土壤水分特徵曲線

土壤水的基質勢（或土壤水吸力）隨土壤含水量而變化，其關係曲線稱為土壤水分特徵曲線。該曲線反映了土壤水分能量和數量之間的關係，是研究土壤水動力學性質比不可少的重要參數，在生產實踐中具有重要意義。

基本介紹

• 中文名：土壤水分特徵曲線
• 外文名：soil moisture characteristic curve
• 又名：土壤持水曲線、pF曲線
• 表述：土壤水勢和土壤水分含量關係

概念

土壤水的基質勢（或土壤水吸力）隨土壤含水量的變化而變化，其關係曲線稱為土壤水分特徵曲線，英文名稱為soil water characteristic curve。

不同質地土壤水分特徵曲線

一般，該曲線以土壤含水量Q（以體積百分數表示）為橫坐標，以土壤水吸力S（以大氣壓表示）為縱坐標。

意義

土壤水分對植物的有效程度最終決定於土水勢的高低，而不是自身的含水量。如果測得土壤的含水量，可根據土壤水分土特徵曲線查得基質勢值，從而可判斷該土壤含水量對植物的有效程度。

土壤水分特徵曲線可反映不同土壤的持水和釋水特性，也可從中了解給定土類的一些土壤水分常數和特徵指標。曲線的斜率倒數稱為比水容量，是用擴散理論求解水分運動時的重要參數。曲線的拐點可反映相應含水量下的土壤水分狀態，如當吸力趨於0時，土壤接近飽和，水分狀態以毛管重力水為主；吸力稍有增加，含水量急劇減少時，用負壓水頭表示的吸力值約相當於支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量減少微弱時，以土壤中的毛管懸著水為主，含水量接近于田間持水量；飽和含水量和田間持水量間的差值，可反映土壤給水度等。故土壤水分特徵曲線是研究土壤水分運動、調節利用土壤水、進行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。

特點

滯後現象：相同吸力下的土壤水分含量，釋水狀態要比吸水狀態大，即為水分特徵曲線的滯後現象。

土壤水分特徵曲線的拐點只有級配較好的沙性土比較明顯，說明土壤水分狀態的變化不存在嚴格界限和明確標誌，用土壤水分特徵曲線確定其特徵值，帶有一定主觀性。

影響因素

質地

質地對曲線的影響最明顯，顆粒越細，曲線斜率越大。土壤顆粒越細, 其表面不馬越大, 壘結起來之後形成的孔隙也就愈小, 這祥對水的吸持能力就越大。所以在相同的含水量下, 質地越細,水吸力就愈大, 較小的含水量變化將引起吸力發生較大變化, 曲線愈陡; 反之質地越粗, 吸力就越小, 較大的含水量變化僅引起吸力發生較小的變化, 曲線愈平緩。

結構

結構對土壤水分特徵曲線的影響也很大,尤其是在接近飽和含水量段。當土壤團聚比較好, 團聚體數量較多時, 曲線開始時都先經過一段平緩上升, 而後轉入急速上升,團聚體含量越多, 曲線平緩上升段愈低平。當土壤比較分散,團聚體含量比較少時, 曲線一開始就上升很快,而後則經歷一段的緩慢上升, 最後轉入急速上升, 使曲線呈典型的“S”型。

容重

容重對水分特徵曲線也有影響。容重變大時曲線的斜率尤其是接近飽和含水量酸的斜率增大。是由於容重增大時土壤孔隙特家別是較大孔隙被壓縮, 大孔隙數量減少，飽和含水量降低所致。

套用

土壤水分特徵曲線主要有以下幾方面的套用：

①進行基質勢和含水量的相互換算。

根據土壤水分特徵曲線可將土壤濕度換算成土壤基質勢，依據基質勢可判斷土壤水分對作物的有效度。也可將基質勢換算成含水量，根據土壤水分特徵曲線可查得田間持水量、凋萎濕度和相應的有效水範圍。土壤水分特徵曲線斜率的倒數，即單位基質勢變化所引起含水量的變化，稱之為比水容重，是衡量土壤水分對植物的有效性和反映土壤持水性能的一個重要重要指標。

