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。把原狀或非原狀土壤樣品帶回實驗室進行測量，定水頭或降水頭方法都可能會用到。下圖是這種測量方法的示意：土壤樣品會被預先浸水飽和，水從土壤樣品頂部流入，當水流達到穩(wěn)定后，水流速度會被測量并記錄下來。這個水流速度會被用于確定入滲速率，進而轉(zhuǎn)化為土壤飽和導水率。流通池（Flow Cell）的計算方法簡單，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。另外一個優(yōu)點是，可以對土壤樣品進行分層研究，方便尋找限制水分入滲的原因。流通池（Flow Cell）實驗裝置很容易架設(shè)，但是要想實現(xiàn)完全的自動化比較難。另外一個缺點是吸水膨脹的土壤樣品會受到容器內(nèi)壁的束縛，這會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(xiàn)這種情況，可以嘗試在土壤樣品吸水接近飽和的情況下，進行采樣測量。 實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重新“開放”，因此在實驗室測量的數(shù)據(jù)可能會高估土壤實際的飽和導水率。取回實驗室測量的土壤樣品體積有限，數(shù)據(jù)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儀工作原理KSAT即采用了上面提到的流通池（Flow Cell）方法，這款儀器的優(yōu)點在于將整個測量過程自動化，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儀
水流通過量管，進入土壤樣品底部，之后從土壤樣品頂部流出。KSAT有一個壓強傳感器，自動測量水頭壓強，電腦直接讀取壓強傳感器數(shù)據(jù)。不同溫度條件下，水的粘滯性系數(shù)會發(fā)生變化，儀器能自動修正數(shù)據(jù)。當采用降水頭方式進行測量時，壓強傳感器實時追蹤水頭變化，軟件會根據(jù)水流速度自動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)過待測土壤樣品，之后流出。兩個張力計用于監(jiān)測土壤水勢。實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(shù)據(jù)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（部分）。不足之處在于，這種測量方法需要泵來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。土壤樣品頂部開放，朝向大氣，而底部處于封閉狀態(tài)，只允許土壤通過蒸發(fā)來損失水分。這就在土壤樣品內(nèi)部創(chuàng)造出了一個水勢梯度。土壤樣品不斷蒸發(fā)損失水分，儀器在這一過程中一直監(jiān)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發(fā)出的一款儀器。在HYPROP2土壤樣品內(nèi)部，在兩個不同高度上安裝有兩個張力計，其土壤樣品頂部是開放的。HYPROP2的內(nèi)部構(gòu)造：兩個不同深度的張力計HYPROP2的底部是一個天平，可以對其實時稱重。因此，HYPROP2能同時獲取土壤非飽和導水率曲線和土壤水分特征曲線。
HYPROP2的優(yōu)點是整個測量過程無需人工干預，自動生成土壤非飽和導水率曲線（超過200個點）。與KSAT聯(lián)用，可以獲得全量程土壤導水率曲線；與WP4C結(jié)合使用，能獲得全量程土壤水分特征曲線。需要注意的是，HYPROP2是在脫濕過程中完成測量的，因此與加濕過程測量的數(shù)據(jù)會存在一定偏差。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(shù)據(jù)能反映土壤導水率的實際情況。環(huán)式入滲儀，一般會采用一個兩端都敞開的套環(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，通常會使用帶馬氏瓶的儲水罐來控制水頭高度。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修正。單環(huán)入滲儀的直徑從10cm到50cm不等，直徑越大，意味著被測量的土壤面積越大，數(shù)據(jù)也更有代表性。
雙環(huán)入滲儀
這種入滲儀由兩個環(huán)組成，內(nèi)部的是測量環(huán)，外部的起緩沖作用，避免水流在內(nèi)部測量環(huán)向下入滲時出現(xiàn)發(fā)散（Divergence）。理論上，內(nèi)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(shù)據(jù)的代表性更好。然而，環(huán)式入滲儀的需水量大，每小時大約需要60-100L水，并且很費時間。根據(jù)環(huán)的大小，一次測量往往需要2-3h。
