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从地表径流谈土壤导水率——概念与测量(下)

来源:澳门威尼克斯人官网网址 发布日期:2023-07-07 15:45:02 浏览次数:1420

原文以How to measure soil hydraulic conductivity—Which method is right for you? 为标题发表在metergroup.com上。
翻译:子毅
审校:高红艳

在上一篇《从地表径流谈土壤导水率——概念与测量(上)》中,我们了解了土壤导水率的概念、测量意义、影响土壤导水率的因素等。接下来,我们将介绍在实验室和野外条件下,常用的土壤导水率测量仪器以及它们的工作原理。

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使用流通池(Flow Cell)测量
土壤饱和导水率Ks
把原状或非原状土壤样品带回实验室进行测量,定水头或降水头方法都可能会用到。下图是这种测量方法的示意:土壤样品会被预先浸水饱和,水从土壤样品顶部流入,当水流达到稳定后,水流速度会被测量并记录下来。这个水流速度会被用于确定入渗速率,进而转化为土壤饱和导水率。

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流通池(Flow Cell)测量土壤饱和导水率

流通池(Flow Cell)的计算方法简单,原因是土壤样品的入渗横截面积已知,并且减弱了水的横向流动。另外一个优点是,可以对土壤样品进行分层研究,方便寻找限制水分入渗的原因。

流通池(Flow Cell)实验装置很容易架设,但是要想实现完全的自动化比较难。另外一个缺点是吸水膨胀的土壤样品会受到容器内壁的束缚,这会改变土壤样品本身的物理性质,造成对土壤饱和导水率的低估。为避免出现这种情况,可以尝试在土壤样品吸水接近饱和的情况下,进行采样测量。 

实验室条件下测量得到的土壤饱和导水率和在野外条件下测量得到的存在差异。野外条件下,土壤样品中处于“封闭”状态的大孔隙有可能在采样时重新“开放”,因此在实验室测量的数据可能会高估土壤实际的饱和导水率。取回实验室测量的土壤样品体积有限,数据代表性不足,往往需要更多样品的测量。

METER公司的KSAT土壤饱和导水率测量仪工作原理

KSAT即采用了上面提到的流通池(Flow Cell)方法,这款仪器的优点在于将整个测量过程自动化,这样极大提升了测量效率。KSAT既可以使用定水头方式,也可以使用降水头方式测量。


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KSAT土壤饱和导水率测量仪


水流通过量管,进入土壤样品底部,之后从土壤样品顶部流出。KSAT有一个压强传感器,自动测量水头压强,电脑直接读取压强传感器数据。不同温度条件下,水的粘滞性系数会发生变化,仪器能自动修正数据。当采用降水头方式进行测量时,压强传感器实时追踪水头变化,软件会根据水流速度自动计算土壤样品的饱和导水率。

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KSAT工作原理与土壤饱和导水率计算

KSAT可以和HYPROP2联用,进而还能获得土壤非饱和导水率。

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实验室土壤非饱和导水率测量

流通池(Flow Cell)也能用于土壤非饱和导水率测量,和饱和导水率测量不同,这种测量需要使用张力计。

水流经过待测土壤样品,之后流出。两个张力计用于监测土壤水势。实验者控制水流的速度,从低到高,让土壤样品经历不同的非饱和状态。这些数据用于计算土壤在特定水势条件下的导水率。为了评估土壤的持水能力,实验者往往还需要测量土壤样品的水分含量。

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流通池(Flow Cell)测量土壤非饱和导水率

流通池(Flow Cell)能同时测量土壤的水分传导和持水能力,还能生成土壤水分特征曲线(部分)。不足之处在于,这种测量方法需要泵来准确控制和改变水流速度,操作也相对复杂。

蒸发法

这种方法最初由Wind在1968年提出。这种方法需要在饱和土壤样品不同深度插入张力计。土壤样品顶部开放,朝向大气,而底部处于封闭状态,只允许土壤通过蒸发来损失水分。这就在土壤样品内部创造出了一个水势梯度。土壤样品不断蒸发损失水分,仪器在这一过程中一直监测土壤样品的质量和水势,最终计算得到土壤非饱和导水率。

METER公司研制的HYPROP2,就是基于上述思想开发出的一款仪器。在HYPROP2土壤样品内部,在两个不同高度上安装有两个张力计,其土壤样品顶部是开放的。

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HYPROP2的内部构造:两个不同深度的张力计

HYPROP2的底部是一个天平,可以对其实时称重。因此,HYPROP2能同时获取土壤非饱和导水率曲线和土壤水分特征曲线。

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HYPROP2土壤非饱和导水率曲线测量仪

HYPROP2的优点是整个测量过程无需人工干预,自动生成土壤非饱和导水率曲线(超过200个点)。与KSAT联用,可以获得全量程土壤导水率曲线;与WP4C结合使用,能获得全量程土壤水分特征曲线。需要注意的是,HYPROP2是在脱湿过程中完成测量的,因此与加湿过程测量的数据会存在一定偏差。

