土壤含水量、土水势和土壤水特征曲线的测定

土壤含水量、土水势和土壤水特征曲线的测定3.1测定意义严格地讲，土壤含水量应称为土壤含水率，因其所指的是相对于土壤一定质量或容积中的水量分数或百分比，而不是土壤所含的绝无仅绝对水量。

土壤含水量的多少，直接影响土壤的固、液、气三相比，以及土壤的适耕性和作物的生长发育。

在农业生产中，需要经常了解田间土壤含水量，以便适时灌溉或排水，保证作物生长对水分需要，并利用耕作予以调控，达到高产丰收的目的。

近几十年来的研究表明，要了解土壤水运动及土壤对植物的供水能力，只有土壤水数量的观念是不够的。

举一个直观的例子：如果粘土的土壤含水量为20%，砂土的土壤含水量为15%，两土样相接触，土壤水应怎样移动？如单从土壤水数量的观念，似乎土壤水应从粘土土样流向砂土土样，但事实恰恰相反。

这说明，光有土壤水数量的观念，尚不能很好研究土壤水运动及对植物的供水，必须建立土壤水的能量的观念，即土水势的概念。

测定土壤水特征曲线（基质势与土壤含水量之间的关系曲线）需要特别的仪器设备，随着土壤科学的发展，越来越多的基层土壤工作者需要土壤水特征曲线这一基础资料，了解土壤水特征曲线的测定，对今后土壤水特征曲线（不管是自己测定还是由别的单位测定）的应用是有益的。

3.2方法选择的依据土壤含水量目前常用的方法有：烘干法、中子法、射线法和TDR法（又称时域反射仪法）。

后三种方法需要特别的仪器，有的还需要一定的防护条件。

土水势包括许多分势，与土壤水运动最密切相关的是基质势和重力势。

重力势一般不用测定，只与被测定点的相对位置有关。

测定基质势最常用的方法是张力计法（又称负压计法），可以在田间现场测定。

土壤水特征曲线是田间土壤水管理和研究最基本的资料。

通过土壤水特征曲线可获得很多土壤基质和土壤水的数据，如土壤孔隙分布及对作物的供水能力等等。

测定土壤水特征曲线最基本的方法是压力膜（板）法，它可以完整地测定一条土壤水特征曲线。

3.3土壤含水量的测定（烘干法）烘干法又称质量法，具体操作是：用土钻采取土样，用感量0.1g的天秤称得土样的质量，记录土样的湿质量m t，在105℃烘箱内将土样烘6h～8h至恒重，然后测定烘干土样，记录土样的干质量m s，根据θm＝m w/m s×100%计算土样含水量，式中：m w=m t－m s；θm表示土样的质量含水率，习惯上又称为质量含水量。

如果知道取样点的容重，则可求出土壤含水量的另一种表示形式——容积含水量θv：θv=θmρb在粘粒或有机质多的土壤中，烘箱中的水分散失量随烘箱温度的升高而增大，因此烘箱温度必须保持在100℃～110℃范围内。

烘干法的优点是简单、直观，缺点是采样会干扰田间土壤水的连续性，取样后在田间留下的取样孔（尽管可填实），会切断作物的某些根并影响土壤水的运动。

烘干法的另一个缺点是代表性差。

田间取样的变异系数为10%或更大，造成这么大的变异，主要是由于土壤水在田间分布的不均匀所造成的，影响土壤水在田间分布不均匀的因素有土壤质地、结构、以及不同作物根系的吸水作用和植冠对降雨的截留等。

尽管如此，烘干法还是被看成测定土壤水含量的标准方法，避免取样误差和少受采样的变异影响的最好方法是按土壤基质特征如土壤质地和土壤结构分层取样，而不是按固定间隔采样（华孟、王坚，1993）3.4土水势的测定（张力计法）象自然界其它物质一样，土壤水也具有不同形式的不同量级的能量。

以典热处理学将自然界的能分为动能和势能，动能是由物体运动的速度和质量所决定的，其值等于1/2mV2。

由于土壤水也遵循这一普遍规律，若把土壤和其中的水当作一个系统来考虑，当土-水系统保持在恒温、恒压以及溶液浓度和力场不变的情况下，系统和环境之间没有能量交换，该系统称为平衡系统。

