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力高泰微課堂 | 深入解析土壤水勢和土壤水分特征曲線

來源:北京力高泰科技有限公司 發布時間:2020-11-19 17:41:04 點擊數:341 使用提問 咨詢價格

在上一講中,METER公司的Chris Chambers為大家介紹了土壤水分含量和土壤水勢的基礎知識。這一講,Leo Rivera將為大家深入解析土壤水勢和土壤水分特征曲線。

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內容提要

 土壤水勢(Soil Water Potential)的研究意義是什么?

 田間持水量時,土壤水勢是多少?

 永久萎蔫點是個啥?

 什么因素影響土壤水分的可利用性?

 如何用土壤水分特征曲線(Moisture Release Curves)指導灌溉?

 如何在實驗室及田間獲得土壤水分特征曲線?

■ 土壤水勢(Soil Water Potential)的研究意義是什么?

土壤水勢表征土壤孔隙水相對于參考點(通常是純水)的“能量狀態”。具體來說,可定義為在溫度恒定狀態下,使單位體積或質量的土壤孔隙水擺脫土壤顆粒以及土壤鹽溶液的束縛,達到自由水(純水)狀態,所需要做的功。從這個定義出發,土壤水勢的單位可用J/m3或J/kg來表示。

土壤水勢常用單位
常用的土壤水勢單位有:J/kg,kPa,MPa,Bar。它們之間的換算關系是
1J/kg=1kPa=0.001Mpa=0.01Bar。

另外,還可以用水柱高度來表示土壤水勢,單位是cm,1cm=0.981hPa。將土壤水勢換算成水柱高度后,乘以-1后取以10為底的對數,這個計算值用符號pF表示。

土壤孔隙水會沿水勢梯度從高往低運動。植物根系吸水就可以用水勢梯度來解釋:土壤水勢高,植物根系水勢低,在這種水勢梯度下,根系能從土壤孔隙中獲得水分;干旱發生時,由于土壤和植物根系水勢逐漸持平,水勢梯度消失,水分運動就不再發生;當干旱加劇,土壤水勢進一步下降,當其比植物根系水勢還低時,水勢梯度逆轉,植物根系失水,植物就面臨失水死亡的風險。因此,土壤水勢在理解水分在“”土壤-植物-大氣連續體”中的運動具有重要意義(圖2)。 

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圖2 土壤-植物-大氣連續體上的水勢梯度和水分運動 源/METER

■ 田間持水量時,土壤水勢是多少?

田間持水量(Field Capacity)是指當土壤中多余的水分下滲完成后,土壤中剩余的水分含量。這種狀態一般出現在降水或灌溉后的第2到第3天,對應的土壤水勢可認為是其上限,一般認為是-33kPa。Veihmeyer和Hendrickson發現該值受很多因素的影響,因此對于某一特定土壤來說,-33kPa并不是一個常數。例如,毛細阻滯效應(Capillary Barrier Effect)會將這一值提高。這種效應可解釋為:細粒土層和粗粒土層從上到下分層排布,由于這兩個層次的土壤粒徑相差較大,兩層之間的土壤水力導度(Soil Hydraulic Conductivity)很低(k~0)。細粒土層不斷充水過程中,土壤孔隙水并不能透過此土層繼續下滲,導致細粒土層土壤水勢持續升高。最終,細粒土層的土壤水勢能接近0kPa(圖3),顯著高于普遍認為的-33kPa上限。

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圖3 毛細阻滯效應影響土壤田間持水量對應的水勢

■ 永久萎蔫點是個啥?

永久萎蔫點指植物根系能夠從土壤中獲取到水分且不會枯萎時,土壤水勢的最小值。如果土壤水勢低于永久萎蔫點,植物就會逐漸萎蔫死亡(圖4)。一般認為,永久萎蔫點約為-1500kPa。和田間持水量時對應的土壤水勢上限一樣,永久萎蔫點也不是一成不變的。例如,研究發現,沙漠中的Sagebrush(一種蒿屬植物)可在-2500kPa土壤水勢條件下存活。

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圖4 土壤水勢狀態和植物生長 源/https://extension.umn.edu/

■ 什么因素影響土壤水分的可利用性?

