土壤—水吸力的测定—张力计法

张力计操作方法张力计是利用负压计测定土壤水分是从能量角度研究土壤水分运动的实用手段。

他是反映土壤墒情状况，指导灌溉最好的仪器设备。

张力计操作方法：1.开水冷却：将自来水煮沸20分钟后，放置冷却备用。

2.注水：开启集气管的盖子，并将仪器倾斜，用塑料瓶徐徐注入经煮沸后冷却的无气水，直到加满为止，仪器直立10—20分钟（不要加盖子），让水把陶土管湿润，并见水从陶土头表面滴出。

3.排气：再将仪器注满无气水，用干布或吸水性能好的纸从陶土头表面吸水（或在注水中处塞入一个插有注射针头的橡皮器，用注射器进行抽气，抽气时注意针尖必需穿过橡皮塞并伸入仪器内部。

同时用左手顶住橡皮塞，不让其松动漏气）。

此时，可以看到真空表的指针，指向40Kpa左右，并有气泡从真空表内逸出，逐渐聚集在集气管中。

缓缓拔去塞子，让真空表指针缓慢退回零位。

继续将仪器注满无气水，仍用上述方法进行抽气。

这样重复3-4次，真空表内的空气即可除去大部份。

4.集气：将仪器注满无气水，加上塞子，加以密封，并将仪器直立，让陶土管在空气中蒸发，约二小时后，即可见真空表的指针指向40Kpa或更高。

此时从陶土管真空表塑料管及集气管中会有埋藏的气泡逸出，同时，轻轻将仪器上下倒置，使气泡集中到集气管中。

5.再蒸发：将陶土管浸入无气水中，此时，可见真空表指针回零，打开盖子，重新注满无气水，加上盖子，再让陶土管在空气中蒸发。

此时，真空表的指针可升至50Kpa或更高。

同时轻轻将仪器上下倒置，收集逸出的空气。

6.重复：按以上步骤进行2-3次，每进行一次之后真空表的指针可升得更高，直到指针达到80Kpa时将陶土管浸入无气水中，真空指针转动回零。

打开盖子，注满水，盖子盖紧，将陶土管浸在无气水中备用。

张力计是利‎用负压计测‎定土壤水分‎是从能量角‎度研究土壤‎水分运动的‎实用手段。

他是反映土‎壤墒情状况‎，指导灌溉最‎好的仪器设‎备。

张力计测得‎的土壤水张‎力就是土壤‎对水的吸力‎。

土壤愈湿，对水的吸力‎就愈小；反之则大。

当土壤湿度‎增大到所有‎空隙充满水‎时，土壤水张力‎将降为零。

换言之，此时土壤含‎水率达到了‎饱和。

各种土壤的‎饱和含水率‎，以重量含水‎率和容积含‎水率而言都‎不一致，但对土壤水‎张力而言却‎是一致的都‎为零。

各种土壤的‎毛管破裂含‎水率也不一‎致，而土壤张力‎则近乎一致‎。

各种土壤在‎从饱和含水‎率到毛管破‎裂含水率的‎变幅内，土壤水对作‎物的作用和‎影响基本一‎致。

同一土壤水‎张力指标下‎，不同土壤有‎其不同的含‎水率，但同一的土‎壤水能量指‎标对作物的‎生理需水和‎根系吸收而‎言却是一致‎的。

严格说来，土壤释水过‎程和吸水过‎程中的同一‎土壤含水率‎对应的土壤‎水张力是不‎同的，这是由于土‎壤水的滞后‎作用所致。

一般说来，土壤的吸水‎过程是短暂‎的。

目前，习惯上还以‎土壤含水率‎指导农业灌‎溉，这就必须根‎据实测资料‎找出土壤含‎水率与土壤‎水张力的关‎系式，有了这个关‎系式便可根‎据观测的土‎壤水张力随‎时得知相应‎的土壤含水‎率，依据试验得‎到的土壤水‎张力指标就‎可指导农田‎灌溉，条件许可时‎，还可根据土‎壤水张力指‎标自动控制‎灌溉。

