基于简易蒸发实验和水力特性分析仪测定土壤水势与导水率

摘要

本文介绍了一种使用水力性质测量仪器对土壤样品进行的简单蒸发实验。通过高效的方法，可在数天内连续测量，从而获得高质量的数据。

摘要

测量土壤水力性质对于理解土壤健康的物理组分以及在不同管理措施下土壤系统的综合知识至关重要。获取可靠的数据对于指导影响农业和环境的决策具有重要意义。本文所述的简单蒸发实验在实验室环境中利用仪器分析从野外采集的土壤样品。仪器测量样品的土壤水张力，并通过软件对张力数据建模以获得土壤水力性质。该方法可用于测定土壤水分保持能力和水力传导性，并揭示不同处理措施或随时间变化的环境动态之间的差异。该方法初始设置需由用户完成，但数据采集过程由仪器自动完成。传统的实验方法难以直接测量土壤水力性质，而本方案提供了一种简便且优化的替代方法。文中还讨论了结果的解读以及扩展数据范围的可选方案。

引言

自然环境和人为干扰环境中的土壤持水性与水力传导性有助于我们理解并观测土壤健康状况和功能的变化。通过土壤水分特征曲线（SWRC）和土壤导水曲线对水力特性进行量化，可深入了解土壤物理行为及水分运移特征的关键驱动因素¹。土壤体积含水量（θ）与基质势（h）之间的关系由SWRC表示，该曲线中的范围描述了饱和点、田间持水量和永久萎蔫点²。土壤管理措施、改良方式、农业生态系统类型以及环境条件均可能影响土壤水力性质^3,4。这些因素继而可影响溶质运移⁵和植物可利用水分⁶、土壤呼吸与微生物活性⁷，以及干湿交替循环过程⁸。作为量化健康且功能良好土壤的重要组成部分，对SWRC进行准确分析对于全面理解土壤水力特性至关重要。

目前存在多种测量技术可用于建立可靠的土壤水分特征曲线（SWRC），其中悬水柱法和压力板法是测定土壤孔径分布的两种常见传统方法²。传统方法通常耗时较长，分析少量样品往往需要数周甚至数月时间⁹....

方案

1. 土壤采样与样品制备

注意：本方法工作流程的示意图见图1。

1. 样品采集
   1. 挖掘目标采样深度上方几厘米的土壤，以去除不需要的杂物，特别是松散的有机凋落物和土壤表层结皮。
   2. 将金属采样环平放在暴露的土壤表面，锋利边缘一侧朝向土壤表面；然后将敲击套筒置于环的顶部。
   3. 使用橡胶锤反复敲击敲击套筒的顶部，直至金属采样环的上沿与土壤表面齐平。
   4. 在金属采样环周围挖掘，然后在其下方挖掘，将其从土壤中取出。
   5. 取出金属采样环后，使用铲子或刀具将其两端的土壤刮平；然后在采样环两侧盖上塑料盖。
   6. 在金属采样环上添加样品标签。
2. 样品储存与使用
   1. 分析前将样品储存在约 4 ^oC 的冰箱中。
   2. 分析前至少 24 小时，将样品芯放入装有脱气去离子水的大塑料容器中进行饱和处理。首先，取下金属采样环平边一侧的塑料盖，在其上放置一张咖啡滤纸，再放上饱和板。然后将采样芯和饱和板一起倒置放入容器中，并加入脱气去离子水至距离土壤样品顶部约 1 cm 处。根据需要补充脱气去离子水，直至土壤达到饱和状态。
      注意：当土壤暴露表面出现可见水分时，即表示已达到饱....

结果

按照上述方案完成一次恰当的测量实验后，即可在分析软件中查看实验的数据输出结果。输出曲线来源于张力计随时间（t）测得的水张力（hPa）读数，该数据的初始曲线在实验结束后立即生成。可通过两个土壤样品的张力曲线示例来说明理想与非理想的结果（图2）。理想结果的输出曲线应包含清晰的空穴现象和进气点，以便最准确地确定土壤水分特征曲线（SWRC）。若曲线中缺乏明确的空穴现象和进气点，数据仍可使用，但所得土壤水分特征曲线的准确性会降低，且需要在软件中进行更多的后期处理。

分析软件包含多种模型，用户可利用这些模型分析张力测量数据^21,22,23,24。在大多数情况下，van Genutchen/Mualem 模型是处理数据的有效选择；然而，用户也可根据其数据特点选择最合适的模型

讨论

采用本文所述方法的简单蒸发实验是构建土壤水分特征曲线（SWRC）和水力传导曲线的一种高效手段。由于数据测量简便且准确，该方法可作为传统方法的有效替代方案¹⁴。本文所述方法超越了用户手册和现有文献的范围，对这一复杂仪器操作中的细微要点进行了综合与拓展。在土壤样品的采集、运输和分析过程中需特别注意，以获得高质量的数据。取样时，金属环刀内的土壤应保持原状不受扰动。在敲击环刀过程中，应始终保持其水平，避免振动或倾斜导致土壤结构破坏，并在整个运输过程中小心处理样品。

此外，必须仔细控制进入仪器系统各部分的空气量。如果意外引入空气，输出的张力曲线准确性可能会降低。在组装和实施该方法的整个过程中，有许多步骤超出了制造商的建议，旨在消除空气进入系统的可能性。这些细节包括使用脱气水、改进的张力计重新注液程序，以及在土壤样品饱和过程中持续重复加水。必须确保实验中使用的任何水都已充分脱气，张力计已正确重新注液，并且传感器单元中的张力计端口内部无气泡或空气滞留。这些是在实验方案中必须严格遵守的关键环节，以确保实验的成功进行。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
4 升布赫纳烧瓶（两个）	Various	n/a	用于水的脱气容器
20 mL 注射器，细尖头	BD	BD-302830
咖啡滤纸	Various	n/a	浸泡过程中防止土壤从土芯中流失
HYPROP 完整套装	Hoskin	110813/E240-M020210	张力计探杆钻头、真空注射器和再填充适配器用管、钻头导向器、HYPROP USB 适配器、HYPROP 传感器单元、张力计探杆（50 mm 和 25 mm）、饱和板、再填充适配器、硅胶垫圈、O 型圈组、LABROS 天平、软件、电缆
HYPROP 再填充装置	Hoskin	108899/ E240-M020258	真空泵、真空安装支架、烧杯固定架、再填充适配器
大型塑料桶	Various	n/a	饱和过程中盛放水和土壤土芯
METER 锤击式取样器支架	Hoskin	100255/E240-100201
橡胶锤	Home Depot	18CT1031	与锤击式取样器支架配合使用的采样工具
铲子	Home Depot	83200
土壤取样环（含两个盖子）	Hoskin	100254/E240-100101
磁力搅拌器/搅拌子	Various	n/a
小铲	Home Depot	91365