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。
璐怡&子毅 整理
如果留意觀(guān)察，你會(huì )發(fā)現，降雨之后，不同地點(diǎn)在地表形成的徑流量是不同的。地表徑流，英文表述是Runoff，是指降雨或是冰雪融水經(jīng)地表產(chǎn)生的水流。下圖顯示的是不同地表覆蓋條件下的徑流量（圖1）?？梢钥闯?，最右側方格產(chǎn)生的地表徑流量最少，水質(zhì)更清澈；中間幾個(gè)方格產(chǎn)生的徑流量大，水質(zhì)更渾濁。那為什么會(huì )存在這種差異呢？
圖1 不同地表覆蓋條件下徑流的差異
土壤導水率的不同是造成這種情況的一個(gè)重要原因。一般來(lái)說(shuō)，如果土壤的導水率高，降雨的就地轉化能力就強，降雨可迅速通過(guò)地表，向土壤深層運移，地表產(chǎn)生的徑流就少（圖2）。
圖2 降雨后的土壤入滲和地表徑流
反之，土壤導水率低，降雨下滲能力差，無(wú)法及時(shí)下滲的降雨就會(huì )在地表形成較多的徑流。地表徑流會(huì )帶走大量的地表細粒成分，造成水土流失和侵蝕（圖3）。
圖3 黃土高原的水土流失 源/uwaterloo.ca
1 什么是土壤導水率
土壤導水率是指單位水勢梯度下, 單位時(shí)間內通過(guò)單位土壤面積的水量。土壤導水率反映的是土壤傳輸水的能力。依據土壤含水量的不同，可劃分為土壤飽和導水率和土壤非飽和導水率。
土壤飽和導水率表示土壤在水分含量達到飽和的條件下，水流運動(dòng)的最大能力（圖4）；當土壤中水分含量沒(méi)有達到飽和狀態(tài)時(shí)，測量得到的是土壤非飽和導水率，該值要小于土壤飽和導水率（圖6）。這兩個(gè)參數是土壤水文數值計算中的必要參數。
圖4 不同土壤質(zhì)地的飽和導水率 源/nrcs.usda.gov
土壤導水率K，可使用下面的方程1表示：
等式中：i 表示土壤水流通量，即單位時(shí)間通過(guò)單位土壤面積的水量。該值等于土壤導水率K 和土壤水勢梯度dh/dz的乘積。
土壤水勢可分為兩部分，土壤基質(zhì)勢hm 以及土壤重力勢hg 。土壤的基質(zhì)勢hm 梯度和重力勢hg 梯度是水分在土壤中運動(dòng)的基本驅動(dòng)力。
在土壤趨向于水分飽和狀態(tài)時(shí)，即土壤非常濕潤的情況下，土壤基質(zhì)勢hm 變?yōu)?，重力勢梯度等于1。這時(shí)，上面的方程1變?yōu)椋?/span>
土壤水流通量i 約等于土壤導水率K。
2 為什么要測量土壤導水率
根據土壤導水率，可以預測水在土壤中是如何運動(dòng)的，進(jìn)而可以指導農業(yè)灌溉、預測土壤侵蝕和養分淋失等。
此外，還有研究者利用該參數評估土壤的健康狀況。如有研究表明，隨著(zhù)植被的恢復，土壤有機質(zhì)含量增加，降低了土壤容重，改善了土壤孔隙度，促進(jìn)了土壤團聚體的形成，最終促進(jìn)了土壤飽和導水率的提高。
3 影響土壤導水率的因素
土壤導水率取決于土壤質(zhì)地，土壤顆粒的形狀、彎曲度、表面粗糙度，土壤顆粒間形成的導水孔的連接程度等因素。如果我們僅考慮土壤質(zhì)地，粗糙質(zhì)地（土壤砂礫成分多）的土壤導水率比細質(zhì)土（土壤黏粒成分多）的要大（圖4）。
然而，土壤結構（Soil Structure）對土壤導水率也有很明顯的影響。例如，結構化程度好（Structured soils）的土壤空隙度大且均勻，而結構化程度差（Structureless soils）的土壤空隙較小且雜亂。理論上來(lái)講，在土壤含水量達到或接近飽和狀態(tài)時(shí)，土壤結構對土壤導水率的影響最為明顯：結構良好的黏土潛在導水率最高（圖5，6）。
