传感器接触不良等因素，可能出现异常数据。建议结合数据变化趋势和时间序列平滑方法识别并标记异常值。

7.3 方法学注意事项

• 量程的局限性：电子张力计适用于湿端（0~-999 hPa）的土壤水势监测。在干旱半干旱地区或极端干旱条件下，当土壤水势低于张力计的量程下限时，应考虑配合露点法进行监测。

• 土壤质地的差异：不同质地的土壤对水势变化的响应特征不同。砂质土壤水势对含水量变化敏感，黏质土壤则表现出更宽缓的水势-含水量关系。

• 根系影响：靠近植物根系的张力计读数可能受到根系吸水造成的局部水势降低的影响。在设计监测方案时应考虑根系分布特征。

结语：电子张力计通过将压阻式压力传感技术与传统张力计的多孔陶瓷头-水力学架构相结合，实现了土壤水势的原位、快速、自动化监测。压阻式传感器的引入消除了机械式真空表的响应迟滞和读数误差，使响应时间缩短至1秒以内，精度提升至优于1%。标准化电压（0~100 mV）或电流（4~20 mA）信号输出使设备能够无缝集成到现代自动化数据采集体系中，为农田灌溉决策、生态水文研究和环境监测提供可靠的土壤水势数据支撑。可更换陶瓷头设计和免维护运行特性大幅降低了长期监测的运行成本。随着精准农业和智慧水利的不断推进，电子张力计技术将在土壤水势监测和水资源管理中发挥越来越重要的作用。