由于水在流动过程中要作功，所以对每个平衡系统不是消耗了能量，就是获得了能量，一个平衡的土-水系统所具有能够作功的能量即为该系统的土壤水势能。

当两个具有不同能量水平的土-水平衡系统接触时，水就从具有较高势能水平的系统流到具有较低能量水平的系统，直到两个系统的土水势值相等，于是水的流动也就停止了。

显然，在分析土壤水的保持和运动时，重要的不是在于某一系统本身的能量水平，而在于两个平衡系统之间的土水势之差，因此，可任意规定一个土-水平衡系统为基准系统，其土水势为零，国际土壤学会选定的基准系统是：假设一纯水池，在标准大气压下，其温度与土壤水温度相同，并处在任意不变的高度。

由于假设水池所处高度是任意的，因此土壤中任意一点的土水势与标准状态相比并不是绝对的。

虽然如此，但在同一标准状态下，土壤中任意两点的土水势之差值是可以确定的。

3.4.1测定原理土水势包括有若干分势，除盐碱土外，影响土壤水运动的分势主要是重力势和基质势。

重力势是地球重力对土壤水作用的结果，其大小由土壤水在重力场中相对于基准面的位置决定，基准面的位置可任意选定。

基质势是由于土壤基质孔隙对水的毛管力和基质颗粒对水的吸附力共同作用而产生的。

取基准面纯水自由水面的土水势为0，则基质势为小于0的负值。

土水势的单位经常用的有单位重量土壤水的势能和单位容积土壤水的势能。

单位重量土壤水的势能的量纲为长度单位，即cm、m等。

单位容积土壤水的势能的量纲为压强单位，即Pa（帕），习惯上常用的还有bar（巴）或大气压为单位的。

基势通常用张力计测定（如图）。

张力计有各种形式，但其基本构造相同，都是陶瓷杯（又称瓷头）、联结管、储气管和压力计等4部分组成。

测定时，事先在张力计内部充满无气水（将水煮沸排除溶解于水中的气体，然后将煮沸的水与大气隔绝降至气温，即为无气水），使瓷头饱和，并与大气隔绝。

将张力计埋设在土壤中，瓷头要与土壤紧密接触。

当土壤处于非饱和水状态，土壤通过瓷头从张力计中“吸取”少量水分，当与张力计瓷头接触土壤的土水势与张力计瓷头处的水势相等时，由张力计向土壤中的水运动停止，这时记录压力计读数并计算出土壤的基质势。

3.4.2仪器及设备张力计，可在市场上购得各种形式的张力计；张力计土钻，根据张力计埋设的深度定作或加工，注意，土钻钻头直径要与张力计瓷头直径相同。

埋设及测定根据测定的深度，用张力计钻在测定地点钻孔，将埋设深度处的土壤和成泥浆，注入钻孔中，将张力计埋入钻孔中，保证瓷头与土壤紧密接触。

在张力计注入无气水并密封后24h，便可读数测定。

为了少受气温的影响，最好在上午固定时间测定，测定时注意将张力计管内气泡排到储气管中，方法是用手指轻轻不断弹张力计联结管。

测定数次后，张力计须重新注水。

图所示张力计适用于田间使用，（b），（c），(d)3种用水银柱作压力计的张力计适于实验使用，其水银的注入和连接请参考张力计说明书。

（e）所示张力计需用特殊的负压测定仪器，这里不现赘述。

张力计测定范围在0cm～-800cm，这主要由于在田间温度下（如30℃上下），张力计内水分在低压下（-800cm以下）会发生大量汽化（达沸点），张力计工作状态被破坏。

因此张力计一般只能测到-800cm。

（Jury,1991）计算张力计的测定读数实际上指示的是负压表或水银柱计压力计的负压值，因此必须将这一个值换算成瓷头处（以瓷头中点为计算点）的值。

现以图（b）为例，说明土壤基质势的计算：ψm=－13.6h Hg+(h－h1)式中：ψm——土壤基质势，cmh Hg——水银上升高度，cmh, h1——水柱高度，cm3.4.3测定允许差用张力计测定土壤基质势的精度一般由张力计所用压力读报最小读数决定。

