摘要：土壤水势是描述土壤水分能量状态的核心参数，在灌溉管理、水文过程研究、土壤学及地球科学等领域具有重要的基础性地位。传统的“湿”张力计依靠多孔陶瓷头与土壤水之间的水力联系来测量基质势，其测量范围受限于水的空化现象，且需要定期注水和排气维护。
基于地球物理勘探中自然电位法原理的非极化电极技术，通过测量埋设于不同土壤深度电极之间的电势差来获取土壤相对水势信息，整个测量过程无需水分参与，属于“干”张力计范畴。该技术在地球物理学领域已成功应用超过25年，其农学和环境领域的应用使研究者能够通过土壤水势监测来研究土壤水分移动规律。设备一经安装即可进行测量，无需日常维护，设计寿命可达10~15年。
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，为农业水利、水文学、土壤学及地球科学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（Soil Water Potential）是土壤水在能量状态上的量化表达，反映了土壤水与标准状态自由水之间的自由能之差。在非饱和土壤中，水势主要由基质势（因土壤基质对水分的吸附和毛细作用引起）和溶质势（因溶液中溶质浓度引起）组成。土壤水势的高低直接决定了水在土壤-植物-大气连续体（SPAC）中的运移方向和速率，因而是灌溉管理、水文模拟和生态水文研究中最关键的基础参数之一。

目前，土壤水势的测定方法主要分为以下几类：

• 张力计法（Tensiometer） ：最经典的土壤水势测定方法，通过多孔陶瓷头与土壤水之间的水力联系来测量基质势。标准张力计适用于0~-80 kPa的湿端范围，部分改进型可扩展至更低水势。其局限在于管路中需充满水，且需定期维护。
• 热电偶湿度计法（Psychrometer） ：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）。
• 滤纸法（Filter Paper Method） ：将滤纸作为被动传感器埋入或置于土壤中，待平衡后测量滤纸的含水量，通过滤纸标定曲线换算土壤水势。
• 压力膜仪法（Pressure Plate） ：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。
• 非极化电极法：基于地球物理勘探中的自然电位法原理，通过测量土壤中不同深度电极间的电势差来获取土壤水势信息。

1.2 “湿”张力计与“干”张力计的技术比较

传统张力计（亦称“湿”张力计）的核心工作介质是水——其多孔陶瓷头埋入土壤后，管内自由水通过多孔陶土壁与土壤水接触，经交换后达到水势平衡。当土壤变干时，陶瓷头接触的湿度表面张力势将管内的水分吸出，在管内顶部形成局部真空，通过真空表或压力传感器将真空度转化为土壤水势读数。标准张力计适用于测量0至-867厘米水柱的基质势范围。

“湿”张力计的技术局限主要包括：测量过程中需要水作为工作介质；需定期注水和排气管路中的气泡，维护工作量大；当水势低于约-85 kPa时可能发生气蚀（空化）导致测量失效。

非极化电极法（亦称“干”张力计）在测量原理上与传统张力计存在根本性差异。其核心工作特点如下：

对比维度	“湿”张力计（传统）	“干”张力计（非极化电极法）
工作介质	水	无（完全不需要水分参与）
测量原理	通过陶瓷头-水-真空表的水力联系测基质势	通过电极间电势差测土壤相对水势
维护需求	需定期注水、排气	无需维护，安装后即可测量
设计寿命	数年（取决于维护状况）	10~15年
响应特性	响应较慢，取决于陶瓷头渗透性	响应快速
适用范围	湿端（0~-80 kPa）	多学科应用

1.3 非极化电极法的技术原理

非极化电极法测定土壤水势的技术原理源于地球物理勘探领域已成功应用超过25年的自然电位法。其核心原理是将标准电极（参考电极）和其他电极分别安装于不同的土壤深度，通过测量标准电极和其他电极间的电势差来测量土壤相对水势。

其物理机制可概括如下：在非饱和土壤中，水分的运动伴随着电荷的迁移——水在土壤孔隙中流动时会产生流动电势（streaming potential），不同深度处积累的电荷量不同，从而在土壤剖面的不同位置之间形成电势差。这种电势差与土壤水势梯度之间存在定量关系。