这样就不必‎再用烘干法‎测定土壤含‎水率，从而大大降‎低劳动强度‎，提高工作效‎率。

正因如此，在改进农业‎灌溉技术方‎面很有必要‎推广。

现以章丘市‎绣惠渠灌溉‎试验站实测‎资料为依据‎，进行分析，找出土壤水‎张力与土壤‎含水率的关‎系，以便用于生‎产实践。

- 1 -田间土壤含水率测量的几种主要方法1林剑辉 孙宇瑞※ 马道坤中国农业大学精细农业研究中心，北京，100083摘 要：土壤含水率是农业生产中一重要参数，本文对土壤水分的各种测量方法进行了全面的综合介绍。

首先讨论了称重法，张力计法，电阻法，中子法，r-射线法，驻波比法，时域反射击法及光学法等的基本原理。

其次由于土壤含水率受土壤质地，容重，含盐量，温度等影响，因此各种测量方法在实地测量时均会产生误差，本文紧接着详细分析了各种方法使用过程中产生误差的主要原因，并提出了相应的补偿措施。

最后，通过对这些方法的对比分析，得出了一些结论，并提出了土壤水分测量方法进一步研究的重点。

关键词：土壤含水率、传感器、测量1. 引言水乃生命之源，对于农作物而言，土壤水更是其发育、生长的重要条件。

在古中国农业中，将湿润的土壤称为“墒”，并有丰富的关于保墒、散墒等调节土壤水分状况（墒情）的技术和作业。

在现代农业中，能否对土壤水分进行有效测量与控制，是实现“精细农业”与“精细灌溉”的关键所在。

同时在水文科学、气象科学和生态科学中，土壤水分的测量也具有相当重要的意义。

土壤中水分含量称之为土壤含水率（Soil Moisture Content），是由土壤三相体（固相骨架、水或水溶液、空气）中水分所占的相对比例表示的，通常采用重量含水率（g θ）和体积含水率（v θ）两种表示方法[1]。

重量含水率是指土壤中水分的重量与相应固相物质重量的比值，体积含水率是指土壤中水分占有的体积和土壤总体积的比值。

体积含水率与重量含水率两都之间可以换算：c g v γθθ=，其中c γ为土壤干容重。

而Reynolds（1970）指出，采用体积含水率是克服土壤变异性对土壤含水率测量的影响的一种有效方法[2]。

由于作为水载体的土壤是一种多孔介质，物理化学特性复杂，空间变异性大，这些给土壤含水率的测量提出了很高的技术要求。

半个多世纪以来，科研人员针对这种状况，采用了不同的方法进行土壤水分测量的研究，各种测量技术也层出不穷。

实验六土壤吸力的测定土壤是一种非均质的多孔体，当其孔隙未充满水时对水有一定的吸持能力，并将水分保持在土壤中。

土壤的这一性质，来自土壤固一液界面上的界面张力和固体颗粒的吸力，二者统称为基质吸力。

土壤中的溶质也对水分产生吸力，称为溶质吸力。

基质吸力与溶质吸力合称为土壤总吸力，它决定着作物对土壤水分的吸收利用，因此在田间测定吸力可以指导田间灌溉，非干旱地区的田间土壤吸力（通常小于0.8巴）可用土壤水分张力计或称土壤湿度计来测定。

一、方法原理土壤水分张力计由陶土管、负压表和集气管等部件组成，陶土管是仪器的感应元件，通常由特殊多孔性素烧陶瓷制成，在一定的压力范围内（一般在一大气以下）只能让水和溶液自由通过却阻止土壤基质和空气通过，当陶土管周围土壤未被水饱和时，土壤具有吸力，能将仪器中的水分从陶土管中吸出来，使从仪器内部产生一定的真空度，这个真空度便在仪器的指示部件——负压计上指示出来，当土壤的吸力和仪器中负压平衡时，水就不再从仪器中流出。

