AZ-S0220土壤三相特征观测系统

1 引言

土壤是由固相、液相和气相三相物质组成的疏松多孔体。固相物质包括土壤矿物质、有机质和微生物等；液相物质主要指土壤水分；气相是存在于土壤孔隙中的空气。通常状况下，适宜的土壤三相比为：固相率50％左右，体积含水率25-30％，气相率15-25％。土壤中这三类物质每个组分都具有自身的理化性质，彼此之间互相联系、互相制约，构成了一个复杂矛盾的统一体。它们之间的相互关系，使土壤处于不断的变化之中，因而形成不同的土壤结构，影响着土壤的物理化学性质和肥力基础，进而影响土壤导气导热特性、水文动力学特性以及植物生长。

土壤通透性是衡量土壤中三相物质存在状态和容积比例的重要特征，其好坏主要决定于土壤的总孔隙度、孔隙连接性和通气孔隙度的大小（邵明安、王全九等，2006），它对土壤的水肥气热及其理化和生物学过程、植物的根系钻透性及植物对水分养分的利用等因素都有显著的调控作用（王卫华、王全九等，2009）。

紧实度是土壤重要的物理性状之一，也是土壤孔隙特征的直观反映；土壤导气率直接影响土壤气体交换能力，进而影响土壤水分和养分有效性，同时土壤导气能力可用于分析土壤孔隙几何分布、结构以及土壤稳定性等，因此土壤导气特征受到很大关注（同延安、王全九，2002；王卫华、王全九等，2009），只是由于测试手段相对困难，土壤空气的研究还未广泛开展，但其应用的范围及潜力都很广（王卫华、王全九等，2009；Jury et al.，2004）。土壤导水率一直以来是土壤水分动力学关注的特征指标，同时它也是反映土壤通透性的重要参数，受到科研工作者的持续重视。但由于土壤中多相流特征受孔隙特征所控制，如弯曲、连通性和收缩特性，通常缺乏试验研究来说明土壤结构和多孔系统特征对土壤导气率和土壤导水率的影响（王卫华、王全九等，2009；Hillel D，1998）。

2 观测系统设计

2.1 目标

土壤紧实度的测量随着电子技术的发展，已经较为科学便捷。AZ-S0220土壤三相特征观测系统的土壤紧实度观测单元为便携式，可显示测量深度，插入速度及土壤紧实程度，并通过配套的专业软件可以分析数据并绘制出紧实度随深度变化的曲线图形，还可选配GPS接收机，进行测点的精确定位。

土壤导气特性的研究还未广泛开展，测试手段相对困难，目前专门用于土壤导气率测量的仪器还很少。AZ-S0220土壤三相特征观测系统采用基于达西定律的土壤空气传导特性测量单元，是目前用于野外或田间测量土壤空气传导特性的仪器，并针对匀质土壤、环刀土样、原位土壤和深层次土壤分别配置了测量室，能够满足不同的科研需求。还可同时测量土壤含水量和土壤水势，以进行土壤水分与土壤空气传导性之间关系的研究。

土壤饱和状态和非饱和条件下的水分渗透情况，土壤水吸力与土壤含水量之间的关系是反映土壤孔隙状况、入渗特性以及土壤持水性的重要水力学参数，一直是研究的热点之一。但由于野外和田间土壤的变异性很大导致土壤水力学参数的准确测量费时费力，并且往往需要更多的重复，因此亟需可靠简单快速的测量方法。

AZ-S0220土壤三相特征观测系统采用无需专门接触层和土壤表层处理的土壤饱和导水率观测单元，进行原位非破坏性的测量。非饱和导水率的测量通常都要经过取土样、饱和、称重、蒸发、称重……的繁琐过程，测量效率低下，AZ-S0220土壤三相特征观测系统中采用基于饱和蒸发原理的土壤非饱和导水率自动测量系统，由计算机程序控制、配有高精度自动升降称重的电子天平，实现无人值守、自动顺序测量和记录原状饱和土壤表面的水分蒸发及其重量变化，然后由软件分析测量的数据，充分提高了测量的效率和精度；对于实验条件不十分完备的野外田间观测站，可应用单机版便携式土壤非饱和导水率观测单元，通常由三个测量单元、一个精密电子天平和相关软件即可实现三个样品的土壤非饱和导水率观测；为了满足后期实验要求的扩展，还可选配多可达20台的测量单元和电子天平串联组成自动观测系统。

传统土壤水分特征曲线的测量技术存在效率低下的显著问题，但在低水吸力条件下土壤脱水和吸水过程测量的精度问题更为严重，即使是曾经被视为经典的压力膜仪也无法精确测量1Bar以下的土壤水分变化过程。AZ-S0220土壤三相特征观测系统采用基于传统压力板法原理的自动土壤水分特征曲线测量单元，充分考虑了这一过程，*了空白。该测量单元在确保精度和自动化程度的前提下，可在0-1Bar的范围内设置多达12个压力梯度、可完成多达4次干湿循环的测量，为研究低水吸力条件下土壤水分脱吸动态变化过程及其滞后效应、建立科学的水分动力学模型提供了*的技术手段。

2.2 观测内容

土壤紧实度、土壤导气率、土壤饱和导水率、土壤非饱和导水率、低水吸力条件下的土壤水分特征曲线及其滞后效应。

2.3 系统组成

AZ-S0220土壤三相特征观测系统由土壤紧实度测量单元、土壤空气传导特性观测单元、土壤饱和导水率测量单元、土壤非饱和导水率自动测量系统、可实现低吸力条件下土壤释水和吸水动态精确测量的土壤水分特征曲线自动测量单元共同组成。

3 数据处理

3.1 土壤导气率

式中PL：土壤导气率；v_L：空气流速率；l：测量室高度；Dh：样品室高度上的压力差，以厘米水柱表示。

3.2 土壤饱和导水率

式中Kf：饱和导水率；Ku：非饱和导水率；Q：稳态入渗流量；r：入渗半径；α：入渗系数。

3.3 土壤饱和导水率

式中Ku：非饱和导水率；v：入渗水流速度；Gr：水流压力差梯度；△m：不同样品之间的重量差值；A：样品环刀横截面积；T：每个样品测量的时间；10：样品数量；△Tens：校正后的压力差。

4 应用案例

4.1 AZ-S0220土壤三相特征观测系统在原状土与扰动土导气率、导水率与含水率关系研究中的应用。

为分析土壤导气特性与土壤导水特性间的关系，该文通过研究陕西杨凌小麦试验田土样导水率和导气率随含水率的变化特征，比较原状土与扰动土导气和导水特征，分析相对导水率和相对导气率与饱和度的关系，结果发现导水率随含水率的增加而减小，且无论导水率还是导气率原状土都比扰动土大，证实土壤结构及孔隙特征对水和气的传输有巨大的影响，扰动土和原状土变化趋势虽然基本相同，但曲线不重合，说明扰动土和原状土的孔隙连接性和弯曲程度不尽相同。（王卫华、王全九、樊华，2009）