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野外土壤饱和导水率测量


最常用的就是环式入渗仪。野外直接测量的优势是:数据能反映土壤导水率的实际情况。环式入渗仪,一般会采用一个两端都敞开的套环,将套环插入土壤特定深入,典型值一般为5cm。采用定水头或是降水头方式进行测量。环式入渗仪可以是单环、也可以是双环。

单环入渗仪

单环入渗仪可以采用定水头,也可以采用降水头方式测量。如果是定水头,通常会使用带马氏瓶的储水罐来控制水头高度。水分入渗包括水平和垂直方向,因此,需要做三维方向上的水流运动修正。

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单环入渗仪工作原理示意

单环入渗仪的直径从10cm到50cm不等,直径越大,意味着被测量的土壤面积越大,数据也更有代表性。

双环入渗仪

这种入渗仪由两个环组成,内部的是测量环,外部的起缓冲作用,避免水流在内部测量环向下入渗时出现发散(Divergence)。理论上,内部测量环只测量水流在垂直方向上的下渗,不考虑水平方向上的扩散。这种方法既可以使用定水头方式、也可以使用降水头方式,需水量较大。

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双环入渗仪工作原理示意

环式入渗仪的测量面积较大,数据的代表性更好。然而,环式入渗仪的需水量大,每小时大约需要60-100L水,并且很费时间。根据环的大小,一次测量往往需要2-3h。

另外一个问题是需要估算土壤宏观毛管长度α,目的是为了做三维入渗修正。可以通过查表法来确定α。但是一旦估算错误,将会导致土壤导水率数据的偏差。

在双环测量系统中,外环的缓冲作用,有时并不完全有效,并不能让水流的横向扩散过程终止。所以在计算过程中,仅仅考虑水流的垂直方向入渗,往往会造成对土壤导水率的高估。

METER公司的SATURO双水头入渗仪工作原理

SATURO使用创新的双水头方法,即在两个不同的水头条件下自动进行测量,避免了潜在的手动操作误差。

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SATURO双水头入渗仪

SATURO使用测量室,在待测土壤上方形成固定深度的水层,并结合空气加压形成预设水头。泵从水袋抽水补水,维持住预设的水位。内置软件自动处理测量数据,野外原位即可获取土壤饱和导水率数据。

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SATURO双水头入渗仪工作原理示意

SATURO双水头入渗仪的优势是全自动测量、全自动计算。一位操作者就可以完成仪器的架设、软件的设置和测量。

SATURO双水头入渗仪测量耗时比传统的单环入渗仪更少,并且能实现测量过程的无人值守。

实验者能实现多台仪器的同时操作,在算法中规避了α因子,提高了数据的准确度。

SATURO通常仅需要20L水,因此比双环入渗仪更加省水。

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3野外土壤非饱和导水率测量


在野外,一般采用盘式负压入渗仪测量土壤非饱和导水率。一个多孔盘放置在待测土壤样品上,水头高度由储水量管里内置的马氏瓶控制。这也是一个三维入渗技术,需要对宏观毛管长度α进行估计,因此需要进行三维水流修正。

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Mini Disk 小型盘式入渗仪

使用的多孔盘越大,数据的代表性就越好。在对土壤水分含量较低的样品进行测量时,初始入渗速度较快,多次测量效果会比较好。

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3土壤导水率的空间异质性


即便是同一块样地,在不同情况下,土壤导水率也会存在差别。更别提土地类型本身就不同的情况了。有研究发现,草场、牧场、耕地在土壤导水率方面存在很大差异。

地形地势也会影响土壤导水率。在下图中,对于牧场和草场来说,微地形的差异就会造成土壤导水率不同:坡中(Backslope)的土壤导水率值要大于坡底(Footslope)的,因为这两个部位在土壤质地、化学成分组成方面存在差别。而这种情况在耕地站点并不明显。

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应在样地什么地方测量?测量多少个重复呢?


一个办法就是预先在样地多个位点测量土壤电导率EC,这样可以评估整个样地的空间异质性。依据这个信息,研究者们可以决定在样地什么地方进行测量、以及测量的重复数。下面这张图就是整个样地的土壤电导率EC的空间分布,其中白色的十字交叉点为最终测量土壤导水率的位置。


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参考文献
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