此时负压计指示的负压力即为土壤的吸力。

当土壤因降雨或灌溉增加水分时，则吸力降低而与仪器负压力不平衡，土壤水分就会进入仪器，使仪器负压力下降并和土壤吸力达到新的平衡，当土壤被水饱和时，土壤吸力为零，仪器负压力也为零。

因此，由张力计的读数可了解土壤水分的动态。

张力计中的负压计可用负压表，也可用U型水银管的水银柱的高差，算出土壤吸力（装置参见9-1）二、仪器的准备装配好的土壤湿度计在使用前必须预先除气，除气的方法是将集气管的盖子打开，使仪器倾斜，徐徐注入无气水，陶土管外有水珠出现，说明管道通畅，轻轻敲打仪器，使气泡集中到集气管中，再将仪器注满无气水，盖上塞子和盖子，加以密封，并将仪器垂直夹于试管架上，让陶土管在空气中蒸发，约1小时后即见负压表的指针指向400mm汞柱或更高，此时，从陶土管、负压表、塑料管和集气管中，会有埋藏的气泡逸出，轻轻敲打仪器，使气泡集中到集气管中。

将陶土管浸入无气水中，这时可见负压表指针回零，打开盖子和塞子，重新充满无气水，加上塞盖，再让陶土管在空气中蒸发，这时负压表的读数可升至更高，再轻轻敲打仪器，收集逸出的空气。

实验十九土壤吸力的测定（张力计法）土壤是一种非均质的多孔体，当其孔隙未充满水时，都有吸水的能力，并将水保持在土中，这一性质发自土壤固—液界面上的界面张力和固体颗粒的吸附力，二者统称为土壤吸力（或称为基质吸力）。

土壤中的溶质也对水产生吸力，称为溶质吸力。

土壤吸力与溶质吸力之和称为土壤总吸力，它决定着植物对土壤水的吸收利用。

溶质吸力一般以测定土壤可溶性盐的浓度或土壤溶液的渗透压来估计。

土壤吸力的测量有土壤湿度计（张力计、负压计）法、负压法、压力薄板（膜）法、离心法、蒸气压法、冰点下降法等。

但以土壤湿度计（张力计）法最为方便。

虽然这种方法的测量范围有一定的限度，但因它能在田间直接测量，并且一般能用它来指示作物的丰产灌溉，所以应用得相应广泛，下面介绍这一方法。

一、原理土壤湿度计（见图1）由一个陶土管（1），一个负压表（2）和一个集气管（3）组成。

在仪器中充满水，密封之后插入土壤中，就可以进行测量。

陶土管是仪器的感应部件，它能透过水及溶质，但不能透过土粒及空气。

由于不（被水）饱和的土壤具有吸力，所以陶土管周围的土壤便（经陶土管壁）将仪器中的水“吸”出，使仪器系统产生一定的真空度，这一真空度即负压力由仪器仪的指示部件——负压表指示出来。

当土壤吸力与仪器中的负压力平衡时，仪器不再有水流出，负压表所指示的负压即为土壤吸力。

当土壤被降雨或灌溉重新湿润时，土壤吸力减小，与仪器原来的负压力不平衡，土壤水便会重新（经陶土管壁）“压”入仪器中，使仪器的负压力下降，而与土壤吸力达到新的平衡为止，当土壤饱和时负压力（即吸力）为零。