非极化电极采用特殊的电化学设计（通常为Pb-PbCl₂体系），确保电极在长期埋设过程中保持稳定的电化学性能，不因电极自身的极化效应而产生显著的测量误差。标准电极通常埋设在较深位置（如80 cm深度），作为电势测量的参考基准，其他电极则布设在不同深度（如30 cm、50 cm、70 cm）以获取土壤水势的垂直分布剖面。

1.4 选型要点与选购指南

在选用土壤水势监测设备时，研究人员应综合考虑以下关键因素：

测量原理与适用场景：对于需要长期、无人值守监测的应用场景，“干”张力计（非极化电极法）具有免维护的显著优势。对于短期或临时性监测，“湿”张力计仍是可行的选择。

监测周期与维护条件：如果监测项目持续数年且现场难以频繁维护，10~15年免维护的设计寿命是重要的选型依据。

测量参数与输出形式：非极化电极法输出的是电势差信号（毫伏级），需配合毫伏计或数据采集器使用。

多深度剖面监测能力：通过在不同深度（如30 cm、50 cm、70 cm、80 cm）布设多个电极，可获取土壤水势的垂直分布剖面信息。

环境适应性：应关注设备的工作温度范围、防水防尘等级以及电极材质的耐腐蚀性能。

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

电极检查：检查电极外观是否完好、无机械损伤，电缆绝缘层无破损。非极化电极的化学体系（如Pb-PbCl₂）应保持完整。

测点选择与钻孔准备：选择具有代表性的监测点位，避开明显扰动区域和地下管线。使用土钻钻孔至目标深度，钻孔直径应略大于电极直径（32 mm），确保电极能够顺利放入。

2.2 标准操作流程

第一步——电极布设：将标准电极（参考电极）安装于基准深度（通常为80 cm），将其他测量电极分别安装于不同目标深度（如30 cm、50 cm、70 cm等）。电极安装时确保与周围土壤紧密接触，回填土应分层压实。

第二步——电缆引线与保护：将各电极的电缆沿地表引出，做好电缆的防护处理（穿管保护或埋入浅沟），防止机械损伤和动物啃咬。

第三步——电势测量：待电极与土壤达到电化学平衡后（通常需要数小时至数天，视土壤条件而定），使用毫伏计测量标准电极与各测量电极之间的电势差。

第四步——数据记录与换算：记录各深度处的电势差值，根据预先建立的“电势差-土壤水势”校准关系换算为土壤水势值。电势差的变化方向反映了土壤水分的运动方向。

第五步——长期监测：设备安装完成后即可进行长期连续监测。数据采集频率可根据研究需要设定（如每小时1次、每日1次等）。

2.3 操作经验与注意事项

• 电极平衡时间的把握：新安装的电极需要一定时间与周围土壤达到电化学平衡。在平衡期间测得的电势值可能存在漂移，建议在电极稳定后再开始正式数据采集。

• 极化影响的识别与控制：新电极的极化影响约为0.2 mV。在数据解释时应注意区分电极极化效应与土壤水势变化引起的信号。

• 温度影响的校正：温度对电势测量存在影响（20~30 µV/°C）。在高精度要求的应用中，建议同步记录土壤温度并进行温度校正。

• 电缆的机械保护：电缆承受的最大拉力为15 kg。在野外布设时应避免电缆承受过大拉力，并做好防护。

• 长期监测的稳定性评估：设备每月漂移量约为0.2 mV。在长期监测中，应定期评估漂移对数据质量的影响。

3. 新产品与新技术介绍
3.1 地球物理技术向农业与环境领域的跨界转移

非极化电极技术原本是地球物理勘探领域用于自然电位法测量的成熟技术。将这一技术跨界应用于农学和环境科学领域，使研究者能够通过测量土壤中的自然电位来推断土壤水分的运动方向和速率。

这一跨界转移的技术意义在于：地球物理领域已积累了超过25年的电极设计和现场应用经验，电极的可靠性、耐久性和环境适应性已经得到了充分验证。将该技术引入土壤水势监测领域，解决了传统“湿”张力计在长期无人值守监测中面临的维护难题。

