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。此外，分析完成后，这些方法仅能提供少数几个用于构建SWRC的数据点⁹。而且，在较低基质势下，使用压力板等传统方法获取代表性数据的准确性可能存在问题，特别是对于质地较细的土壤^10,11。相比之下，一些更现代的技术，如利用张力计进行的简单蒸发实验法以及冷镜露点法，通常能够在多种土壤质地条件下提供更具可重复性的数据²。简单蒸发实验最初由Wind于1968年提出，其原理是通过张力计连续测量土壤样品在蒸发过程中随时间变化的水分质量与张力变化¹²。随着蒸发过程的进行，定期记录土壤样品的质量变化，从而构建SWRC。该方法随后由Schindler（1980年）改进，仅在土壤样品中不同压力水头位置放置两个张力计。这一改进后的方法经过测试与验证，已被证实可用于科学研究^13,14。简单蒸发实验的一个关键优势在于，相较于传统方法，它能够更便捷地在土壤水分曲线的大部分范围（0 至 -300 kPa）内生成更多数据点。

这些现代方法涉及使用自动化仪器，在整个样品分析过程中采集大量数据点，并通过软件界面生成数据。液压特性仪器是一种现代仪器，可利用样品数据生成水分持留曲线和导水率曲线¹⁵。通过使用液压特性仪器进行简单的蒸发实验，可以评估土壤中含水量与水势之间的关系¹。在该实验中，张力计杆内的水分与土壤溶液中的水分处于平衡状态。随着土壤水分蒸发，土壤样品逐渐变干，张力计内发生空穴现象，实验随之结束。液压特性仪器在土壤水分特征曲线（SWRC）的干燥区间存在局限性，因为该仪器仅能在基质势为0至-100 kPa的范围内工作。这一局限可通过结合使用露点冷冻镜法实验获得的数据加以弥补，该实验利用土壤水势仪器¹⁶，可将数据范围扩展至-300,000 kPa，即永久萎蔫点。所有这些数据在后期通过建模软件进行整合处理，从而连贯地描绘出从零张力到更高张力（甚至超过萎蔫点）的完整土壤水分特征曲线。随后，基于测量期间获取的基质势数据点，生成土壤水分特征曲线和水力传导曲线，进而绘制出从饱和状态到永久萎蔫点的完整曲线。

本文所述方法提供了一种使用水力性质仪器进行土壤分析的简明操作流程。该方法已在多种科研环境中得到应用，包括在多种农业生态系统中对土壤健康状况进行量化分析^3,17,18,19，并已有研究致力于探索超越仪器用户手册所载内容的最佳操作实践²⁰。本文详细阐述了该流程的各个标准化步骤，包括野外采样、样品制备、软件操作及数据处理。遵循本方法可确保顺利开展实验并获得可靠的数据。文中还列出了保障数据质量的关键步骤、常见挑战及最佳实践，以确保方法的正确实施。

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，即表示已达到饱和。

2. 传感器单元与张力计的建立

1. 张力计准备
   1. 将张力计在脱气去离子水中浸泡 24 小时：每个用于分析实验的传感器单元需配备一个长型（50 mm 长）和一个短型（25 mm 长）张力计。
   2. 密封盛放张力计的容器，以限制空气扩散进入水中。
2. 使用真空泵法对传感器单元进行脱气
   注意：对实验中将使用的每个传感器单元均需完成以下步骤。
   1. 使用 20 mL 注射器和细尖针头，将脱气去离子水注满两个张力计轴端口至端口顶部。通过向端口内照射光线并检查是否存在碎屑，确保压力传感器清洁。
   2. 将丙烯酸顶盖安装到传感器单元上，并扣紧金属夹。将装有脱气去离子水的注射器插入丙烯酸顶盖的开口中，注水至略低于丙烯酸头顶部的位置。
   3. 通过将脱气装置上的“T”形管插入丙烯酸头顶部，将丙烯酸顶盖连接至脱气单元。
      注意：每个脱气单元可连接两个带丙烯酸顶盖的传感器单元。
3. 张力计重新注水
   1. 将两个支架固定杯放置在脱气单元的两个可用位置上，然后向每个杯中注入 ¾ 体积的脱气去离子水。
   2. 将张力计旋入螺纹丙烯酸支架中，然后移动黑色 O 型圈使其与丙烯酸支架顶部对齐。将组装好的张力计放入支架固定杯内的脱气去离子水中。
4. 开始真空脱气
   1. 确保所有连接处均紧密连接，以防止泄漏。
   2. 开启真空泵，直至达到 -0.4 Bar；然后关闭真空泵，让系统平衡压力。再次开启真空泵，直至达到 -0.8 bar。
   3. 将传感器单元组件底部轻敲在厚毛巾上，以去除传感器单元张力计端口中的气泡。
   4. 使系统在真空状态下持续至少 24 小时。通过关闭真空泵并观察压力是否保持稳定来检查是否存在泄漏。由于系统在平衡过程中会缓慢失压，需定期开启真空泵以恢复所需真空压力。
   5. 24 小时后，从丙烯酸顶盖上取下管路，并将所有张力计从丙烯酸支架中取出。将短型和长型张力计分别放入盛有脱气去离子水的烧杯中。