如果土壤水分过多，造成临时渍水，或者陶土管处于地下水位之下，那么会使仪器处于（正）压力状态。

如果仪器的指示部件能指示出（正）压力（例如用U型汞柱压力或压力——真空表），则这种（正）压力也会从表中指示出来。

由指示压力与陶土管的埋深，可算出临时渍水或地下水的深度[1]。

二、仪器仪的准备土壤湿度计可自行装配，或使用己装配好的仪器，但仪器各部件均应达到一定的要求。

土壤水吸力的测定土壤水吸力是反映土壤水分能态的指标，它是在水分随一定土壤吸力状况下的水分能量状态，以土壤对水的吸力来表示。

植物从土壤中吸水，必须以更大的吸力来克服土壤对水的吸力，因此土壤水吸力可以直接反映土壤的供水能力以及土壤水分的运动，较之单纯用土壤含水量反映土壤水分状况更有实际意义。

测定土壤水吸力是控制土壤水分状况，调节植物吸收水分和养分的一种重要手段。

(一)测定原理本实验采用土壤湿度计(又名张力计或负压计)测定土壤水吸力。

当充满水、密封的土壤湿度计插入水分不饱和的土壤后，由于土壤具有吸力，便通过湿度计的陶土管壁“吸”水。

陶土管是不透气的，故此时仪器内部便产生一定的真空，使负压表指示出负压力。

当仪器与土壤吸力达平衡时，此负压力即为土壤水吸力。

(二)土壤湿度计构造土壤湿度计由下列部件所组成：l、陶土管：是土壤湿度计的感应部件，它有许多细小而均匀的孔隙。

当陶土管完全被水浸润后，其孔隙间的水膜能让水或溶液通过而不让空气通过。

2、负压表：是土壤湿度计的指示部件，一般为汞柱负压表或弹簧管负压表。

3、集气管：为收集仪器里的空气之用。

(三)测定方法1、仪器的准备：在使用土壤湿度计之前，为使仪器达到最大灵敏度，必须把仪器内部的空气除尽，方法是：除去集气管的盖和橡皮塞，将仪器倾斜，注入经煮沸后冷却的无气水，注满后将仪器直立，让水将陶土管湿润。

并见有水从表面滴出。

在注水口塞入一个插有注射针的橡皮塞，进行抽气，此时可见真空表指针移至400毫来汞柱左右，并有气泡从真空表中逸出，逐渐聚集在集气管中。

拨出塞子则真空表指针返回原位。

继续将仪器注满无气水，同上抽气，重复3—4次，仪器系统中的空气便可除尽，盖好橡皮塞和集气管盖，仪器即可使用。

2、安装：在需测量的田块上选择好有代表性的地方，以钻孔器开孔到待测深度，将湿度计插入。

为了使陶土管与土壤接触紧密，开孔后可撤入少量碎土于孔底，然后插入仪器，再填入少量碎土，将仪器上下移动，使陶土管与周围土壤紧接。

高真空值读数表明土壤干燥. 读数
偏低则表明土壤湿润. 通常,在灌溉区域
应布置一定数量的监测点.每一个点应有
顶盖 2-3支不同长度的张力计管.这样不仅可
以了解每个点不同深度的水分含量而且
可以了解水分在灌溉期间的运移情况 .
该张力计系统仅需少量维护便可多年
可靠使用. 仪表毋需标定和置零 .
使用时在田间定期直读并记录.
例如每周2--3次. 然后绘制成土壤水分
运动图. 测试结果应与从农业部门了解
到的不同作物需水量结合, 使灌溉者能
够估计出下一个灌溉周期的需水量以及
能在灌溉日的前几天做好准备.
张力计测量系统
张力计是一种较为简单的仪器.它可以测量
土壤中任意点的土壤湿度情况.
仪器操作简单,易于保养.是一种用于灌溉管
理的可靠仪器.该张力计系统具有下列优点
土壤张力计由两个部分组成: 低价格的测管. 这意味着可以设置较多
∙张力计探测管-- 由聚碳酸酯管和透气陶的观测点. 易于更换补充.
瓷头加密封橡胶塞组成. 在管内注入适量水不锈钢指针直读仪表用于各张力计探测管的后埋入土壤中使用. 读数直观，快速，准确无误.
∙仪表--非常准确的不锈钢指针直读仪表.采用耐侯性聚碳酸酯探管，强度高，寿命长. 用于从探测管读数.各部件均可拆卸，易于更换维护。