3.2 “干”张力计概念的提出与实现

传统张力计因依赖水作为工作介质而被称为“湿”张力计。“干”张力计概念的提出，意味着在测量过程中完全没有水分参与。这一技术突破带来了以下重要改变：

• 消除了水的空化限制：传统“湿”张力计的量程受限于水的空化现象，“干”张力计不受此限制。

• 免除了注水和排气维护：传统“湿”张力计需定期检查和补充管路中的水，“干”张力计安装后无需任何日常维护。

• 延长了使用寿命：消除了因缺水、气泡或冻胀导致的失效模式，设计寿命可达10~15年。

3.3 剖面多点同步监测技术

通过在土壤剖面的不同深度（如30 cm、50 cm、70 cm、80 cm）同时布设多个非极化电极，可实时获取土壤水势的垂直分布剖面。这一多点同步监测能力对于以下研究具有重要意义：

• 水分运动方向的判定：通过比较不同深度电极间的电势差，可判断水分的运动方向（向上或向下）。

• 根系吸水层位的识别：通过监测不同深度的水势变化，可识别植物根系的主要吸水层位。

• 地下水补给与排泄的评估：通过剖面水势梯度的长期监测，可评估地下水的补给和排泄过程。

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“湿”向“干”发展：无需水分参与的“干”张力计技术因其免维护特性，在长期监测场景中具有显著优势。

从单点向剖面发展：多深度同步监测技术使研究者能够获取土壤水势的垂直分布信息。

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

从单一参数向多参数集成发展：土壤水势监测与土壤含水量、温度、电导率等参数监测相结合，实现更全面的土壤信息获取。

4. 行业标准与法规
4.1 国际标准

标准编号	名称	与本方法的关系
ASTM D3404-15	Standard Guide for Measuring Matric Potential in Vadose Zone Using Tensiometers	张力计法测定非饱和带基质势的标准指南
ASTM D5298-16	Standard Test Method for Measurement of Soil Potential (Suction) Using Filter Paper	滤纸法测定土壤基质势和总势的标准方法
ASTM D6836-25	Standard Test Methods for Determination of the Soil Water Characteristic Curve	土壤水分特征曲线测定的六种定量方法

ASTM D3404-15是张力计法测定土壤水势的核心标准，规定了利用张力计测定非饱和带土壤水势的方法及其适用范围。标准张力计适用于测量0至-867厘米水柱的基质势范围。该标准还涉及特殊设计的张力计在低温、偏远地区及深层土壤中的应用。

4.2 国内相关标准

目前，国内尚未发布专门针对非极化电极法测定土壤水势的国家标准。在实际科研工作中，土壤水势的测定通常参考以下规范：

• SL 364-2015《土壤墒情监测规范》 ：规定了土壤墒情监测的技术要求，是田间土壤水势监测的重要参考规范。

• GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》 ：提供了土壤基本物理性质的测定方法。

4.3 标准与原位测定技术的关系

需要指出的是，现行标准体系中的土壤水势测定方法主要以“湿”张力计法为基础（ASTM D3404-15）。非极化电极法作为一种相对较新的跨界应用技术，尚未被纳入主流标准体系。然而，该技术在地球物理领域已有超过25年的成熟应用历史，其方法学基础和现场可靠性已得到充分验证。在实际应用中，建议将非极化电极法的测定结果与传统张力计法进行比对验证，建立方法间的换算关系。