另外一個問題是需要估算土壤宏觀毛管長度α，目的是為了做三維入滲修正?？梢酝ㄟ^查表法來確定α。但是一旦估算錯誤，將會導致土壤導水率數(shù)據(jù)的偏差。
在雙環(huán)測量系統(tǒng)中，外環(huán)的緩沖作用，有時并不完全有效，并不能讓水流的橫向擴散過程終止。所以在計算過程中，僅僅考慮水流的垂直方向入滲，往往會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，即在兩個不同的水頭條件下自動進行測量，避免了潛在的手動操作誤差。
SATURO使用測量室，在待測土壤上方形成固定深度的水層，并結(jié)合空氣加壓形成預設(shè)水頭。泵從水袋抽水補水，維持住預設(shè)的水位。內(nèi)置軟件自動處理測量數(shù)據(jù)，野外原位即可獲取土壤飽和導水率數(shù)據(jù)。SATURO雙水頭入滲儀的優(yōu)勢是全自動測量、全自動計算。一位操作者就可以完成儀器的架設(shè)、軟件的設(shè)置和測量。
SATURO雙水頭入滲儀測量耗時比傳統(tǒng)的單環(huán)入滲儀更少，并且能實現(xiàn)測量過程的無人值守。
實驗者能實現(xiàn)多臺儀器的同時操作，在算法中規(guī)避了α因子，提高了數(shù)據(jù)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，一般采用盤式負壓入滲儀測量土壤非飽和導水率。一個多孔盤放置在待測土壤樣品上，水頭高度由儲水量管里內(nèi)置的馬氏瓶控制。這也是一個三維入滲技術(shù)，需要對宏觀毛管長度α進行估計，因此需要進行三維水流修正。使用的多孔盤越大，數(shù)據(jù)的代表性就越好。在對土壤水分含量較低的樣品進行測量時，初始入滲速度較快，多次測量效果會比較好。
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，土壤導水率也會存在差別。更別提土地類型本身就不同的情況了。有研究發(fā)現(xiàn)，草場、牧場、耕地在土壤導水率方面存在很大差異。地形地勢也會影響土壤導水率。在下圖中，對于牧場和草場來說，微地形的差異就會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，因為這兩個部位在土壤質(zhì)地、化學成分組成方面存在差別。而這種情況在耕地站點并不明顯。
應在樣地什么地方測量？測量多少個重復呢？
一個辦法就是預先在樣地多個位點測量土壤電導率EC，這樣可以評估整個樣地的空間異質(zhì)性。依據(jù)這個信息，研究者們可以決定在樣地什么地方進行測量、以及測量的重復數(shù)。下面這張圖就是整個樣地的土壤電導率EC的空間分布，其中白色的十字交叉點為最終測量土壤導水率的位置。
Bouwer H. Intake rate: cylinder infiltrometer[J]. Methods of Soil Analysis: Part 1 Physical and Mineralogical Methods, 1986, 5: 825-844.Methods of soil analysis, Part 4: Physical methods[M]. John Wiley & Sons, 2020.Daniel D E. In situ hydraulic conductivity tests for compactedclay[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1989, 115(9): 1205-1226.Nimmo J R, Schmidt K M, Perkins K S, et al. Rapid measurement of field-saturated hydraulic conductivity for areal characterization[J]. Vadose Zone Journal, 2009, 8(1): 142-149.Reynolds W D, Elrick D E. Ponded infiltration from a single ring: I. Analysis of steady flow[J]. Soil Science Society of America Journal, 1990, 54(5): 1233-1241.Swartzendruber D, Olson T C. Sand‐model study of buffer effects in the double‐ring infiltrometer[J]. Soil Science Society of America Journal, 1961, 25(1): 5-8.Swartzendruber D, Olson T C. Model study of the double-ring infiltrometer as affected by depth of wetting and particle size[J]. Soil Science, 1961, 92(4): 219-225.
