土壤水分特征曲线测定

土壤水分特征曲线测定实验

一、实验原理

土壤水分特征曲线（又称持水曲线，见图1）是土壤含水量与土壤水吸力的关系曲线，该曲线能够间接反映土壤孔隙大小的分布，分析不同质地土壤的持水性和土壤水分的有效性等，在水文学、土壤学等学科的研究与实践中都具有重要作用。目前，负压计法是测量土壤水吸力最简单、最直观的方法，而时域反射仪（TDR）是测量土壤体积含水率的最常用、最便捷的方法之一。

图1 土壤水分特征曲线

（一）负压计

负压计由陶土头、腔体、集气管和真空（负压）表等部件组成（见图2）。陶土头是仪器的感应部件，具有许多微小而均匀的孔隙，被水浸润后会在孔隙中形成一层水膜。当陶土头中的孔隙全部充水后，孔隙中水就具有张力，这种张力能保证水在一定压力下通过陶土头，但阻止空气通过。将充满水且密封的负压计插入不饱和土样时，水膜就与土壤水连接起来，产生水力上的联系。土壤系统的水势不相等时，水便由水势高处通过陶土头向水势低处流动，直至两个的系统的水势平衡为止。总土水势包括基质势、压力势、溶质势和重力势。由于陶土头为多孔透水材料，溶质也能通过，因此内外溶质势相等，陶土头内外重力势也相等。非饱和土壤水的压力势为零，仪器中无基质，基质势为零。因此，土壤水的基质势便可由仪器所示的压力（差）来量度。非饱和土壤水的基质势抵于仪器里的压力势，土壤就透过陶土头向仪器吸水，直到平衡为止。因为仪器是密封的，仪器中就产生真空，这样仪器内负压表的读数这就是土壤的吸力。土壤水吸力与土壤水基质势在数值上是相等的，只是符号相反，在非饱和土壤中，基质势为负值，吸力为正值。

图2 负压计结构图

（二）TDR

土壤水分对土壤介电特性的影响很大。自然水的介电常数为80.36，空气介电常数为1，干燥土壤为3~7之间。这种巨大差异表明，可以通过测量土壤介电性质来推测土壤含水量。时域反射仪以一对平行棒（也叫探针）作为导体，土壤作为电介质，输出的高频电磁波信号从探针的始端传播到终端，由于终端处于开路状态，脉冲信号被反射回来。通过电磁波沿探针来回传播的时间可以计算土壤表观介电常数，介电常数与土壤含水量之间的函数关系而得到土壤含水量。

对相同的土壤在不同的土壤湿度条件下测量一系列（土壤含水量θ，土壤水吸力S）的值，便可绘制土壤水分特征曲线，然后用S（θ）经验公式拟合观测数据。

二、实验材料和仪器

1.土样（室外取土）

2.蒸馏水（实验室通过冷凝装置制备）

3.装土容器（底部有孔）

4.负压计

5.便携式TDR（TDR300，见图3）

图 3 TDR300土壤水分仪

三、实验步骤

1、土样的准备：在带孔的容器底部铺上一层普通滤纸，然后将采集的土样分次分层地装入，

一般分6层装填，每次装入约1/6总质量的土样，每层铺平后夯实土样。填装完毕后，刮平土壤表面，加水使土壤湿润（接近田间持水量），静置24小时。

2、仪器的准备：在使用负压计之前，为使仪器达到最大灵敏度，必须把仪器内部的空气除

尽。打开集气管的橡皮塞，将负压计倾斜，注入蒸馏水，注满后将负压计直立，让水将陶土头润湿，并见有水从表面滴出。再将仪器注满蒸馏水，用干布或吸水性能好的纸从陶土头表面吸水（或在注水口塞入一个插有注射针头的橡皮塞，用注射器进行抽气，抽气时注意针尖必需穿过橡皮塞并伸入仪器内部，同时用左手顶住橡皮塞，不让其松动漏气）。此时可见真空表的指针指向40 Kpa左右，并有气泡从真空表内逸出，逐渐聚集在集气管中。拔出塞子让真空表指针退回零位。继续将仪器注满蒸馏水，仍用上述方法进行抽气，重复3-4次，仪器内的空气便可除尽，塞好橡皮塞并盖好集气管盖，将陶土头浸在蒸馏水中备用。

3、安装负压计：在试样罐的中心先用小土钻钻一土孔，孔径略小于陶土头直径，然后将负

压计垂直插入，使陶土头与土样紧密接触，将周围填土捣实（切勿踩实）。仪器安装好24小时之后，便可进行数据采集。

4、土壤在室内自然蒸发脱湿，土壤含水量减少。每日读取并记录一次数据（负压S，单位

Kpa），直至负压表的读数接近最大量程85Kpa。

5、将便携式TDR300的探头垂直插入待测土壤（探针完全插入）测量土壤含水率。每日测

量一次，读取数据并记录（体积含水率θ，单位cm3/cm3）。

6、实验结束后将负压计取出，清洗干净。

注：负压计在使用过程中，须定期检查集气管中的空气容量，如果空气容量超过集气管容积的一半，必须重新补满水，补水时不要拔出仪器，也不要摇动仪器，只要缓缓拧开盖子，用蒸馏水灌满，再加盖和塞密封。若在操作过程中，陶土管与原来接触的土壤松动，应在附近重新打孔，重新安装。一般来讲，如安装前仪器中的空气基本除净，且土壤的湿度在仪器的测量范围内，则可以连续维持10-25天，不必重新加水。

四、数据处理

将所有人分为20个组（每组3~4人）进行实验，依次于20日内测量20组（土壤含水量θ，土壤水吸力S）数据并记录于下表：

将土壤含水量θ和土壤水吸力S 绘制成散点图，然后用S （θ）经验公式拟合。

① b S A θ= ② ()n

s m A S θθθ-=

1) 采用Excel 自带的趋势线分析（幂函数）对公式①进行拟合，要求绘制拟合曲线，给出

公式以及拟合度（R 2）；

2) 采用公式②拟合相对复杂，可利用Matlab 等数据处理软件，不做要求。

五、问题与思考

1、该实验存在哪些误差？对实验结果有何影响？（实验误差分析）

2、采取哪些手段可以更好的测定脱湿条件下的土壤水分特征曲线？（实验改进意见）