原文以How to measure soil hydraulic conductivity—Which method is right for you?為標(biāo)題發(fā)表在metergroup.com上。
璐怡&子毅 整理
如果留意觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，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(cè)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(dǎo)水率的不同是造成這種情況的一個(gè)重要原因。一般來說，如果土壤的導(dǎo)水率高，降雨的就地轉(zhuǎn)化能力就強(qiáng)，降雨可迅速通過地表，向土壤深層運(yùn)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(dǎo)水率低，降雨下滲能力差，無法及時(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(xì)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(dǎo)水率
土壤導(dǎo)水率是指單位水勢梯度下, 單位時(shí)間內(nèi)通過單位土壤面積的水量。土壤導(dǎo)水率反映的是土壤傳輸水的能力。依據(jù)土壤含水量的不同，可劃分為土壤飽和導(dǎo)水率和土壤非飽和導(dǎo)水率。
土壤飽和導(dǎo)水率表示土壤在水分含量達(dá)到飽和的條件下，水流運(yùn)動(dòng)的最大能力（圖4）；當(dāng)土壤中水分含量沒有達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，測量得到的是土壤非飽和導(dǎo)水率，該值要小于土壤飽和導(dǎo)水率（圖6）。這兩個(gè)參數(shù)是土壤水文數(shù)值計(jì)算中的必要參數(shù)。
圖4 不同土壤質(zhì)地的飽和導(dǎo)水率 源/nrcs.usda.gov
土壤導(dǎo)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)間通過單位土壤面積的水量。該值等于土壤導(dǎo)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(yùn)動(dòng)的基本驅(qū)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(dǎo)水率K。
2 為什么要測量土壤導(dǎo)水率
根據(jù)土壤導(dǎo)水率，可以預(yù)測水在土壤中是如何運(yùn)動(dòng)的，進(jìn)而可以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉、預(yù)測土壤侵蝕和養(yǎng)分淋失等。
此外，還有研究者利用該參數(shù)評估土壤的健康狀況。如有研究表明，隨著植被的恢復(fù)，土壤有機(jī)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(tuán)聚體的形成，最終促進(jìn)了土壤飽和導(dǎo)水率的提高。
3 影響土壤導(dǎo)水率的因素
土壤導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)水率比細(xì)質(zhì)土（土壤黏粒成分多）的要大（圖4）。
然而，土壤結(jié)構(gòu)（Soil Structure）對土壤導(dǎo)水率也有很明顯的影響。例如，結(jié)構(gòu)化程度好（Structured soils）的土壤空隙度大且均勻，而結(jié)構(gòu)化程度差（Structureless soils）的土壤空隙較小且雜亂。理論上來講，在土壤含水量達(dá)到或接近飽和狀態(tài)時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)對土壤導(dǎo)水率的影響最為明顯：結(jié)構(gòu)良好的黏土潛在導(dǎo)水率最高（圖5，6）。
圖5 不同土壤結(jié)構(gòu)的土壤導(dǎo)水率差異
圖6 三種類型土壤的導(dǎo)水率曲線，縱軸表示的是水勢為0的條件，縱軸的右側(cè)，表示土壤的飽和導(dǎo)水率，縱軸的左側(cè)，表示的是土壤非飽和導(dǎo)水率。土壤結(jié)構(gòu)不良的黏土導(dǎo)水率遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)不良的砂土。因?yàn)轲ね恋目紫缎?，水在土體中的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到更多的限制。但是，如果黏土（虛線）有很好的土壤結(jié)構(gòu)，例如具有眾多的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體之間有較大的空隙，它的飽和導(dǎo)水率就會(huì)比結(jié)構(gòu)不良的砂土還要高。土壤水勢為負(fù)值的這部分，也就是縱軸左側(cè)，隨著土壤水勢的下降，土壤孔隙空洞化情況越嚴(yán)重，土壤導(dǎo)水率會(huì)很快下降。通常情況下，土壤非飽和導(dǎo)水率要遠(yuǎn)小于土壤飽和導(dǎo)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(jié)，這些孔洞或通道充滿氣體，就會(huì)降低土壤的導(dǎo)水率；而在雨季，當(dāng)這些孔洞或通道由水填充滿，就會(huì)增加土壤的導(dǎo)水率，所以土壤的水分含量也會(huì)顯著影響土壤導(dǎo)水率。
4 什么是土壤導(dǎo)水率曲線
當(dāng)土壤含水量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)的就是土壤飽和導(dǎo)水率，用Ks（實(shí)驗(yàn)室土壤飽和導(dǎo)水率）或Kfs（野外土壤飽和導(dǎo)水率）表示。當(dāng)土壤含水量未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)的土壤導(dǎo)水率稱之為非飽和導(dǎo)水率，用K(Ψ)表示。當(dāng)我們把土壤水勢做橫軸，土壤導(dǎo)水率做縱軸，就可以得到某種土壤的導(dǎo)水率曲線。這一曲線可用于預(yù)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，操作簡單，自動(dòng)化程度高，可在實(shí)驗(yàn)室測量土壤樣品的飽和及非飽和導(dǎo)水率，進(jìn)而得到完整的土壤導(dǎo)水率曲線（視頻1）。
視頻1：實(shí)驗(yàn)室土壤飽和導(dǎo)水率測量儀KSAT和實(shí)驗(yàn)室土壤非飽和導(dǎo)水率測量儀HYPROP2
5 野外和實(shí)驗(yàn)室測量的土壤飽和導(dǎo)水率是不同的
野外測量得到的土壤飽和導(dǎo)水率Kfs 和實(shí)驗(yàn)室測量得到的土壤飽和導(dǎo)水率Ks 是不一樣的。這是因?yàn)?，在?shí)驗(yàn)室測量土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，由于可以把土樣完全浸入水中，土壤基本可以達(dá)到完全飽和狀態(tài)（圖7）。
圖7 實(shí)驗(yàn)室土壤飽和導(dǎo)水率測量儀KSAT
然而，在野外，土壤很難達(dá)到完全飽和。這是因?yàn)椋巴鉁y量，通常先通過在地表灌水以達(dá)到飽和土體的目的。水從土壤表面向下滲透，淺層土壤內(nèi)部的空氣可以排出，但是深層土壤內(nèi)的空氣則無法有效排出，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(dǎo)水率Kfs 通常會(huì)低于在實(shí)驗(yàn)室測量得到的土壤飽和導(dǎo)水率Ks 的原因。
圖9 野外雙水頭原位土壤飽和導(dǎo)水率測量儀SATURO
METER公司研發(fā)的野外便攜式土壤飽和導(dǎo)水率測量儀SATURO，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(qiáng)。其內(nèi)部處理器可自動(dòng)計(jì)算土壤的飽和導(dǎo)水率，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理（圖10）。
圖10 SATURO自動(dòng)計(jì)算出土壤的最終飽和導(dǎo)水率
今天的內(nèi)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。