标准探测管长度为15--90CM（测量深度）工作原理可以满足大部分情况的使用要求.
当土壤变干, 与陶瓷头接触的湿度表面特殊长度可根据用户要求加工.
张力势趋于将管内的水分吸出. 从而在管内注意: 探管内用水应为冷却后的开水.
顶部形成局部真空.当灌溉或降雨后,水分被新探管使用前应排空气泡.
吸回管内使真空度减少.。

土壤水吸力的测定实验（张力计法）一、目的、意义：土壤水吸力简称吸力，是土壤水能量状态的一种表示方法。

土壤是一种非均质的多孔体，当其孔隙未充满水时，都有吸水的能力，并将水保持在土中，这一性质，来自土壤固——液界面上的界面张力和固体颗粒的吸附力，两者统称为土壤吸力或称基质（基模）吸力，土壤中的溶质也对水产生吸力，称为溶质吸力，基质吸力与溶质吸力之和称为土壤总吸力，它决定着植物对土壤水的吸收利用。

溶质吸力一般以测定土壤可溶性盐的溶液的渗透压来估计，土壤水吸力的测定有张力计法，压力膜法，离心机法，冰点下降法等。

张力计法虽然只能测定<0.85 bar的吸力值，但因它能直接在田间定点测量土壤水分的能量状况，并可用来指示作物的丰产灌溉，所以得到相当广泛的应用。

本实验，主要是学习在实验室条件下，张力计的安装与观测的基本方法，并了解土壤吸力的变化规律。

二、原理：土壤张力计由陶土管、真空表（负压表）和集气管三部分组成，在仪器完全充满水，密封，插入土壤后，仪器内处于气压下的自由水通过陶土管壁与土壤水有了水力接触，土壤的水势与仪器的水势必然要逐渐达到平衡。

设仪器的水势为ψWD，土壤的水势为ψWS，则ψWS =ψWD (1)当忽略了重力势ψg，温度势ψt溶质势ψs后，土壤的水势仪器的水势分别为：ψWS =ψPS+ψMS (2)ψWD =ψPD+ψMD (3)式中：ψ和ψMS——土壤水的压力势和基质势ψPD和ψMD——仪器水的压力势和基质势将（2）和（3）代入（1）式，则ψPS+ψMS =ψPD+ψMD（4）因为土壤水的压力势（以大气压为参比）为零，而仪器内无基质（土壤），故基质势为零，则ψMS =ψPD (5)或ψMS = V WΔP D (6)（6）式中的V W为水的比容——1cm3/g，ΔP D为仪器所示的压力。

故（6）式表示土壤水的基质势可由仪器所表示的压力（差）来量度。

当土壤被降雨或灌溉重新湿润时，土壤吸力减小，与仪器原来的负压力不平衡，土壤水便会重新经陶土管壁而压入仪器中，使仪器的负压下降，直至与土壤吸力达到新的平衡为止，当土壤饱和时吸力（负压力）为零。

土壤含水量测量方式( 1 )称重法(Gravimetric)也称烘干法，这是唯一可以直接测量土壤水分方式，也是目前国际上的标准方式。

用土钻采取土样，用精度的天平称取土样的重量，记作土样的湿重M，在105℃的烘箱内将土样烘6~8 小时至恒重，然后测定烘干土样，记作土样的干重Ms土壤含水量=(烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量)/(烘干后铝盒及土样质量-烘干空铝盒质量)*100%( 2 )张力计法(Tensiometer)也称负压计法，它测量的是土壤水吸力测量原理如下：当陶土头插入被测土壤后，管内自由水通过量孔陶土壁与土壤水接触，通过互换后达到水势平衡，此时，从张力计读到的数值就是土壤水(陶土头处)的吸力值，也即为忽略重力势后的基质势的值，然后按照土壤含水率与基质势之间的关系(土壤水特征曲线)就可以够肯定出土壤的含水率( 3 ) 电阻法(Electricalresistance)多孔介质的导电能力是同它的含水量和介电常数有关的，若是忽略含盐的影响，水分含量和其电阻间是有肯定关系的电阻法是将两个电极埋入土壤中，然后测出两个电极之间的电阻。

