原文以How to measure soil hydraulic conductivity—Which method is right for you? 為標題發(fā)表在metergroup.com上。在上一篇《從地表徑流談土壤導水率——概念與測量（上）》中，我們了解了土壤導水率的概念、測量意義、影響土壤導水率的因素等。接下來(lái)，我們將介紹在實(shí)驗室和野外條件下，常用的土壤導水率測量?jì)x器以及它們的工作原理。把原狀或非原狀土壤樣品帶回實(shí)驗室進(jìn)行測量，定水頭或降水頭方法都可能會(huì )用到。下圖是這種測量方法的示意：土壤樣品會(huì )被預先浸水飽和，水從土壤樣品頂部流入，當水流達到穩定后，水流速度會(huì )被測量并記錄下來(lái)。這個(gè)水流速度會(huì )被用于確定入滲速率，進(jìn)而轉化為土壤飽和導水率。流通池（Flow Cell）的計算方法簡(jiǎn)單，原因是土壤樣品的入滲橫截面積已知，并且減弱了水的橫向流動(dòng)。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以對土壤樣品進(jìn)行分層研究，方便尋找限制水分入滲的原因。流通池（Flow Cell）實(shí)驗裝置很容易架設，但是要想實(shí)現完全的自動(dòng)化比較難。另外一個(gè)缺點(diǎn)是吸水膨脹的土壤樣品會(huì )受到容器內壁的束縛，這會(huì )改變土壤樣品本身的物理性質(zhì)，造成對土壤飽和導水率的低估。為避免出現這種情況，可以嘗試在土壤樣品吸水接近飽和的情況下，進(jìn)行采樣測量。 實(shí)驗室條件下測量得到的土壤飽和導水率和在野外條件下測量得到的存在差異。野外條件下，土壤樣品中處于“封閉”狀態(tài)的大孔隙有可能在采樣時(shí)重新“開(kāi)放”，因此在實(shí)驗室測量的數據可能會(huì )高估土壤實(shí)際的飽和導水率。取回實(shí)驗室測量的土壤樣品體積有限，數據代表性不足，往往需要更多樣品的測量。
METER公司的KSAT土壤飽和導水率測量?jì)x工作原理KSAT即采用了上面提到的流通池（Flow Cell）方法，這款儀器的優(yōu)點(diǎn)在于將整個(gè)測量過(guò)程自動(dòng)化，這樣極大提升了測量效率。KSAT既可以使用定水頭方式，也可以使用降水頭方式測量。
KSAT土壤飽和導水率測量?jì)x
水流通過(guò)量管，進(jìn)入土壤樣品底部，之后從土壤樣品頂部流出。KSAT有一個(gè)壓強傳感器，自動(dòng)測量水頭壓強，電腦直接讀取壓強傳感器數據。不同溫度條件下，水的粘滯性系數會(huì )發(fā)生變化，儀器能自動(dòng)修正數據。當采用降水頭方式進(jìn)行測量時(shí)，壓強傳感器實(shí)時(shí)追蹤水頭變化，軟件會(huì )根據水流速度自動(dòng)計算土壤樣品的飽和導水率。
KSAT工作原理與土壤飽和導水率計算
KSAT可以和HYPROP2聯(lián)用，進(jìn)而還能獲得土壤非飽和導水率。流通池（Flow Cell）也能用于土壤非飽和導水率測量，和飽和導水率測量不同，這種測量需要使用張力計。
水流經(jīng)過(guò)待測土壤樣品，之后流出。兩個(gè)張力計用于監測土壤水勢。實(shí)驗者控制水流的速度，從低到高，讓土壤樣品經(jīng)歷不同的非飽和狀態(tài)。這些數據用于計算土壤在特定水勢條件下的導水率。為了評估土壤的持水能力，實(shí)驗者往往還需要測量土壤樣品的水分含量。流通池（Flow Cell）能同時(shí)測量土壤的水分傳導和持水能力，還能生成土壤水分特征曲線(xiàn)（部分）。不足之處在于，這種測量方法需要泵來(lái)準確控制和改變水流速度，操作也相對復雜。
蒸發(fā)法
這種方法最初由Wind在1968年提出。這種方法需要在飽和土壤樣品不同深度插入張力計。土壤樣品頂部開(kāi)放，朝向大氣，而底部處于封閉狀態(tài)，只允許土壤通過(guò)蒸發(fā)來(lái)?yè)p失水分。這就在土壤樣品內部創(chuàng )造出了一個(gè)水勢梯度。土壤樣品不斷蒸發(fā)損失水分，儀器在這一過(guò)程中一直監測土壤樣品的質(zhì)量和水勢，最終計算得到土壤非飽和導水率。METER公司研制的HYPROP2，就是基于上述思想開(kāi)發(fā)出的一款儀器。在HYPROP2土壤樣品內部，在兩個(gè)不同高度上安裝有兩個(gè)張力計，其土壤樣品頂部是開(kāi)放的。HYPROP2的內部構造：兩個(gè)不同深度的張力計HYPROP2的底部是一個(gè)天平，可以對其實(shí)時(shí)稱(chēng)重。因此，HYPROP2能同時(shí)獲取土壤非飽和導水率曲線(xiàn)和土壤水分特征曲線(xiàn)。