5. 市场分析
5.1 市场规模与增长趋势

全球土壤水分传感器市场保持快速增长态势。据市场研究机构统计：

• 全球土壤水分传感器市场2025年估值约4.02亿美元，预计2032年将达7.33亿美元，年复合增长率（CAGR）为8.94%。

• 另有研究显示，全球土壤水分传感器市场2025年估值为2.75亿美元，预计2032年将达6.12亿美元，CAGR为12.1%。

• 全球土壤水分监测系统市场2025年规模约1.49亿美元，预计2032年将达2.70亿美元，CAGR为9.0%。

在土壤水势传感器的细分市场中，免维护型“干”张力计技术因其在长期监测场景中的独特优势，市场需求持续增长。

5.2 需求驱动力

精准农业与智慧灌溉的推进：土壤水势是科学制定灌溉制度的核心依据。随着农业数字化转型的推进，对长期、连续、可靠的土壤水势监测设备的需求持续增长。

水资源管理与水文研究：在水资源相关的研究中，土壤水势监测是评估地下水补给、地表水-地下水相互作用及水文过程的重要手段。

土壤学基础研究：水分迁移研究和水势研究是土壤学的核心研究内容。

地球科学与地下水研究：地下水的流动研究需要长期监测土壤水势以理解包气带-饱和带的相互作用。

5.3 技术发展趋势

未来，土壤水势监测仪器市场将呈现以下趋势：

从“湿”向“干”转变：免维护的“干”张力计技术在长期监测场景中的市场份额将持续增长。

从单点向网络化发展：大规模传感器网络的建设和物联网技术的应用，将推动土壤水势监测从点状监测向面状监测发展。

从有线向无线传输发展：无线数据传输技术使土壤水势数据可实时传输至云平台。

多参数集成化：土壤水势传感器与土壤含水量、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。

6. 技术讲座与培训资源

为帮助技术人员掌握非极化电极法土壤水势监测技术的原理与操作技能，以下培训资源可供参考：

推荐培训主题：《非极化电极法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. 自然电位法的基本原理——从地球物理勘探到农业与环境应用

3. “湿”张力计与“干”张力计的技术演进与比较

4. 非极化电极的安装、布线与现场操作流程

5. 多深度剖面布设策略与电势差测量方法

6. 电势差信号的采集、处理与土壤水势的换算

7. 温度效应、极化效应与漂移的质量控制

8. 常见问题解析（电极平衡时间、信号漂移、电缆保护等）

7. 科研应用与数据质量保障
7.1 典型应用场景

精准灌溉管理：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，实现基于“阈值触发”的精准灌溉。

土壤水分运移研究：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，深入理解土壤中水分的运移方向和速率。

水文过程研究：在水资源相关的研究中，非极化电极法可用于监测地下水补给、包气带水分运移及地表水-地下水相互作用等水文过程。

地下水流动研究：在地球科学领域，通过监测土壤水势梯度来研究地下水的流动方向和速率。

非饱和土力学与岩土工程：在非饱和土中的水流研究方面，土壤水势监测为边坡稳定性分析和工程排水设计提供关键参数。

7.2 数据质量控制要点

电极平衡时间的充分保证：新安装的电极需要足够的时间与周围土壤达到电化学平衡。建议在电极安装后等待数小时至数天，待电势读数稳定后再开始正式数据采集。

温度影响的监测与校正：温度对电势测量存在影响（20~30 µV/°C）。建议同步记录土壤温度，必要时进行温度校正。

漂移的定期评估：设备每月漂移量约为0.2 mV。在长期监测中，应定期评估漂移对数据质量的影响。

极化影响的识别：新电极的极化影响约为0.2 mV。在数据解释时应注意区分电极极化效应与土壤水势变化引起的信号。

多点位布设与空间代表性：土壤水势存在显著的空间变异性。建议根据研究区域的变异程度合理布设电极数量。

7.3 方法学注意事项

• 电势差与水势的换算关系：非极化电极法测量的是电势差，需通过校准关系换算为土壤水势。建议在项目初期建立针对特定土壤类型的“电势差-水势”校准曲线。

• 与传统方法的比对验证：建议将非极化电极法的测定结果与传统张力计法进行比对验证，建立方法间的换算关系。

• 电极的长期稳定性：非极化电极的设计寿命为10~15年。在长期监测中，应定期评估电极性能是否下降。

结语：非极化电极法技术源于地球物理勘探领域已成功应用超过25年的自然电位法，其向农学与环境科学的跨界转移为土壤水势的原位、长期、免维护监测提供了全新的技术路径。该技术通过在土壤不同深度布设电极并测量电势差来获取土壤相对水势信息，全过程无需水分参与，属于“干”张力计范畴。与传统“湿”张力计相比，非极化电极法省去了定期注水和排气的维护工作，设计寿命可达10~15年，在灌溉管理、水文研究、土壤学及地球科学等领域具有广阔的应用前景。随着精准农业、智慧水利和生态环境监测的不断推进，非极化电极法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。