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          從地表徑流談土壤導水率——概念與測量(上)

          來源:北京力高泰科技有限公司 發布時間:2020-04-02 15:00:22 點擊數:1520 使用提問 咨詢價格

          原文以How to measure soil hydraulic conductivity—Which method is right for you?為標題發表在metergroup.com上。

          璐怡&子毅 整理

          如果留意觀察,你會發現,降雨之后,不同地點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地表產生的水流。下圖顯示的是不同地表覆蓋條件下的徑流量(圖1)??梢钥闯?,最右側方格產生的地表徑流量最少,水質更清澈;中間幾個方格產生的徑流量大,水質更渾濁。那為什么會存在這種差異呢?

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          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重要原因。一般來說,如果土壤的導水率高,降雨的就地轉化能力就強,降雨可迅速通過地表,向土壤深層運移,地表產生的徑流就少(圖2)。

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          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,無法及時下滲的降雨就會在地表形成較多的徑流。地表徑流會帶走大量的地表粒成分,造成水土流失和侵蝕(圖3)。

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          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, 單位時間內通過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,水流運動的最大能力(圖4);當土壤中水分含量沒有達到飽和狀態時,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)。兩個參數是土壤水文數值計算中的必要參數。

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          圖4 不同土壤質地的飽和導水率 源/nrcs.usda.gov

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          等式中:表示土壤水流通量,即單位時間通過單位土壤面積的水量。該值等于土壤導水率和土壤水勢梯度dh/dz的乘積。

          土壤水勢可分為兩部分,土壤基質勢hm 以及土壤重力勢hg 。土壤的基質勢hm 梯度和重力勢hg 梯度是水分在土壤中運動的基本驅動力。

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          在土壤趨向于水分飽和狀態時,即土壤非常濕潤的情況下,土壤基質勢hm 變為0,重力勢梯度等于1。這時,上面的方程1變為:

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          土壤水流通量約等于土壤導水率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的,進而可以指導農業灌溉、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,隨著植被的恢復,土壤有機質含量增加,降低了土壤容重,改善了土壤孔隙度,促進了土壤團聚體的形成,最終促進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地,粗糙質地(土壤砂礫成分多)的土壤導水率比細質土(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。理論上來講,在土壤含水量達到或接近飽和狀態時,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)。

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          圖5 不同土壤結構的土壤導水率差異

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          圖6 三種類型土壤的導水率曲線,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,水在土體中的運動會受到更多的限制。但是,如果黏土(虛線)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氣體,就會降低土壤的導水率;而在雨季,當這些孔洞或通道由水填充滿,就會增加土壤的導水率,所以土壤的水分含量也會顯著影響土壤導水率。


          4 什么是土壤導水率曲線

          當土壤含水量達到飽和狀態時,對應的就是土壤飽和導水率,用Ks(實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時,對應的土壤導水率稱之為非飽和導水率,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。這一曲線可用于預測土壤在不同水勢條件下的水通量(圖6)。

          美國METER公司研發的KSAT和HYPROP2,操作簡單,自動化程度高,可在實驗室測量土壤樣品的飽和及非飽和導水率,進而得到完整的土壤導水率曲線(視頻1)。

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          視頻1:實驗室土壤飽和導水率測量儀KSAT和實驗室土壤非飽和導水率測量儀HYPROP2


          5 野外和實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,在實驗室測量土壤飽和導水率時,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(圖7)。

          圖7 實驗室土壤飽和導水率測量儀KSAT

          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法有效排出,最終土壤顆粒之間會有殘存空氣(圖8)。

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          圖8 野外測量時,很難將土體完全充水飽和,

          土壤顆粒之間會殘存空氣

          這種滯留在土壤顆粒間的空氣,會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 通常會低于在實驗室測量得到的土壤飽和導水率Ks 的原因。

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          圖9 野外雙水頭原位土壤飽和導水率測量儀SATURO

          METER公司研發的野外便攜式土壤飽和導水率測量儀SATURO,體積小巧,方便攜帶,需水量少,在野外一個人就可以完成測量。

          它在土壤上部蓄水,聯合氣壓制造出兩個水頭壓強。其內部處理器可自動計算土壤的飽和導水率,無需對數據進行后處理(圖10)。

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          圖10 SATURO自動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。

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