3. 启动实验方案

1. 传感器单元的准备
   1. 将传感器单元组件插入系统连接线中。
   2. 在已连接的传感器单元下方放置吸水材料（如毛巾），并通过松开金属夹取下丙烯酸顶盖。
   3. 对于多传感器设置，重复步骤 3.1.1 和 3.1.2；对于单传感器设置，则继续进行步骤 3.A.iv。
   4. 点击数据测量软件以打开程序，并点击 显示设备 图标。
   5. 确保所有已连接的传感器单元均出现在软件侧边栏中。
2. 张力计安装
   1. 点击软件顶部的 灌注向导 图标以打开用户界面。从下拉菜单中选择相应的传感器单元。
      NOTE: 若传感器的初始读数为 0 hPa（± 5 hPa），则表明其处于良好工作状态。
   2. 从烧杯中取出一个张力计。确保其杆部无可见气泡，且张力计杆顶部形成凸形弯月面的水膜。若无凸形弯月面，使用注射器向张力计顶部添加脱气去离子水。
   3. 将张力计上的黑色 O 形圈移至螺纹中央位置。
   4. 将张力计倒置插入传感器单元上的存水中，同时保持弯月面完整。
   5. 将短型张力计安装在标有短线的张力计接口中，将长型张力计安装在标有长线的张力计接口中。
   6. 在观察 当前读数 选项卡中的压力读数的同时，小心地将张力计旋入张力计接口。通过旋转半圈至一圈，实现紧密密封。
      ​NOTE: 安装至张力计接口后，确保张力计读数为 0 hPa（± 5 hPa）。
   7. 在张力计顶部安装一个装有脱气去离子水的硅胶球，以防止在安装其他张力计时其尖端干燥。
   8. 对本次实验中使用的所有张力计和传感器单元，重复步骤 3.2.1 至 3.2.7。
3. 样品在传感器单元上的放置
   1. 从脱气去离子水容器中取出一个饱和样品及其对应的饱和板，并将其放置在工作台面上。
   2. 将钻孔导向器放置在样品环上方。
   3. 将张力计杆钻头插入导向器的孔中，并完整旋转一圈以取出土壤。对第二个孔重复此操作。
      NOTE: 记录每个孔在土壤样品中钻入的深度，因其对应于张力计的高度。
   4. 移除钻孔导向器，并确保土壤样品中的孔未发生塌陷。
   5. 取下每个张力计上的硅胶球，并将硅胶垫片放置在传感器单元顶部。
      NOTE: 确保硅胶垫片下方无空气滞留，且温度传感器未被覆盖。
   6. 将样品芯中的孔与传感器单元上对应张力计的高度对齐。
   7. 将样品芯倒置并放置在传感器单元上方，使样品与张力计贴合。
   8. 移除咖啡滤纸和饱和板。使用传感器单元侧面的金属夹固定土壤芯。
   9. 对所有样品重复步骤 3.3.1 至 3.3.8。
4. 系统实验启动
   1. 每个传感器单元设置完成后，输入金属芯上的样品编号，使其与各传感器单元的序列号对应。输入本次野外实验的唯一名称，然后点击 浏览 以保存文件存储位置。
   2. 点击“开始”。
   3. 在完成两次张力计读数后，获取初始重量读数。首先，从传感器单元上拔下连接线，等待软件中出现对话框，然后将传感器单元放置在电子天平上。当软件提示已记录重量读数后，将其从天平上取下并重新插入连接线。对所有传感器单元重复此操作。
   4. 在测量的前两天每天称重 3 次，之后在实验剩余期间每天以固定时间间隔称重 2 次。

4. 系统活动终止

1. 软件终止
   1. 当样品达到进气点后，对每个传感器单元进行最终的重量测量。
   2. 点击 停止，并断开每个传感器单元的连接线。
2. 试验拆卸
   1. 从传感器单元中取出样品岩心。将所有土壤材料放入容器中，并将土壤样品放入烘箱干燥。
      注意：若处理细质地土壤，应在从传感器单元中取出样品前一小时内对每个土壤样品进行润湿。
   2. 取下硅胶圆盘，如有必要，用湿毛巾清洁传感器单元顶部。
   3. 小心地从插槽中取出每个张力计。若张力计尖端有污物，可用软毛牙刷和水清洁。
   4. 通过将传感器单元倒置，并用安全洗瓶喷水，清洁传感器单元表面。
   5. 将传感器单元倒置，用注射器向端口注水，清洁张力计轴端口。

5. 数据分析

1. 获取每个样品及其相应金属套筒的干土重量。
2. 点击数据分析软件以打开程序，并点击样品文件在软件中打开数据。在信息选项卡的参数部分输入金属套筒的重量。
3. 点击测量选项卡 | 搜索进气点。为精细调整空穴发生点，移动张力计数据范围内的起始点和终止点虚线。如果需要为软件明确指定进气点，也进行相同操作。
4. 点击评估选项卡，在含水量计算下确保已选择根据干土重量 (g)，并输入干燥土壤的重量。
5. 点击拟合选项卡 | 应用最适用于数据的模型。
6. 点击导出选项卡，选择文件路径，并确保文件以 .xlxs 格式导出。
7. 对每个土壤样品重复步骤 5.1 至 5.7。

