土壤水分傳感器：哪種安裝方法最好？

想要獲取理想的土壤水分含量數(shù)據(jù)，
除了選擇合適的傳感器，
安裝方式是決定監(jiān)測數(shù)據(jù)好壞的最關(guān)鍵因素...

譯/ 路翔 王瑾芳 賈子毅

源/http://www.environmentalbiophysics.org/soil-moisture-sensors-installation-method-best/

http://soilandwater.bee.cornell.edu/research/pfweb/educators/intro/why.htm

當拿到土壤水分傳感器，準備安裝在樣地里時，不知你是否考慮過：怎樣安裝，才能確保測量數(shù)據(jù)準確可靠？也許你會說，這有啥難的？挖個坑，把傳感器插入待測深度的土體，埋好，一接線，確認程序無誤，Perfect！但是，安裝也許不像看起來的那樣簡單。不信？待小編一一道來。

 傳感器和土壤是否充分接觸是關(guān)鍵

目前，絕大部分傳感器都是通過測量土壤的介電常數(shù)，推算土壤的體積含水量的。而不同物質(zhì)的介電常數(shù)存在很大差異（圖1），如空氣的介電常數(shù)是1，而純水的介電常數(shù)是80。因此，如果傳感器與土壤之間接觸不良或有間隙，傳感器的測量結(jié)果中就可能會混入空氣的介電常數(shù)信息，從而拉低土壤的實際介電常數(shù)值，導致推算的體積含水量偏低。

圖1 不同物質(zhì)的介電常數(shù)

 優(yōu)先流（Preferential Flow）對傳感器測量的影響

傳感器安裝過程中，可能會不經(jīng)意間形成優(yōu)先流通道，而優(yōu)先流會對傳感器的測量產(chǎn)生直接影響。那什么是優(yōu)先流（Preferential Flow）呢？在土壤中會存在孔洞和裂隙，這些孔洞和裂隙的形成原因有很多，如成土過程中自然形成的大孔隙、小型動物活動形成的孔洞、土壤干濕凍融交替過程中形成的裂隙、或是植物根系生長過程中形成的小孔等等。由于這些縫隙及小孔的存在，地表水在向下運移過程中會優(yōu)先通過這些小孔或是縫隙。在這個通道上，土壤水下滲運移速度會明顯更快一點，這就是優(yōu)先流（圖2，圖3）。

圖2 優(yōu)先流原理示意

圖3 土壤中優(yōu)先流染色實驗
 

通常，如果我們用土鉆豎直向下在地表鉆一個孔道，安裝土壤水分傳感器，之后將土回填。在這個過程中，我們可能就會人為制造了一個優(yōu)先流通道。在短時間內(nèi)取得的測量結(jié)果，就很可能受到優(yōu)先流的影響，尤其是當傳感器沒有安裝在側(cè)壁，而是豎直向下插入待測土體，如圖4中的第2種安裝方式。

圖4 幾種常見的土壤水分傳感器安裝方式

 溝槽式側(cè)壁安裝比較理想，但工作量大

為了盡量避免優(yōu)先流對測量的干擾，一個簡單的辦法就是溝槽式側(cè)壁安裝。這種安裝方法最大的優(yōu)點是將傳感器安裝在土壤剖面?zhèn)缺诘脑瓲钔辽?，盡可能的不受回填土及優(yōu)先流的干擾（圖5）。但是需要預先挖溝，挖出土方應分層堆放，待傳感器安裝之后按順序回填。缺點是如果傳感器要安裝在較深的土層中，工作量很大，必要時需要動用重型機械。

圖5 溝槽式側(cè)壁安裝方式 （攝影/杜啟燃）

 預制孔道側(cè)壁安裝

通過預制孔道，側(cè)壁安裝傳感器，不需要重型設備，較溝槽安裝方便了很多。所謂預制孔道，就是借助土鉆，在地表垂直向下鉆出一個豎直向下的孔道。根據(jù)傳感器的大小，孔道的直徑可大可小。之后將傳感器安裝在孔道側(cè)壁上（圖6中第3種安裝方法）。由于孔道內(nèi)徑不大，當傳感器安裝深度較深時，側(cè)壁安裝方式很困難。Meter為此開發(fā)了一個安裝工具，非常方便用戶在野外安裝土壤水分傳感器，詳見下面的視頻（安裝工具從視頻第35秒開始出現(xiàn)）。值得注意的是，與溝槽式側(cè)壁安裝一樣，回填土應分層砸實，保持和原來的土壤盡量相同的密度，減少優(yōu)先流和邊緣效應的干擾。

圖6 幾種常見的土壤水分傳感器安裝方式

土壤水分含量傳感器安裝專用工具
 

• 確保土壤水分傳感器和待測土體充分接觸；
• 無論采用哪種安裝方式，都需要考慮優(yōu)先流對測量的影響；
• 一般情況下，對比豎直向下安裝，側(cè)壁安裝方式更優(yōu)。