圖5 不同土壤結構的土壤導水率差異
圖6 三種類(lèi)型土壤的導水率曲線(xiàn)，縱軸表示的是水勢為0的條件，縱軸的右側，表示土壤的飽和導水率，縱軸的左側，表示的是土壤非飽和導水率。土壤結構不良的黏土導水率遠低于結構不良的砂土。因為黏土的孔隙小，水在土體中的運動(dòng)會(huì )受到更多的限制。但是，如果黏土（虛線(xiàn)）有很好的土壤結構，例如具有眾多的團聚體，團聚體之間有較大的空隙，它的飽和導水率就會(huì )比結構不良的砂土還要高。土壤水勢為負值的這部分，也就是縱軸左側，隨著(zhù)土壤水勢的下降，土壤孔隙空洞化情況越嚴重，土壤導水率會(huì )很快下降。通常情況下，土壤非飽和導水率要遠小于土壤飽和導水率。
如果土壤中存在由生物活動(dòng)形成的孔洞，或是植物根系死亡形成的通道，在干旱季節，這些孔洞或通道充滿(mǎn)氣體，就會(huì )降低土壤的導水率；而在雨季，當這些孔洞或通道由水填充滿(mǎn)，就會(huì )增加土壤的導水率，所以土壤的水分含量也會(huì )顯著(zhù)影響土壤導水率。
4 什么是土壤導水率曲線(xiàn)
當土壤含水量達到飽和狀態(tài)時(shí)，對應的就是土壤飽和導水率，用Ks（實(shí)驗室土壤飽和導水率）或Kfs（野外土壤飽和導水率）表示。當土壤含水量未達到飽和狀態(tài)時(shí)，對應的土壤導水率稱(chēng)之為非飽和導水率，用K(Ψ)表示。當我們把土壤水勢做橫軸，土壤導水率做縱軸，就可以得到某種土壤的導水率曲線(xiàn)。這一曲線(xiàn)可用于預測土壤在不同水勢條件下的水通量（圖6）。
美國METER公司研發(fā)的KSAT和HYPROP2，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，可在實(shí)驗室測量土壤樣品的飽和及非飽和導水率，進(jìn)而得到完整的土壤導水率曲線(xiàn)（視頻1）。
視頻1：實(shí)驗室土壤飽和導水率測量?jì)xKSAT和實(shí)驗室土壤非飽和導水率測量?jì)xHYPROP2
5 野外和實(shí)驗室測量的土壤飽和導水率是不同的
野外測量得到的土壤飽和導水率Kfs 和實(shí)驗室測量得到的土壤飽和導水率Ks 是不一樣的。這是因為，在實(shí)驗室測量土壤飽和導水率時(shí)，由于可以把土樣完全浸入水中，土壤基本可以達到完全飽和狀態(tài)（圖7）。
圖7 實(shí)驗室土壤飽和導水率測量?jì)xKSAT
然而，在野外，土壤很難達到完全飽和。這是因為，野外測量，通常先通過(guò)在地表灌水以達到飽和土體的目的。水從土壤表面向下滲透，淺層土壤內部的空氣可以排出，但是深層土壤內的空氣則無(wú)法有效排出，最終土壤顆粒之間會(huì )有殘存空氣（圖8）。
圖8 野外測量時(shí)，很難將土體完全充水飽和，
土壤顆粒之間會(huì )殘存空氣
這種滯留在土壤顆粒間的空氣，會(huì )減弱土壤中水的流通量。這就是在野外測量得到的土壤飽和導水率Kfs 通常會(huì )低于在實(shí)驗室測量得到的土壤飽和導水率Ks 的原因。
圖9 野外雙水頭原位土壤飽和導水率測量?jì)xSATURO
METER公司研發(fā)的野外便攜式土壤飽和導水率測量?jì)xSATURO，體積小巧，方便攜帶，需水量少，在野外一個(gè)人就可以完成測量。
它在土壤上部蓄水，聯(lián)合氣壓制造出兩個(gè)水頭壓強。其內部處理器可自動(dòng)計算土壤的飽和導水率，無(wú)需對數據進(jìn)行后處理（圖10）。
圖10 SATURO自動(dòng)計算出土壤的最終飽和導水率
今天的內容就到這里。以上提到的這些儀器是如何工作的？它們的測量原理是什么？我們下次再為大家做介紹。