室内测量土壤水分特征曲线的常用方法

撰稿人: 日期:2018-2-28 点击次数:1387

土壤水分特征曲线,也称土壤pF曲线,主要用于表征土壤水的能量与数量之间的关系,是描述及研究水在包气带和地下饱和蓄水层土壤中运移的关键资料,其准确性直接影响土壤水分运动和溶质运移的预测精度。该曲线是评价土壤持水特性、土壤水分有效性和土壤中孔隙大小分布状况的重要依据。
目前,实验室内测定土壤水分特征曲线的方法主要有自然蒸发法、离心法、压力板法、露点水势仪法、沙箱法和压力膜仪法等。
1. 自然蒸发法
在自然蒸发条件下,利用插入环刀土样内2个不同深度(1.25cm和3.75cm) 的微型张力计测得土样的水势,同时由天平测得土壤重量,最后采用专业计算软件获得干化法土壤水分特征曲线及模型参数。假定土壤含水量及水势在垂向上呈线性分布,因而取2个深度负压的算术平均值为土壤样品测定时的水势。其具体操作步骤为:
(1)逆向饱和原状环刀土样( 250cm3,5cm高) 12~24h,在饱和的环刀土样底部,利用配套工具挖出2个与张力计高度相匹配的孔洞,并注满水。
(2)将张力计安装到传感器单元上,之后将饱和后的环刀土样放置于传感器单元上。
(3)将传感器单元及天平的数据线与计算机连接,开始监测环刀土样的负压及质量变化。实验过程中,土样上表面自然裸露在空气中,在自然蒸发条件下进行测量(保持室内温度恒定,无外来风干扰)。
(4)实时观察土壤水势数据,当水势达到峰值(一般为-800hPa)并开始下降时,结束蒸发法测定实验。完成该实验一般需要8~12d。
(5)取出环刀土样放置在烘箱内,在105℃下烘干8~12h至恒重,称重获得干土质量及容重。
该方法可以连续自动地监测土壤吸力与含水量,可得到大量数据,测量精度高,配置方式灵活,操作简单,数据分析软件内置多种经典模型。但是,自然蒸发法只适用于低吸力范围,不能测定高吸力段的水分特征曲线。

2. 离心法
采用离心的方法可得到土壤的吸力、容重和重量含水量三者的关系,分析土壤持水特征测定中的容重变化特征;采用土壤水分特征曲线幂函数模型和土壤收缩特征线性模型获得容重与吸力间幂函数关系,由此获得高精度的土壤水分特征曲线。离心法比其他方法操作简单、省时,可测定较宽的吸力范围。但是测量过程中土壤密度、离心时间、测量误差对其结果影响较大。
3. 压力板法
压力板法通过控制水头和土壤样品之间的高差来控制土壤样品的水势,其特点是系统完全自动化,测量过程中不需要任何操作;并且可以在很小的水势范围内,进一步细分为不同的水势梯度;此外,压力板法还可以测量土壤的滞后现象。但是,该方法的测量范围仅局限于0~0.1bar。
4. 露点水势仪法
露点水势仪采用冷镜露点技术,通过测量封闭样品室中空气的露点温度,然后根据内部函数计算样品水势,采用天平称量所得的样品重量,从而获取某个特定时刻的土壤水势和含水量的数据。
露点水势法可快速得到测量结果,测量范围广。但是其参数设置复杂,影响测量精度。
5. 沙箱排干法
沙箱法的原理是饱和环刀土样在由悬挂水柱产生的一系列低负压(-2.5cm、-10cm、-31.6cm、-63.1cm和-100cm) 条件下通过水力学排水使环刀土样含水量达到平衡后称重,测得低吸力段的干化法水分特征曲线。
6. 压力膜仪排干法
压力膜仪法是通过施加外来压力使水分从土壤中流出,从而获得不同压力下的土壤含水量。在沙箱内完成低吸力段的测定后,接着采用压力膜仪测定高吸力段(-330cm、-500cm、1000cm、-5000cm和-15300cm)的干化水分特征曲线。联合沙箱和压力膜仪所测得的实验数据,即可获得全吸力段完整的土壤水分特征曲线。
压力膜仪法为测量土壤水分特征曲线的经典方法,具有测量范围广,精度高等特点,但是该方法也有测点过少,测量时间长,测量过程中噪音过大等不足。
针对现有土壤水分特征曲线测定方法各自存在的优缺点和适用范围差异,建议采用不同的方法分别测量低吸力和高吸力区间内土壤的水分特征曲线。对于超低吸力范围,可以采用压力板法,对于低吸力范围,推荐采用自然蒸发法,对于高吸力范围,建议采用露点水势法或压力膜法。最后所有的测量结果可以使用自然蒸发法的配套的专业软件拟合为一条完整的曲线。


 最新文献:
王红兰,唐翔宇,鲜青松等:紫色土水分特征曲线室内测定方法的对比。水科学进展,2016,27(2),240~248
主要结论:
紫色土孔隙大小呈两极化分布,大、中孔隙丰富且空间分布高度不均一,其表层土壤通过田间自然蒸发作用失水往往较为强烈,建议采用Hyprop仪和露点蒸发法测定高吸力段( h<-330cm) 的水分特征曲线。而对于亚表层土壤,因其主要通过水力学渗漏方式失水,建议采用压力膜仪排水法测定。
 
 
陈帅,陈强,孙涛等:黑土坡耕地秸秆覆盖对表层土壤结构和导气性的影响。水土保持通报,2016,36(1),17~21
主要结论:
秸秆覆盖处理可提高水分特征曲线,即可增加土壤饱和含水量、田间持水量和土壤有效水量。随着PF(土水势水柱厘米数的对数值)的不断增加,即水吸力不断增加,2种处理土壤表层保持的土壤水分均会下降,且在同一PF值下,2种处理土壤表层保持的土壤水分数量不同,秸秆覆盖处理的土壤表层保持的土壤水分数量要大于传统耕作处理。由于土壤水分特征曲线的高低反映了土壤持水能力的强弱,即曲线越高,持水能力越强,因此可以看出秸秆覆盖处理的表层土壤蓄水和持水能力高于传统耕作处理。
 
 
Peters, A., S.C. Iden und W. Durner (2015): Revisiting the simplified evaporation method: Identification of hydraulic functions considering vapor, film and corner flow, Journal of Hydrology 527, 531-542.



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