可是在这种情况下，电极与土壤的接触电阻有可能比土壤的电阻大得多。

因此采用将电极嵌入多孔渗水介质(石膏、尼龙、玻璃纤维等)中形成电阻块以解决这个问题( 4 ) 中子法(Neutronscattering)中子法就是用中子仪测定土壤含水率中子仪的组成主要包括：一个快中子源，一个慢中子检测器，监测土壤散射的慢中子通量的计数器及屏蔽匣，测试用硬管等。

快中子源在土壤中不断地放射出穿透力很强的快中子，当它和氢原子核碰撞时，损失能量最大，转化为慢中子(热中子)，热中子在介质中扩散的同时被介质吸收，所以在探头周围，很快的形成了持常密度的慢中子云( 5 ) r-射线法(Gamma-rayattenuation)γ-射线法的大体原理是放射性同位素(现常常利用的是137Cs，241Am)发射的γ-射线法穿透土壤时，其衰减度随土壤湿容重的增大而提高。

负压式土壤湿度计（张力计）使用说明书一、原理与特点土壤湿度计是测定土壤水分的一种仪器。

众所周知，土壤水分受土壤孔隙的毛管引力和土粒的分子引力的作用，使土壤孔隙中的水分处于负压（吸力）状态，土壤吸力愈大，土壤孔隙中的水分愈少，土壤含水量也就愈低；反之，土壤吸力愈小，土壤孔隙中的水分愈多，则土壤含水量愈高。

所以土壤湿度计指示的数据就能大致反应出土壤的含水量状况，负压试土壤湿度计（也称张力计）就是测定这种土壤吸力（或称土壤基质势）的仪器。

负压式土壤湿度计由陶土头、腔体、集气室、计量指标器等部件组成。

陶土头是仪器的感应部件，具有许多微小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜。

当陶土头中的孔隙全部充水后，孔隙中水就具有张力，这种张力能保证水在一定压力下通过陶土头，但阻止空气通过。

当充满水且密封的土壤湿度计插入水分不饱和的土壤时，水膜就与土壤水连接起来，产生水力上的联系。

土壤系统的水势不相等时，水便由水势高处通过陶土头向水势低处流动，直至两个的系统的水势平衡为止。

当忽略了重力势、温度势、溶质势后，系统的水势即为压力势和基质势之和，土壤的压力势（以大气压力参考）为零，仪器里无基质，基质势为零，土壤水的基质势便可由仪器所示的压力（差）来量度。

非饱和土壤水的基质势抵于仪器里的压力势，土壤就透过陶土头向仪器吸水，直到平衡为止。

因为仪器是密封的，仪器中就产生真空度或吸力（抵于大气参照压力的压力）。

这样仪器内的负压便计量器或传感器测行，这就是土壤的吸力。

土壤水吸力与土壤水基质势在数值上是相等的，只是符号相反，在非饱和土壤中，基地势为负值，吸力为正值，张力计较多地用于非饱和土壤上，其基质势为负值，矿张力计又称负压计。

土壤水吸力是土壤水势的强度指标和土壤水的流动，对植物的有效性有密切的关系。

与土壤含水率的含义不同，它是在土壤水势的强弱上面不是在多寡上反映土壤的干湿程度。

一般来说，土壤吸力愈大含水量愈小；土壤吸力愈小含水量愈多。