理論上來講,當土壤水勢介于-33kPa(田間持水量時)到-1500 kPa(永久萎蔫點時)之間,植物都可以吸收利用,然而也有一些例外。例如,一位研究者發現,他們用于培養植物的一種實驗基質,其水勢為-10kPa時,植物卻發生了干旱脅迫。使用Hyprop2 測量其土壤水分特征曲線后發現,和通常的平滑曲線不同,該曲線竟然出現了“兩個拐彎”。其中一個“拐彎”出現在-10kPa左右。這說明,這種基質的粒徑組成存在“Gap”:有細粒成分,也有粗粒成分,但是缺乏中等粒徑成分(圖5)。

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圖5 中等粒徑成分缺失(Gap-Graded)下的土壤水分特征曲線

中等粒徑成分的缺失,會導致土壤水力導度(Soil Hydraulic Conductivity)發生“突變”。土壤水力導度(Soil Hydraulic Conductivity)是反映土壤“供水”能力的另一個重要參數。圖6所示,這種實驗基質在土壤水勢很高(-8kPa)的情況下,土壤水力導度卻非常低,介于1.00E-04到1.00E-05 cm/s之間。這意味著,雖然“土壤水庫”充足,但是“供水能力”差,植物根系可利用水量少,因此出現干旱脅迫。

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圖6 土壤水力導度和土壤水勢的關系

■ 如何用土壤水分特征曲線(Moisture Release Curves)指導灌溉?

土壤水分特征曲線(Moisture Release Curves)就像是土壤的“指紋”,具有獨特性。它和土壤質地(Soil Texture)、土壤有機質含量等因素密切相關。使用該曲線,我們能估算灌溉用水量。

在下圖中,假設粉砂壤土(Silt Loam)當前水勢是-100kPa,根據其土壤水分特征曲線,對應的水分含量是0.24m3/m3,灌溉目標是-33 kPa,對應的土壤水分含量是0.32 m3/m3,如果灌溉深度15cm(該值可通過研究植物的根系分布獲得),由此估算得到灌溉用水量為(0.32-0.24)*15=1.2cm。

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圖7 根據粉砂壤土(Silt Loam)的土壤水分特征曲線估算灌溉用水

對于細砂壤土(Fine Sandy Loam),假設其當前土壤水勢也是-100kPa ,對應的土壤水分含量是0.10 m3/m3,灌溉目標也是-33 kPa,對應土壤水分含量是0.16 m3/m3,灌溉深度同樣是15cm,估算得到灌溉用水量為(0.16-0.10)*15=0.9cm。可以看出,由于土壤質地不同,達到同樣的灌溉目標,所需的灌溉水量是不同的。

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圖8 根據細砂壤土(Fine Sandy Loam)的土壤水分特征曲線估算灌溉用水

■ 如何在實驗室及田間獲得土壤水分特征曲線?

繪制土壤水分特征曲線,需要同時測量土壤水分含量和土壤水勢。土壤水分含量較易測量;而對于土壤水勢來說,目前還沒有一種儀器/傳感器,可以既測土壤水勢的“干端”,又測“濕端”。然而,通過多種儀器的組合,就能完成土壤水勢的全量程測定(圖9)。

僅需幾天(~5d),HYPROP2就可在濕端(0至-240kPa)范圍內生成土壤水分特征曲線,整個過程自動完成;與露點水勢儀WP4C聯用,可將該曲線擴展到干端(低至-300MPa)(視頻1)。

在田間,TEROS 32土壤“濕端高準度”水勢傳感器(-85kPa至+50kPa)、TEROS 21土壤“干端高準度”水勢傳感器(-9至-2000kPa),聯合TEROS 12土壤水分含量傳感器,可原位獲得土壤水分特征曲線(圖10)。所有數據儲存在ZL6數據采集器中,并上傳云端——Zentra Cloud,隨時隨地查看數據。

視頻1:實驗室土壤水分特征曲線測量工作組


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圖9 不同儀器/傳感器的水勢量程

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圖10 METER原位土壤水分特征曲線測量系統

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