土壤温度传感器

    土壤温度（水分）传感器^[1]，又名：土壤墒情仪，土壤墒情传感器，主要用来测量土壤中的温度、水分。土壤温度（水分）传感器就是测量土壤不同深度节点的仪器。一些土壤水分（温度）传感器能同时测量土壤的水分含量、土壤温度及土壤中总盐分含量三个参数。

　　土壤温度是植物吸收水分的重要指标（水培植物除外），土壤温度的状态和变化，直接影响植物吸收水分的多少，是植物的生长状况好坏的主要因素，由此影响到人类的食品安全和生态环境。因而，地球上的土壤和水是人类乃至所有生命生存的基础，通过土壤温度（水分）传感器测量土壤中的温度和含水量，目前广为人知的主要有以下用途：

• 为科学灌溉提供决策支持

• 　　目前，农业用水已占到全球淡水资源消耗的92%。在中国，农业灌溉用水的全国平均利用率仅为45%（参阅词条“灌溉水利用系数”），55%的水以过量灌溉后大量渗漏渗透到植物根部以下、地表径流流失、输水渠道渗漏等方式被浪费。在45%被保存在土壤的水中，又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥一体化不到位等原因，很多的水未能被作物有效利用。

  　　使用土壤温度（水分）传感器能动态跟踪掌握农作物根系在土层中的具体深度位置、作物根系的动态吸收消耗水分情况；使用土壤温度（水分）传感器所记录生成的土壤水分曲线图，能够以直观、量化的方式展现出土壤中不同土层的温度、水分含量随着时间的变化情况，进而做出农田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉开始时间、灌溉持续时间、灌溉量上限、土壤水分含量下限等关键因素。

  　　科学的灌溉决策，使农作物生活在一个农作物真正感到舒服的土壤环境中，对提高农作物的产量大有裨益。

  　　另一方面，人们也不总是希望控制农作物生存在舒服的环境当中以提高产量，人们也会考虑农产品的质量因素。比如，合适的土壤湿度会使葡萄的产量很高，但葡萄就会不一定很甜。在法国、西班牙、美国等优质的葡萄酒产区，在葡萄生育的后期，人们使用土壤水分传感器的目的却是监测土壤水分含量，使土壤水分含量保持相对偏低的状态。

• 为政府部门提供数据支持、政策依据

• 　　由土壤温度（水分）传感器监测到的土壤水分、土壤温度数据，是农业、水利、气象和国土等政府部门进行相关政府活动、制定和执行相关政策的依据，也是政府为百姓提供的基础公共服务之一。比如近些年来，各地方政府踊跃推出的政府惠农信息服务平台，为当地老百姓提供了大量的土壤墒情数据、春种秋收指南，土壤温度（水分）传感器是这些数据的基础来源之一。

  　　在国家抗旱防汛体系中，有大量安装在全国各地的旱情、墒情监测站，水文站，土壤水分传感器是这些站点最重要、最基础的仪器。

• 为山体滑坡等自然灾害提供预警

• 　　2013年，中国共发生地质灾害15403起，其中滑坡9849起，造成不可估量的人员伤亡及财产损失。大量的山体滑坡是由降雨等因素使山体含水量增加、山坡重量增大，山坡重力超过下层土壤见摩擦力进而山体滑坡。土壤水分传感器是山体滑坡监测预警系统中最重要、最基础的仪器。

• 为土壤、植物、环境等科研提供数据

• 　　土壤水分传感器被广泛的应用于土壤学、植物生长于水的关系研究、垃圾填埋场的渗漏监测、肥料利用率优化、全球变暖的影响研究等领域。

① 直接影响

A. 影响种子发芽和出苗

与气温相比，对种子发芽和出苗的影响，土壤温度要直接得多。作物的种子必须在适宜的土壤温度范围内才萌发。但是，土壤温度随地形、土壤水分、耕作条件、天气及作物覆盖等影响而变化。

B.影响作物的生长发育速度

在一定的温度范围内，土壤温度越高，作物的生长发育越快。一年内某时段出现低温或高温，常常给农业生产带来危害。过高的土壤温度使植物根系组织常加速成熟，根系木质化的部位几乎达到根尖，降低了根表面的吸收效率。土壤温度低，作物根系吸水缓慢，当气候条件适于蒸腾时，植株地上部分常呈现脱水或缺水。土壤温度过低，常使冬作物的分孽节或根系产生冻害，强低温延续的时间长短和降温及冻融的速度都影响到冻害的程度。