②表示比水容重。

土壤水分特徵曲線斜率的倒數，即單位基質勢變化所引起含水量的變化，稱之為比水容重，是衡量土壤水分對植物的有效性和反映土壤持水性能的一個重要重要指標。

③可以間接反映土壤孔隙的分布。

若將土壤中的孔隙構想為各種孔徑的圓形毛細管，那么S和毛細管直徑d的關係可簡單的表示為S=4σd。式中σ為水的表面張力係數，室溫條件下一般為75×105N/cm。套用數學物理方法對土壤中的水運動進行定量分析時，水分特徵曲線是不可缺少的重要參數。

④可以判斷土壤質地狀況和土壤水分在吸力段的分布狀況。

曲線的拐點可反映相應含水量下的土壤水分狀態，如當吸力趨於0 時，土壤接近飽和，水分狀態以毛管重力水為主；吸力稍有增加，含水量急劇減少時，用負壓水頭表示的吸力值約相當於支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量減少微弱時，以土壤中的毛管懸著水為主，含水量接近于田間持水量；飽和含水量和田間持水量間的差值，可反映土壤給水度等。故土壤水分特徵曲線是研究土壤水分運動、調節利用土壤水、進行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。

測量方法及設備

直接測定法

直接測定法，即通讓過實驗方法直接測定土壤水分特徵曲線。直接法中有許多實驗室和田間方法。例如從

土壤水基質勢的測定方法來分就有負壓計法、砂性漏鬥法、張力計法、測定土壤含水率剖面法等。其中張力計法相對簡單且便於操作，在室內和田間都得到了廣泛套用。但綜合來說，這些方法的特點是在概念上相對清晰，但費時、費力、費資金。在測定範圍上也有較大的限制，不能獲取整個含水率範圍內的土壤水分特徵曲線，在田間 測定水分特徵曲線時還存在較大的不確定性。

張力計

參數估計法

由乾直接法在實際套用中存在諸多問題，特別是在區域尺度上進行實際問題研究時，這類方法多數是不可行的，甚至是不可能的，因此許多土壤物理學家嘗試著用數學表達（經驗公式）來描述水分特徵曲線，通過估計表達式中的參數來確定土壤水分特徵曲線。這種方法稱為參數估計法（或間接推求法）。比較常用的經驗公式有Brooks-Corey(1964)模型、Gardner(1970)模型、van Genuchten(1980)模型和Gardner-Russo(1988)模型。徐紹輝等對此4個模型的話應性進行了分析，認為van Genuchten模型無論是對粗質地土壤，還是較粘質地的土壤，其擬合效果均較好；夏衛生等通過對國內外土壤水動力學參數研究結果進行分析也得出，該樣型不僅擬合效果較好，並能和土壤的機械組成和容重等聯繫起來，從土壤本身特性上找到其含義。因此，在所有描述土壤水分特徵曲線的眾多樣型中，van Genuchten模型以其線型與實測數據曲線擬合程度 好而得到廣泛套用。

常用設備

壓力膜儀是默認的儀器設備，國際上一般都承認這種設備所測定獲得的數據，所以在國內很多領域都有套用。它的原理是用高壓氣泵（或者高壓氮氣瓶）向一個密封的容器中充氣加壓，壓力範圍可調，從0--15 bar（bar是壓力單位，也叫巴，數值上近似等於一個大氣壓，15個大氣壓還是比較可怕的），土壤樣品置於其中，下墊特製陶瓷板（陶瓷板起著一個透水不透氣的作用，將加壓后土壤中滲出的水分轉移到密封容器外面），一般24小時後，樣品中的水分保持恆定，取出樣品，稱重，烘乾，再稱重，測定含水量，以此類推，可以得到土壤特徵曲線。

壓力膜儀

壓力膜儀參數擬合的 vanFit 和 RETC 等。 vanFit 為中文軟體，配合壓力膜儀，操作簡便。 RETC 為英文程式，因涉及公式參數操作，雖功能較全，而易用性稍差。

在農學研究上，由於作物忍受乾旱能力有限，所以一般到15bar的壓力時，也就默認當作最大值了，此時土壤已經極為乾燥了。測定方法包括張力計、壓力膜儀和離心機法，張力計本身測定的就是土壤的水勢（基質勢，下同），如果此時我用任何方法測定出土壤水分含量（soil moisture），便可以得到一組數據，當土壤水勢發生變化時，我便能得到不同水勢下的土壤含水量數值，即可以描繪出土壤特徵曲線。使用張力計的缺點是壓力範圍太小，根本無法抵達植物的萎蔫係數（一方面由於土壤水分不會降到那么低，另一方面是張力計本身量程非常有限）。