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从地表径流谈土壤导水率——概念与测量(上)

来源: 发布时间:2020-03-24 16:03:58 点击数: 使用提问咨询价格

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?

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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)。

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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粒成分,造成水土流失和侵蚀(图3)。

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图3 黄土高原的水土流失 源/uwaterloo.ca

 

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)。两个参数是土壤水文数值计算中的必要参数。

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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:

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等式中: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。

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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:

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土壤水流通量约等于土壤导水率K

 

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。

 

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)。

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图5 不同土壤结构的土壤导水率差异

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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。

 

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)。

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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

 

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)。

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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)。

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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。

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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)。

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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。

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