负压表的测定精度较粗，水银柱压力计的读数可精确到1mm汞柱，但由于肉眼的读数误差，常常达不到这个精度。

3.5土壤水特征曲线的测定[压力膜（板）法]土壤水特征曲线是土壤水管理和研究最基本的资料，是非饱情况下，土壤水分含量与土壤基质势之间的关系曲线。

完整的土壤水特征曲线应由脱湿曲线和吸湿曲线组成，即土壤由饱逐步脱水，测定不同含水量情况下的基质势，由此获得脱湿曲线；另外，土壤可以由气干逐步加湿，测定不同含水量情况下的基质势，由此获得吸湿曲线。

这两条曲线是不重合的，我们把这种现象称为土壤水特征曲线的滞后作用。

通常情况下，由于吸湿曲线较难测定，且在生产与研究中常用脱湿曲线，所以只讨论脱湿曲线的测定。

土壤水特征曲线反映了非饱和状态下土壤水的数量和能量之间的关系，如果不考虑滞后作用，通过土壤水特征曲线可建立土壤含水量和土壤基质势之间的换算关系。

这样做，有时会带来一定的误差，但在大多数情况下，一场降雨或灌溉后，总是有很长时间的干旱过程，在这种情况下，由脱湿曲线建立的两参数之间的换算关系有一定可靠性。

如果将土壤孔隙概化为一束粗细不同的毛细管。

在土壤饱和时，所有的孔隙都充满水，而在非饱和情况下，只有一部分孔隙充满水。

通过土壤水特征曲线可建立土壤基质势与保持水分的最大土壤孔隙的孔径的函数关系，由此可推算土壤孔径的分布。

必须指出，由于我们将土壤孔隙概化为一束粗细不同的毛细管，与实际土壤孔隙不完全相同，因此称为实效孔径分布。

土壤水特征曲线的斜率反映了土壤的供水能力，即基质势减少一定量时土壤能施放多少水量，这在研究土壤与作物关系时有很大作用。

测定原理如图所示，将土样置于多孔压力板上，多孔压力板根据其孔径大小分为不同规格，压力板孔径大的承受较小的气压，孔径小的能承受较大的气压。

将压力板和土样加水共同饱和，将压力板置于压力容器内，加压，这时有水从土样中排出，并保持气压不变，等不再有水从土样中排出，打开容器，测定土样水分含量。

如所加气压值为P(Mpa)，土壤基质势为ψm，则ψm =－P由此获得土壤基质势为ψm和其对应的土壤含水量θV，调整气压，继续实验，由此获得若干对（ψm，θV），将这些测定值点绘到直角坐标系中，根据这些散点可求得土壤水特征曲线。

3.5.1仪器及设备压力膜（板）水分提取器，如图所示；压力板由压力膜（板）水分提取器厂家提供，压力板直径约30㎝左右，根据压力板承受压力的大小，分为0.1Mpa,0.3Mpa,0.5Mpa,1.0Mpa,1.5MPa（1bar,3bar,5bar,10bar,15bar,bar为非标准量纲，厂家印在压力板上）；土环，几十个，高1㎝，直径5㎝左右（土环直径不严格限制）。

土环一般用铜制成，也有铝制的或橡胶制的；压力泵或高压气源；铝盒，用于土壤含水量测定；瓷盘；多孔板饱和时用；粗的定性滤纸；皮筋。

3.5.2测定步骤制备土样。

按土壤实际容重将以剔除杂物（碎石、根须等）的土壤填入土环中，注意土环下部垫一层粗滤纸，用皮筋固定，也可在田间现场取样，方法类似土壤容重取样，只是土环底部要垫一层滤纸，用皮筋固定。

如果要测定一条完整的土壤水特征曲线，样品数量应在60个以上。

将制备好的土样置于多孔压力板上，一个多孔压力板大约可放置20多个土样，将带有土样的多孔压力板置于瓷盘内，加水饱和土样和多孔压力板。