在上一講中，METER公司的Chris Chambers為大家介紹了土壤水分含量和土壤水勢的基礎知識。這一講，Leo Rivera將為大家深入解析土壤水勢和土壤水分特征曲線(xiàn)。
內容提要
■ 土壤水勢（Soil Water Potential）的研究意義是什么？
■ 如何用土壤水分特征曲線(xiàn)（Moisture Release Curves）指導灌溉？
■ 如何在實(shí)驗室及田間獲得土壤水分特征曲線(xiàn)？
■ 土壤水勢（Soil Water Potential）的研究意義是什么？
土壤水勢表征土壤孔隙水相對于參考點(diǎn)（通常是純水）的“能量狀態(tài)”。具體來(lái)說(shuō)，可定義為在溫度恒定狀態(tài)下，使單位體積或質(zhì)量的土壤孔隙水擺脫土壤顆粒以及土壤鹽溶液的束縛，達到自由水（純水）狀態(tài)，所需要做的功。從這個(gè)定義出發(fā)，土壤水勢的單位可用J/m3或J/kg來(lái)表示。
土壤水勢常用單位
常用的土壤水勢單位有：J/kg，kPa，MPa，Bar。它們之間的換算關(guān)系是
1J/kg=1kPa=0.001Mpa=0.01Bar。
另外，還可以用水柱高度來(lái)表示土壤水勢，單位是cm，1cm=0.981hPa。將土壤水勢換算成水柱高度后，乘以-1后取以10為底的對數，這個(gè)計算值用符號pF表示。
土壤孔隙水會(huì )沿水勢梯度從高往低運動(dòng)。植物根系吸水就可以用水勢梯度來(lái)解釋?zhuān)和寥浪畡莞?，植物根系水勢低，在這種水勢梯度下，根系能從土壤孔隙中獲得水分；干旱發(fā)生時(shí)，由于土壤和植物根系水勢逐漸持平，水勢梯度消失，水分運動(dòng)就不再發(fā)生；當干旱加劇，土壤水勢進(jìn)一步下降，當其比植物根系水勢還低時(shí)，水勢梯度逆轉，植物根系失水，植物就面臨失水死亡的風(fēng)險。因此，土壤水勢在理解水分在“”土壤-植物-大氣連續體”中的運動(dòng)具有重要意義（圖2）。
圖2 土壤-植物-大氣連續體上的水勢梯度和水分運動(dòng) 源/METER
田間持水量（Field Capacity）是指當土壤中多余的水分下滲完成后，土壤中剩余的水分含量。這種狀態(tài)一般出現在降水或灌溉后的第2到第3天，對應的土壤水勢可認為是其上限，一般認為是-33kPa。Veihmeyer和Hendrickson發(fā)現該值受很多因素的影響，因此對于某一特定土壤來(lái)說(shuō)，-33kPa并不是一個(gè)常數。例如，毛細阻滯效應(Capillary Barrier Effect）會(huì )將這一值提高。這種效應可解釋為：細粒土層和粗粒土層從上到下分層排布，由于這兩個(gè)層次的土壤粒徑相差較大，兩層之間的土壤水力導度（Soil Hydraulic Conductivity）很低（k~0）。細粒土層不斷充水過(guò)程中，土壤孔隙水并不能透過(guò)此土層繼續下滲，導致細粒土層土壤水勢持續升高。最終，細粒土層的土壤水勢能接近0kPa（圖3），顯著(zhù)高于普遍認為的-33kPa上限。
圖3 毛細阻滯效應影響土壤田間持水量對應的水勢
永久萎蔫點(diǎn)指植物根系能夠從土壤中獲取到水分且不會(huì )枯萎時(shí)，土壤水勢的最小值。如果土壤水勢低于永久萎蔫點(diǎn)，植物就會(huì )逐漸萎蔫死亡（圖4）。一般認為，永久萎蔫點(diǎn)約為-1500kPa。和田間持水量時(shí)對應的土壤水勢上限一樣，永久萎蔫點(diǎn)也不是一成不變的。例如，研究發(fā)現，沙漠中的Sagebrush（一種蒿屬植物）可在-2500kPa土壤水勢條件下存活。
圖4 土壤水勢狀態(tài)和植物生長(cháng) 源/https://extension.umn.edu/