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（cavitation）和进气点（air entry point），以便最准确地确定土壤水分特征曲线（SWRC）。如果曲线中缺乏清晰的空穴现象和进气点，数据仍可使用，但所得SWRC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¹⁵。软件随后将所选模型应用于张力曲线，建模结果将在输出选项卡中显示。水分特征曲线 θ(h) 以及非饱和导水率 K(h) 或 K(θ) 均由建模软件生成，其中 θ 表示体积含水量，K 表示导水率，h 表示基质势¹⁴。土壤水分特征曲线（SWRC）及导水率数据输出的代表性示例见图3。采用 van Genutchen/Mualem 模型拟合的输出数据见图4。

所得输出曲线可用于确定模型输出曲线，而模型输出曲线是多种土壤描述性参数和水力数据的基础。主要通过该方法获得的初始数据生成土壤水分特征曲线（SWRC），但也可由此推算出其他参数，如孔隙度、容重、饱和含水量以及样品土壤的田间持水量。可通过比较结果（图4）来理解土壤中存在的特性，并对不同处理间进行比较。

图1：实验流程概览。 执行本实验方案前，必须完成土壤样品和水力特性仪器的准备。箭头表示工作流程顺序，从样品和仪器准备开始，到数据分析和样品后处理结束。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2：理想与非理想张力曲线示例。（A）理想曲线：正常测量进行，达到空化点后，张力计杆内的张力迅速下降至环境压力。两条曲线的空气进入点均出现在约 700 hPa，随后测量即停止。（B）非理想曲线：正常测量进行并达到空化点，但张力计杆内的张力未迅速下降，难以判断空气进入阶段的起始位置。该曲线仍可通过数据后处理时进行人工调整来辅助构建土壤水分持留曲线，但其准确性低于（A）。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3：软件输出曲线。 在未应用任何模型前，软件中显示的土壤持水性与水力传导率曲线。（A）土壤持水性曲线，以及（B,C）样品分析完成后，在分析软件中呈现的水力传导率曲线。请点击此处查看该图的放大版本。

图4：应用模型后的输出曲线。图4 输出数据可通过仪器软件拟合至某一模型。此处显示的是经模型拟合的数据；（A）土壤水分特征曲线，以及（B,C）应用van Genuchten-Mualem模型拟合得到的水力传导性曲线。均方根误差（A）为0.4%，（B）为7.09%。请点击此处查看该图的放大版本。

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。

当达到空气进入点时，空化后的测量活动即告完成。在测量曲线上，这将表现为一个尖锐的峰值，随后两个张力计的张力读数均迅速下降至零，如图2所示。在测量结束后进行数据分析时，用户可进行修改以提高输出数据的准确性。例如，在数据处理软件中，如果张力曲线存在明显问题，用户可根据目视检查和主观判断，手动调整起始点、终止点和空气进入点。在测量活动开始阶段，张力计刚开始读数，而水分蒸发尚未稳定，此时可能出现较大的波动。此类数据噪声可在后期处理阶段通过在软件界面中将起始线向右移动而轻松去除。此外，若空化时张力计读数呈现平台状而非尖锐峰值，则软件可能难以自动识别空化的起始和结束位置。该问题可通过移动终止上限线和终止下限线至能够涵盖足够大斜率变化的刻度位置来解决，从而准确标定空化区间。同理，空气进入点也可采用类似方式进行调整，可将其移至曲线平台段的末端，以确保软件捕捉到数据域的正确部分。

由水力特性仪器生成的土壤水分特征曲线（SWRC）在干燥范围内的数据点较少，可能导致在将模型应用于数据时产生不准确的结果。通过引入覆盖干燥范围持水性的其他数据来源，可改善这一状况。可通过使用土壤水势仪器对相同土壤样品进行分析，然后将所得数据点手动输入分析软件，以补充额外的数据点。这些附加数据可提高干燥范围内估算结果的可靠性，且使用相对简便。如果研究目标涉及整个土壤水分持水范围，则结合两种仪器的数据将具有重要价值。有关土壤水势仪器的操作、测量适用性及其与水力特性仪器的联合使用，可参见现有文献^2,16,17,25。

土壤持水曲线和水力传导曲线对于表征土壤样品的物理特性及非饱和水力特性具有重要意义。在环境科学、农业科学和土壤科学的各个领域中，改变土壤物理和水力特性的土地管理措施可能对土壤健康产生长期影响^3,17。在土壤研究与监测中量化土壤指标和参数，有助于更清晰地认识不同管理措施对土壤的实际影响。了解田间持水量、植物可利用水量、孔隙大小分布以及水分传导性等特性，可为进一步判断有利于土壤健康的管理措施提供科学依据²⁶。推广使用本文所述的可靠方法，有助于深化并统一关于不同土壤管理方式在多种土地系统中关键影响的科学认知体系。

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