HYPROP2土壤非飽和導水率曲線(xiàn)測量?jì)xHYPROP2的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)測量過(guò)程無(wú)需人工干預，自動(dòng)生成土壤非飽和導水率曲線(xiàn)（超過(guò)200個(gè)點(diǎn)）。與KSAT聯(lián)用，可以獲得全量程土壤導水率曲線(xiàn)；與WP4C結合使用，能獲得全量程土壤水分特征曲線(xiàn)。需要注意的是，HYPROP2是在脫濕過(guò)程中完成測量的，因此與加濕過(guò)程測量的數據會(huì )存在一定偏差。野外土壤飽和導水率測量
最常用的就是環(huán)式入滲儀。野外直接測量的優(yōu)勢是：數據能反映土壤導水率的實(shí)際情況。環(huán)式入滲儀，一般會(huì )采用一個(gè)兩端都敞開(kāi)的套環(huán)，將套環(huán)插入土壤特定深入，典型值一般為5cm。采用定水頭或是降水頭方式進(jìn)行測量。環(huán)式入滲儀可以是單環(huán)、也可以是雙環(huán)。單環(huán)入滲儀可以采用定水頭，也可以采用降水頭方式測量。如果是定水頭，通常會(huì )使用帶馬氏瓶的儲水罐來(lái)控制水頭高度。水分入滲包括水平和垂直方向，因此，需要做三維方向上的水流運動(dòng)修正。單環(huán)入滲儀的直徑從10cm到50cm不等，直徑越大，意味著(zhù)被測量的土壤面積越大，數據也更有代表性。
雙環(huán)入滲儀
這種入滲儀由兩個(gè)環(huán)組成，內部的是測量環(huán)，外部的起緩沖作用，避免水流在內部測量環(huán)向下入滲時(shí)出現發(fā)散（Divergence）。理論上，內部測量環(huán)只測量水流在垂直方向上的下滲，不考慮水平方向上的擴散。這種方法既可以使用定水頭方式、也可以使用降水頭方式，需水量較大。環(huán)式入滲儀的測量面積較大，數據的代表性更好。然而，環(huán)式入滲儀的需水量大，每小時(shí)大約需要60-100L水，并且很費時(shí)間。根據環(huán)的大小，一次測量往往需要2-3h。
另外一個(gè)問(wèn)題是需要估算土壤宏觀(guān)毛管長(cháng)度α，目的是為了做三維入滲修正?？梢酝ㄟ^(guò)查表法來(lái)確定α。但是一旦估算錯誤，將會(huì )導致土壤導水率數據的偏差。
在雙環(huán)測量系統中，外環(huán)的緩沖作用，有時(shí)并不完全有效，并不能讓水流的橫向擴散過(guò)程終止。所以在計算過(guò)程中，僅僅考慮水流的垂直方向入滲，往往會(huì )造成對土壤導水率的高估。
METER公司的SATURO雙水頭入滲儀工作原理
SATURO使用創(chuàng )新的雙水頭方法，即在兩個(gè)不同的水頭條件下自動(dòng)進(jìn)行測量，避免了潛在的手動(dòng)操作誤差。
SATURO使用測量室，在待測土壤上方形成固定深度的水層，并結合空氣加壓形成預設水頭。泵從水袋抽水補水，維持住預設的水位。內置軟件自動(dòng)處理測量數據，野外原位即可獲取土壤飽和導水率數據。SATURO雙水頭入滲儀的優(yōu)勢是全自動(dòng)測量、全自動(dòng)計算。一位操作者就可以完成儀器的架設、軟件的設置和測量。
SATURO雙水頭入滲儀測量耗時(shí)比傳統的單環(huán)入滲儀更少，并且能實(shí)現測量過(guò)程的無(wú)人值守。
實(shí)驗者能實(shí)現多臺儀器的同時(shí)操作，在算法中規避了α因子，提高了數據的準確度。
SATURO通常僅需要20L水，因此比雙環(huán)入滲儀更加省水。
3野外土壤非飽和導水率測量
在野外，一般采用盤(pán)式負壓入滲儀測量土壤非飽和導水率。一個(gè)多孔盤(pán)放置在待測土壤樣品上，水頭高度由儲水量管里內置的馬氏瓶控制。這也是一個(gè)三維入滲技術(shù)，需要對宏觀(guān)毛管長(cháng)度α進(jìn)行估計，因此需要進(jìn)行三維水流修正。使用的多孔盤(pán)越大，數據的代表性就越好。在對土壤水分含量較低的樣品進(jìn)行測量時(shí)，初始入滲速度較快，多次測量效果會(huì )比較好。
3土壤導水率的空間異質(zhì)性
即便是同一塊樣地，在不同情況下，土壤導水率也會(huì )存在差別。更別提土地類(lèi)型本身就不同的情況了。有研究發(fā)現，草場(chǎng)、牧場(chǎng)、耕地在土壤導水率方面存在很大差異。地形地勢也會(huì )影響土壤導水率。在下圖中，對于牧場(chǎng)和草場(chǎng)來(lái)說(shuō)，微地形的差異就會(huì )造成土壤導水率不同：坡中（Backslope）的土壤導水率值要大于坡底（Footslope）的，因為這兩個(gè)部位在土壤質(zhì)地、化學(xué)成分組成方面存在差別。而這種情況在耕地站點(diǎn)并不明顯。
應在樣地什么地方測量？測量多少個(gè)重復呢？
一個(gè)辦法就是預先在樣地多個(gè)位點(diǎn)測量土壤電導率EC，這樣可以評估整個(gè)樣地的空間異質(zhì)性。依據這個(gè)信息，研究者們可以決定在樣地什么地方進(jìn)行測量、以及測量的重復數。下面這張圖就是整個(gè)樣地的土壤電導率EC的空間分布，其中白色的十字交叉點(diǎn)為最終測量土壤導水率的位置。
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