力高泰微課堂 | 深入解析土壤水勢和土壤水分特征曲線

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(chǔ)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。

內(nèi)容提要

■ 土壤水勢（Soil Water Potential）的研究意義是什么？

■ 田間持水量時(shí)，土壤水勢是多少？

■ 永久萎蔫點(diǎn)是個(gè)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(dǎo)灌溉？

■ 如何在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)（通常是純水）的“能量狀態(tài)”。具體來說，可定義為在溫度恒定狀態(tài)下，使單位體積或質(zhì)量的土壤孔隙水?dāng)[脫土壤顆粒以及土壤鹽溶液的束縛，達(dá)到自由水（純水）狀態(tài)，所需要做的功。從這個(gè)定義出發(fā)，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(guān)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(shù)，這個(gè)計(jì)算值用符號pF表示。

土壤孔隙水會沿水勢梯度從高往低運(yùn)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(fā)生時(shí)，由于土壤和植物根系水勢逐漸持平，水勢梯度消失，水分運(yùn)動就不再發(fā)生；當(dāng)干旱加劇，土壤水勢進(jìn)一步下降，當(dāng)其比植物根系水勢還低時(shí)，水勢梯度逆轉(zhuǎn)，植物根系失水，植物就面臨失水死亡的風(fēng)險(xiǎn)。因此，土壤水勢在理解水分在“”土壤-植物-大氣連續(xù)體”中的運(yùn)動具有重要意義（圖2）。 

圖2 土壤-植物-大氣連續(xù)體上的水勢梯度和水分運(yùn)動 源/METER

■ 田間持水量時(shí)，土壤水勢是多少？

田間持水量（Field Capacity）是指當(dāng)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(tài)一般出現(xiàn)在降水或灌溉后的第2到第3天，對應(yīng)的土壤水勢可認(rèn)為是其上限，一般認(rèn)為是-33kPa。Veihmeyer和Hendrickson發(fā)現(xiàn)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(gè)常數(shù)。例如，毛細(xì)阻滯效應(yīng)(Capillary Barrier Effect）會將這一值提高。這種效應(yīng)可解釋為：細(xì)粒土層和粗粒土層從上到下分層排布，由于這兩個(gè)層次的土壤粒徑相差較大，兩層之間的土壤水力導(dǎo)度（Soil Hydraulic Conductivity）很低（k~0）。細(xì)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(xù)下滲，導(dǎo)致細(xì)粒土層土壤水勢持續(xù)升高。最終，細(xì)粒土層的土壤水勢能接近0kPa（圖3），顯著高于普遍認(rèn)為的-33kPa上限。

圖3 毛細(xì)阻滯效應(yīng)影響土壤田間持水量對應(yīng)的水勢

■ 永久萎蔫點(diǎn)是個(gè)啥？

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

圖4 土壤水勢狀態(tài)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(dāng)土壤水勢介于-33kPa（田間持水量時(shí)）到-1500 kPa（永久萎蔫點(diǎn)時(shí)）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(fā)現(xiàn)，他們用于培養(yǎng)植物的一種實(shí)驗(yàn)基質(zhì)，其水勢為-10kPa時(shí)，植物卻發(fā)生了干旱脅迫。使用Hyprop2 測量其土壤水分特征曲線后發(fā)現(xiàn)，和通常的平滑曲線不同，該曲線竟然出現(xiàn)了“兩個(gè)拐彎”。其中一個(gè)“拐彎”出現(xiàn)在-10kPa左右。這說明，這種基質(zhì)的粒徑組成存在“Gap”：有細(xì)粒成分，也有粗粒成分，但是缺乏中等粒徑成分（圖5）。

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(dǎo)致土壤水力導(dǎo)度（Soil Hydraulic Conductivity）發(fā)生“突變”。土壤水力導(dǎo)度（Soil Hydraulic Conductivity）是反映土壤“供水”能力的另一個(gè)重要參數(shù)。圖6所示，這種實(shí)驗(yàn)基質(zhì)在土壤水勢很高（-8kPa）的情況下，土壤水力導(dǎo)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(xiàn)干旱脅迫。

圖6 土壤水力導(dǎo)度和土壤水勢的關(guān)系

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

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

在下圖中，假設(shè)粉砂壤土（Silt Loam）當(dāng)前水勢是-100kPa，根據(jù)其土壤水分特征曲線，對應(yīng)的水分含量是0.24m3/m3，灌溉目標(biāo)是-33 kPa，對應(yīng)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。

圖7 根據(jù)粉砂壤土（Silt Loam）的土壤水分特征曲線估算灌溉用水

對于細(xì)砂壤土（Fine Sandy Loam），假設(shè)其當(dāng)前土壤水勢也是-100kPa ，對應(yīng)的土壤水分含量是0.10 m3/m3，灌溉目標(biāo)也是-33 kPa，對應(yīng)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�？梢钥闯�，由于土壤質(zhì)地不同，達(dá)到同樣的灌溉目標(biāo)，所需的灌溉水量是不同的。

圖8 根據(jù)細(xì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(nèi)生成土壤水分特征曲線，整個(gè)過程自動完成；與露點(diǎn)水勢儀WP4C聯(lián)用，可將該曲線擴(kuò)展到干端（低至-300MPa）（視頻1）。

在田間，TEROS 32土壤“濕端高準(zhǔn)度”水勢傳感器（-85kPa至+50kPa）、TEROS 21土壤“干端高準(zhǔn)度”水勢傳感器（-9至-2000kPa），聯(lián)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(shù)據(jù)儲存在ZL6數(shù)據(jù)采集器中，并上傳云端——Zentra Cloud，隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)。

視頻1：實(shí)驗(yàn)室土壤水分特征曲線測量工作組

圖9 不同儀器/傳感器的水勢量程

圖10 METER原位土壤水分特征曲線測量系統(tǒng)