原文以How to measure soil hydraulic conductivity—Which method is right for you?为标题发表在metergroup.com上。
璐怡&子毅 整理
如果留意观察，你会发现，降雨之后，不同地点在地表形成的径流量是不同的。地表径流，英文表述是Runoff，是指降雨或是冰雪融水经地表产生的水流。下图显示的是不同地表覆盖条件下的径流量（图1）。可以看出，最右侧方格产生的地表径流量最少，水质更清澈；中间几个方格产生的径流量大，水质更浑浊。那为什么会存在这种差异呢？
图1 不同地表覆盖条件下径流的差异
土壤导水率的不同是造成这种情况的一个重要原因。一般来说，如果土壤的导水率高，降雨的就地转化能力就强，降雨可迅速通过地表，向土壤深层运移，地表产生的径流就少（图2）。
图2 降雨后的土壤入渗和地表径流
反之，土壤导水率低，降雨下渗能力差，无法及时下渗的降雨就会在地表形成较多的径流。地表径流会带走大量的地表细粒成分，造成水土流失和侵蚀（图3）。
图3 黄土高原的水土流失 源/uwaterloo.ca
1 什么是土壤导水率
土壤导水率是指单位水势梯度下, 单位时间内通过单位土壤面积的水量。土壤导水率反映的是土壤传输水的能力。依据土壤含水量的不同，可划分为土壤饱和导水率和土壤非饱和导水率。
土壤饱和导水率表示土壤在水分含量达到饱和的条件下，水流运动的最大能力（图4）；当土壤中水分含量没有达到饱和状态时，测量得到的是土壤非饱和导水率，该值要小于土壤饱和导水率（图6）。这两个参数是土壤水文数值计算中的必要参数。
图4 不同土壤质地的饱和导水率 源/nrcs.usda.gov
土壤导水率K，可使用下面的方程1表示：
等式中：i 表示土壤水流通量，即单位时间通过单位土壤面积的水量。该值等于土壤导水率K 和土壤水势梯度dh/dz的乘积。
土壤水势可分为两部分，土壤基质势hm 以及土壤重力势hg 。土壤的基质势hm 梯度和重力势hg 梯度是水分在土壤中运动的基本驱动力。
在土壤趋向于水分饱和状态时，即土壤非常湿润的情况下，土壤基质势hm 变为0，重力势梯度等于1。这时，上面的方程1变为：
土壤水流通量i 约等于土壤导水率K。
2 为什么要测量土壤导水率
根据土壤导水率，可以预测水在土壤中是如何运动的，进而可以指导农业灌溉、预测土壤侵蚀和养分淋失等。
此外，还有研究者利用该参数评估土壤的健康状况。如有研究表明，随着植被的恢复，土壤有机质含量增加，降低了土壤容重，改善了土壤孔隙度，促进了土壤团聚体的形成，最终促进了土壤饱和导水率的提高。
3 影响土壤导水率的因素
土壤导水率取决于土壤质地，土壤颗粒的形状、弯曲度、表面粗糙度，土壤颗粒间形成的导水孔的连接程度等因素。如果我们仅考虑土壤质地，粗糙质地（土壤砂砾成分多）的土壤导水率比细质土（土壤黏粒成分多）的要大（图4）。
然而，土壤结构（Soil Structure）对土壤导水率也有很明显的影响。例如，结构化程度好（Structured soils）的土壤空隙度大且均匀，而结构化程度差（Structureless soils）的土壤空隙较小且杂乱。理论上来讲，在土壤含水量达到或接近饱和状态时，土壤结构对土壤导水率的影响最为明显：结构良好的黏土潜在导水率最高（图5，6）。
图5 不同土壤结构的土壤导水率差异
图6 三种类型土壤的导水率曲线，纵轴表示的是水势为0的条件，纵轴的右侧，表示土壤的饱和导水率，纵轴的左侧，表示的是土壤非饱和导水率。土壤结构不良的黏土导水率远低于结构不良的砂土。因为黏土的孔隙小，水在土体中的运动会受到更多的限制。但是，如果黏土（虚线）有很好的土壤结构，例如具有众多的团聚体，团聚体之间有较大的空隙，它的饱和导水率就会比结构不良的砂土还要高。土壤水势为负值的这部分，也就是纵轴左侧，随着土壤水势的下降，土壤孔隙空洞化情况越严重，土壤导水率会很快下降。通常情况下，土壤非饱和导水率要远小于土壤饱和导水率。
如果土壤中存在由生物活动形成的孔洞，或是植物根系死亡形成的通道，在干旱季节，这些孔洞或通道充满气体，就会降低土壤的导水率；而在雨季，当这些孔洞或通道由水填充满，就会增加土壤的导水率，所以土壤的水分含量也会显著影响土壤导水率。
4 什么是土壤导水率曲线
当土壤含水量达到饱和状态时，对应的就是土壤饱和导水率，用Ks（实验室土壤饱和导水率）或Kfs（野外土壤饱和导水率）表示。当土壤含水量未达到饱和状态时，对应的土壤导水率称之为非饱和导水率，用K(Ψ)表示。当我们把土壤水势做横轴，土壤导水率做纵轴，就可以得到某种土壤的导水率曲线。这一曲线可用于预测土壤在不同水势条件下的水通量（图6）。
美国METER公司研发的KSAT和HYPROP2，操作简单，自动化程度高，可在实验室测量土壤样品的饱和及非饱和导水率，进而得到完整的土壤导水率曲线（视频1）。
视频1：实验室土壤饱和导水率测量仪KSAT和实验室土壤非饱和导水率测量仪HYPROP2
5 野外和实验室测量的土壤饱和导水率是不同的
野外测量得到的土壤饱和导水率Kfs 和实验室测量得到的土壤饱和导水率Ks 是不一样的。这是因为，在实验室测量土壤饱和导水率时，由于可以把土样完全浸入水中，土壤基本可以达到完全饱和状态（图7）。
图7 实验室土壤饱和导水率测量仪KSAT
然而，在野外，土壤很难达到完全饱和。这是因为，野外测量，通常先通过在地表灌水以达到饱和土体的目的。水从土壤表面向下渗透，浅层土壤内部的空气可以排出，但是深层土壤内的空气则无法有效排出，最终土壤颗粒之间会有残存空气（图8）。
图8 野外测量时，很难将土体完全充水饱和，
土壤颗粒之间会残存空气
这种滞留在土壤颗粒间的空气，会减弱土壤中水的流通量。这就是在野外测量得到的土壤饱和导水率Kfs 通常会低于在实验室测量得到的土壤饱和导水率Ks 的原因。
图9 野外双水头原位土壤饱和导水率测量仪SATURO
METER公司研发的野外便携式土壤饱和导水率测量仪SATURO，体积小巧，方便携带，需水量少，在野外一个人就可以完成测量。
它在土壤上部蓄水，联合气压制造出两个水头压强。其内部处理器可自动计算土壤的饱和导水率，无需对数据进行后处理（图10）。
图10 SATURO自动计算出土壤的最终饱和导水率
今天的内容就到这里。以上提到的这些仪器是如何工作的？它们的测量原理是什么？我们下次再为大家做介绍。