C. 作物块茎冰冻

在秋冬季节，必须在作物块茎能经受的最低温度之前进行收获，比如：当土壤温度在-1-2℃时，马铃薯块茎就会被冻死。

例子：一般耐寒的谷类作物，种子萌发的平均土温为1-5℃；喜温作物为8-10℃。一般作物的根系在土壤温度2-4℃时开始生长，在10℃以上根系生长比较活跃，超过35℃时根系生长受到阻碍。冬麦在12-16℃时生长良好，玉米、棉花等为25℃左右，豆科作物的根系在22-26℃生长良好；马铃薯块茎成熟期30天内，15-27℃是块茎形成的合适土壤温度。

② 影响作物的生理过程

在O-40℃之间，细胞质的流动随升温而加速。在20-30℃的范围内，温度升高能促进有机质的输送。温度过低，影响营养物质的输送率，阻碍作物生长。在O-35℃范围内，温度升高能促进呼吸，但对光合作用的影响较小，所以低温有利于作物体内碳水化合物的积累。适宜的土壤温度还能促进作物的营养生长和生殖生长。

例子：春小麦苗期，地上部分生长最适宜的土壤温度为20-24℃，后期为12-16℃，8℃以下或32℃以上很少抽穗；冬小麦生长适宜的土壤温度要低一些，24℃以上能抽穗，但不能成熟。间接影响土壤温度影响环境条件中的其他因子，从而间接影响作物的生长发育。

③ 影响土壤中有机质和N素的积累

大多数土壤微生物的活动要求有15-45℃的温度条件。超出这个范围（过低或过高），微生物的活动就会受到抑制。土温对土壤的腐殖化过程、矿质化过程以及植物的养分供应等都有很大意义。土壤有机质的转化也受土温的影响，南方高温地区，有机质分解快；北方温寒地区，则分解慢，土壤中的养料和碳化周转期远比南方要长。所以在高温的南方应加强有机质的累积，而在较寒冷的北方则应侧重于加速有机质的分解，以释放养分。

土壤有机质的转化与温度的关系很大，热带地区温度高，有机质分解快；寒温带温度低，有机质分解慢，其所含养料周转期远比南方长。所以，在南方，调节土壤的有机质偏重于加强有机质的积累，而在寒冷地区则更多的侧重于加速有机质的分解以释放养分。在南方水田中，早春使用大量的绿肥后，由于春后气温和土温的升高，土壤有机质的分解相当迅速，加之地表水膜已隔绝了大气与土壤之间的气体交换，如果土壤中地下水位又高，土体内所蔽蓄的空气本来就不多，这就已造成缺氧条件，特别是在大量使用新鲜绿肥或未腐熟肥的情况下，由于肥量的迅速分解耗尽了氧气，就更造成土壤氧化还原电位的急剧下降，产生H2S和过多的Fe2+、Mn2+离子，引起有机酸的积累造成对水稻根系的毒害，抑制其吸收养分的机能。旱地土壤中最有利于硝化过程的土壤温度是27 ℃~ 32 ℃。在冰冻土壤中，硝化作用几乎出停顿对状态；在-1 ℃~ 4 ℃时，土壤中开始有硝化作用，但反应非常缓慢，其硝化速率仅相当于25 ℃时的1% ~ 10%，随着温度的升高，硝化细菌渐趋活跃，10 ℃、15 ℃、20 ℃时的硝代速度相应为25 ℃的20%、50%、80%。由土温引起的土壤N素供应商的季节性差异，是制定施肥制度的一个重要依据。

④ 土壤温度对土壤P素供应的影响

土壤P素的季节性变化较为复杂。水稻土中暖季里土壤P素有效性增加，主要由于土壤渍水后，硫酸铁在还原条件逐渐变为可利用态的缘故。彭干涛等（1980）在江苏宜兴的定位观察表明，6种不同肥力水平的土壤上，不同季节土壤速效P量的差异，并未达到统计上的显著，并发现土壤速效P量并不受季节温度变化的影响。他们认为，温度对植物P素营养的影响，可能是根系吸收P素受温度影响较大缘故。根据侯光炯等研究，铁铝胶体结合的P要在30 ℃左右才能活化，一般夏季气温高时，土壤中的P活性大；冬季气温低时，土壤中的P活性小。万兆良（1981）的实验表明，土温对P 的固定似有一定影响，紫色土和山地黄壤等6种不同土壤中，土温由10 ℃~ 15 ℃上升到30 ℃，P32固定量减少20% ~ 70%。