理論上來(lái)講，當土壤水勢介于-33kPa（田間持水量時(shí)）到-1500 kPa（永久萎蔫點(diǎn)時(shí)）之間，植物都可以吸收利用，然而也有一些例外。例如，一位研究者發(fā)現，他們用于培養植物的一種實(shí)驗基質(zhì)，其水勢為-10kPa時(shí)，植物卻發(fā)生了干旱脅迫。使用Hyprop2 測量其土壤水分特征曲線(xiàn)后發(fā)現，和通常的平滑曲線(xiàn)不同，該曲線(xiàn)竟然出現了“兩個(gè)拐彎”。其中一個(gè)“拐彎”出現在-10kPa左右。這說(shuō)明，這種基質(zhì)的粒徑組成存在“Gap”：有細粒成分，也有粗粒成分，但是缺乏中等粒徑成分（圖5）。
圖5 中等粒徑成分缺失（Gap-Graded）下的土壤水分特征曲線(xiàn)
中等粒徑成分的缺失，會(huì )導致土壤水力導度（Soil Hydraulic Conductivity）發(fā)生“突變”。土壤水力導度（Soil Hydraulic Conductivity）是反映土壤“供水”能力的另一個(gè)重要參數。圖6所示，這種實(shí)驗基質(zhì)在土壤水勢很高（-8kPa）的情況下，土壤水力導度卻非常低，介于1.00E-04到1.00E-05 cm/s之間。這意味著(zhù)，雖然“土壤水庫”充足，但是“供水能力”差，植物根系可利用水量少，因此出現干旱脅迫。
圖6 土壤水力導度和土壤水勢的關(guān)系
■ 如何用土壤水分特征曲線(xiàn)（Moisture Release Curves）指導灌溉？
土壤水分特征曲線(xiàn)（Moisture Release Curves）就像是土壤的“指紋”，具有獨特性。它和土壤質(zhì)地(Soil Texture)、土壤有機質(zhì)含量等因素密切相關(guān)。使用該曲線(xiàn)，我們能估算灌溉用水量。
在下圖中，假設粉砂壤土（Silt Loam）當前水勢是-100kPa，根據其土壤水分特征曲線(xiàn)，對應的水分含量是0.24m3/m3，灌溉目標是-33 kPa，對應的土壤水分含量是0.32 m3/m3，如果灌溉深度15cm（該值可通過(guò)研究植物的根系分布獲得），由此估算得到灌溉用水量為（0.32-0.24）*15=1.2cm。
圖7 根據粉砂壤土（Silt Loam）的土壤水分特征曲線(xiàn)估算灌溉用水
對于細砂壤土（Fine Sandy Loam），假設其當前土壤水勢也是-100kPa ，對應的土壤水分含量是0.10 m3/m3，灌溉目標也是-33 kPa，對應土壤水分含量是0.16 m3/m3，灌溉深度同樣是15cm，估算得到灌溉用水量為（0.16-0.10）*15=0.9cm?？梢钥闯?，由于土壤質(zhì)地不同，達到同樣的灌溉目標，所需的灌溉水量是不同的。
圖8 根據細砂壤土（Fine Sandy Loam）的土壤水分特征曲線(xiàn)估算灌溉用水
■ 如何在實(shí)驗室及田間獲得土壤水分特征曲線(xiàn)？
繪制土壤水分特征曲線(xiàn)，需要同時(shí)測量土壤水分含量和土壤水勢。土壤水分含量較易測量；而對于土壤水勢來(lái)說(shuō)，目前還沒(méi)有一種儀器/傳感器，可以既測土壤水勢的“干端”，又測“濕端”。然而，通過(guò)多種儀器的組合，就能完成土壤水勢的全量程測定（圖9）。
僅需幾天（~5d），HYPROP2就可在濕端（0至-240kPa）范圍內生成土壤水分特征曲線(xiàn)，整個(gè)過(guò)程自動(dòng)完成；與露點(diǎn)水勢儀WP4C聯(lián)用，可將該曲線(xiàn)擴展到干端（低至-300MPa）（視頻1）。
在田間，TEROS 32土壤“濕端高準度”水勢傳感器（-85kPa至+50kPa）、TEROS 21土壤“干端高準度”水勢傳感器（-9至-2000kPa），聯(lián)合TEROS 12土壤水分含量傳感器，可原位獲得土壤水分特征曲線(xiàn)（圖10）。所有數據儲存在ZL6數據采集器中，并上傳云端——Zentra Cloud，隨時(shí)隨地查看數據。
視頻1：實(shí)驗室土壤水分特征曲線(xiàn)測量工作組
圖9 不同儀器/傳感器的水勢量程
圖10 METER原位土壤水分特征曲線(xiàn)測量系統