土壤水分特征曲线

研究土壤水动力学性质的参数

土壤水的基质势（或土壤水吸力）随土壤含水量而变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义。

概念

土壤水的基质势（或土壤水吸力）随土壤含水量的变化而变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线，英文名称为soil water characteristic curve。

一般，该曲线以土壤含水量Q（以体积百分数表示）为横坐标，以土壤水吸力S（以大气压表示）为纵坐标。

意义

土壤水分对植物的有效程度最终决定于土水势的高低，而不是自身的含水量。如果测得土壤的含水量，可根据土壤水分土特征曲线查得基质势值，从而可判断该土壤含水量对植物的有效程度。

土壤水分特征曲线可反映不同土壤的持水和释水特性，也可从中了解给定土类的一些土壤水分常数和特征指标。曲线的斜率倒数称为比水容量，是用扩散理论求解水分运动时的重要参数。曲线的拐点可反映相应含水量下的土壤水分状态，如当吸力趋于0时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，含水量接近于田间持水量；饱和含水量和田间持水量间的差值，可反映土壤给水度等。故土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动、调节利用土壤水、进行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。

特点

滞后现象：相同吸力下的土壤水分含量，释水状态要比吸水状态大，即为水分特征曲线的滞后现象。

土壤水分特征曲线的拐点只有级配较好的沙性土比较明显，说明土壤水分状态的变化不存在严格界限和明确标志，用土壤水分特征曲线确定其特征值，带有一定主观性。

影响因素

质地

质地对曲线的影响最明显，颗粒越细，曲线斜率越大。土壤颗粒越细, 其表面不马越大, 垒结起来之后形成的孔隙也就愈小, 这祥对水的吸持能力就越大。所以在相同的含水量下, 质地越细,水吸力就愈大, 较小的含水量变化将引起吸力发生较大变化, 曲线愈陡; 反之质地越粗, 吸力就越小, 较大的含水量变化仅引起吸力发生较小的变化, 曲线愈平缓。

结构

结构对土壤水分特征曲线的影响也很大,尤其是在接近饱和含水量段。当土壤团聚比较好, 团聚体数量较多时, 曲线开始时都先经过一段平缓上升, 而后转入急速上升,团聚体含量越多, 曲线平缓上升段愈低平。当土壤比较分散,团聚体含量比较少时, 曲线一开始就上升很快,而后则经历一段的缓慢上升, 最后转入急速上升, 使曲线呈典型的“S”型。

容重

容重对水分特征曲线也有影响。容重变大时曲线的斜率尤其是接近饱和含水量酸的斜率增大。是由于容重增大时土壤孔隙特家别是较大孔隙被压缩, 大孔隙数量减少，饱和含水量降低所致。

应用

土壤水分特征曲线主要有以下几方面的应用：

①进行基质势和含水量的相互换算。

根据土壤水分特征曲线可将土壤湿度换算成土壤基质势，依据基质势可判断土壤水分对作物的有效度。也可将基质势换算成含水量，根据土壤水分特征曲线可查得田间持水量、凋萎湿度和相应的有效水范围。土壤水分特征曲线斜率的倒数，即单位基质势变化所引起含水量的变化，称之为比水容重，是衡量土壤水分对植物的有效性和反映土壤持水性能的一个重要重要指标。

②表示比水容重。

土壤水分特征曲线斜率的倒数，即单位基质势变化所引起含水量的变化，称之为比水容重，是衡量土壤水分对植物的有效性和反映土壤持水性能的一个重要重要指标。

③可以间接反映土壤孔隙的分布。

若将土壤中的孔隙设想为各种孔径的圆形毛细管，那么S和毛细管直径d的关系可简单的表示为S=4σd。式中σ为水的表面张力系数，室温条件下一般为75×10-5N/cm。应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时，水分特征曲线是不可缺少的重要参数。

④可以判断土壤质地状况和土壤水分在吸力段的分布状况。

曲线的拐点可反映相应含水量下的土壤水分状态，如当吸力趋于0 时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，含水量接近于田间持水量；饱和含水量和田间持水量间的差值，可反映土壤给水度等。故土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动、调节利用土壤水、进行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。

测量方法及设备

直接测定法

直接测定法，即通让过实验方法直接测定土壤水分特征曲线。直接法中有许多实验室和田间方法。例如从

土壤水基质势的测定方法来分就有负压计法、砂性漏斗法、张力计法、测定土壤含水率剖面法等。其中张力计法相对简单且便于操作，在室内和田间都得到了广泛应用。但综合来说，这些方法的特点是在概念上相对清晰，但费时、费力、费资金。在测定范围上也有较大的限制，不能获取整个含水率范围内的土壤水分特征曲线，在田间测定水分特征曲线时还存在较大的不确定性。

参数估计法

由干直接法在实际应用中存在诸多问题，特别是在区域尺度上进行实际问题研究时，这类方法多数是不可行的，甚至是不可能的，因此许多土壤物理学家尝试着用数学表达（经验公式）来描述水分特征曲线，通过估计表达式中的参数来确定土壤水分特征曲线。这种方法称为参数估计法（或间接推求法）。比较常用的经验公式有Brooks-Corey(1964)模型、Gardner(1970)模型、van Genuchten(1980)模型和Gardner-Russo(1988)模型。徐绍辉等对此4个模型的话应性进行了分析，认为van Genuchten模型无论是对粗质地土壤，还是较粘质地的土壤，其拟合效果均较好；夏卫生等通过对国内外土壤水动力学参数研究结果进行分析也得出，该样型不仅拟合效果较好，并能和土壤的机械组成和容重等联系起来，从土壤本身特性上找到其含义。因此，在所有描述土壤水分特征曲线的众多样型中，van Genuchten模型以其线型与实测数据曲线拟合程度好而得到广泛应用。

常用设备

压力膜仪是默认的仪器设备，国际上一般都承认这种设备所测定获得的数据，所以在国内很多领域都有应用。它的原理是用高压气泵（或者高压氮气瓶）向一个密封的容器中充气加压，压力范围可调，从0--15 bar（bar是压力单位，也叫巴，数值上近似等于一个大气压，15个大气压还是比较可怕的），土壤样品置于其中，下垫特制陶瓷板（陶瓷板起着一个透水不透气的作用，将加压后土壤中渗出的水分转移到密封容器外面），一般24小时后，样品中的水分保持恒定，取出样品，称重，烘干，再称重，测定含水量，以此类推，可以得到土壤特征曲线。

压力膜仪参数拟合的 vanFit 和 RETC 等。 vanFit 为中文软件，配合压力膜仪，操作简便。 RETC 为英文程序，因涉及公式参数操作，虽功能较全，而易用性稍差。

在农学研究上，由于作物忍受干旱能力有限，所以一般到15bar的压力时，也就默认当作最大值了，此时土壤已经极为干燥了。测定方法包括张力计、压力膜仪和离心机法，张力计本身测定的就是土壤的水势（基质势，下同），如果此时我用任何方法测定出土壤水分含量（soil moisture），便可以得到一组数据，当土壤水势发生变化时，我便能得到不同水势下的土壤含水量数值，即可以描绘出土壤特征曲线。使用张力计的缺点是压力范围太小，根本无法抵达植物的萎蔫系数（一方面由于土壤水分不会降到那么低，另一方面是张力计本身量程非常有限）。

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