⑤ 土壤温度对土壤K素容量和强度关系的影响

温度是影响土壤中K素动态变化的一个重要因素。土壤温度的变化影响到土壤中K 的固定和释放，影响到K+在土壤中的扩散过程和粘土矿物对K+的选择吸收。温度对土壤中K+的影响是多方面的。Ching和Barber曾经研究过温度对土壤中K+扩散过程的影响，发现K+的扩散系数随温度的升高而增加。Feigenbaun和Shainberg发现提高温度可以增加土壤中缓效K的释放速率。Sparks和Liebhardt研究了温度对土壤中K+平衡过程的影响，发现升高温度增加土壤对K+的选择吸附。金继运等（1992）的实验结果表明，随着温度的升高，土壤供K能力增加，缓冲性能下降。本项研究结果表明，温度可以改变土壤K素的Q/I关系，升高温度增加了土壤溶液中K+的活度，提高了土壤的K能力。可见土壤温度是影响土壤中K素动态变化和土壤供K能力的一个不可忽视的重要因素。尤其是在中国北方经常发生早春低温冷害的地区，温度的影响可能更为明显。

⑥ 土壤温度对土壤电导性的影响

土壤温度对于土壤介质的性质影响较大，对于土壤电导尤为明显。李成保和毛就庚（1989）以砖红壤、赤红壤、红壤、黄棕壤、滨海盐土、内陆盐土和苏打盐土为试材，用热敏电阻性温度传感器，测出不同土壤处理及其电导率与温度的回归统计数据。结果表明：实验条件下，土壤电导率与温度的相关系数α为0.960 ~ 0.999，有很好的线性关系。土壤电导率随温度升高而增大。温度每升高1℃所引起的电导率的变化量（“电导温度变率”）是因土壤介质而异，顺序为：盐土>；黄棕壤>；可变电荷土壤。不同土壤之间电导温度变率的顺序为：滨海盐土>；内陆盐土>；苏打盐土>；黄棕壤>；砖红壤>；红壤>赤红壤。

⑦ 土壤温度对土壤水分状况的影响

土温对土壤水分状况的影响是多方面的。土温升高时，土壤水的粘滞度和表面张力下降，土壤水的渗透系数随之增加，土温25℃时水的渗透系数为0℃的2倍。土壤水分的自由能与土壤温度密切相关。张一平等（1990）以陕西省红油土、垆土、黑垆土为供试土样，试验结果表明，温度对土壤水势具有明显的影响，3种土壤皆呈现随温度升高土壤水吸力降低的特点。在测定的含水量范围内，温度与吸水力之间呈现极显著的负相关，相关系数（r）在- 0.990 6 ~ 0.999 0(n=5）。这是由于温度升高时，水的粘滞度和表面张力降低所致。在等吸力时，温度高者，含水量则较低。

⑧ 土壤温度对土壤中生物学过程的影响

土壤温度对微生物活性的影响极其明显。大多数土壤微生物的活动，要求温度为15 ℃~ 45 ℃。在此温度范围内，温度愈高，微生物活动能力越强。土温过低或过高，超出这一温度范围，则微生物活动受到抑制，从而影响到土壤的腐殖或矿质化过程，影响到各种养分的形态转化，也就影响到植物的养分供应。例如，氨化细菌和硝化细菌在土温28 ℃~ 30 ℃时最为活跃，如土温过低，往往由于硝化作用极其微弱，而使作物的N素养分供应不足。土壤温度达到52 ℃时，硝化作用停止。

⑨ 对土壤水(溶液）的移动，土壤水存在的形态以及土壤气体的交换等的影响

土壤温度越高，土壤水的移动越频繁，土壤中的气态水就较多；土壤温度低时，土壤水的移动近于停止。土壤水常转化为固态水。作物在一定的生育阶段，适应不了过高的土壤温度，需要降低土壤温度以保证作物的正常生长发育。

北方地区，气候寒冷，土壤温度低是农业生产上的主要矛盾，采取垄作，可增加对太阳辐射的吸收量和减少反射。垄作的昼夜平均土壤温度可高于平作；深耕松土，增加土壤中的孔隙，改善土壤底层的通气透水状况，也可提高土壤的吸热和增温、保温能力；适时、适量进行冬灌，使土壤含水量大，散热缓慢，土壤温度变化比干燥土壤缓慢，可保护冬作物安全越冬。

应用领域 

土壤温度（水分）传感器广泛使用于气象、环境、农业、林业、水利、电力、科研等需求丈量土壤温度（水分）的领域。