土壤容重与含水量
土壤水分和容重的测定
二土壤水分和容重的测定2.1 土壤自然含水量的测定将采回一定量的新鲜土样在105℃±2℃ 烘至恒重（约 6-8 小时），求出土壤失水重量占烘干土重的百分数。
通常以一百克干土中含水多少来表示。
在进行土壤理化分析时，需要先在105℃ 下烘干以测定风干土样的吸湿水含量，并以烘干样品重为相对统一的计算标准使之各项各次分析结果可互相比较。
a. 风干土壤吸湿水的测定取编有号码的水分皿或小铝盒 ( 需打开盒盖 ) ，烘干后，冷却，在电子天平上称得其恒重（W 1 ），平铺入约 5g 风干土样，再准确称重（W 2 ），放入烘箱中，在 105-110℃ 烘烤 8 小时取出，加盖后放在干燥器内冷却至室温，立即称重（ W 3 ），必要时重复烘烤 3 小时。
冷却称重，以验证是否恒重（两次重量之差不大于 3mg ）。
结果计算：（以烘干土壤为基础的水分 % ）b. 新鲜土壤水分测定取大的水分皿或大铝盒在田间土钻取代表性土样，挖取土钻中部土样 20g 左右迅速装入已知重量（ W 1 ）的铝盒，带回实验室再称重（ W 2 ）。
同测定土壤吸湿水步骤相同。
立即烘烤，冷却称重（ W 3 ），依上式计算土壤水分 % 。
2.2 土壤容重的测定土壤容重是指土壤在未破坏自然结构的情况下，单位容积的干土重，以 g ／ cm 3 表示。
土壤容重及孔隙度是土壤松紧状况的反映，而它们和土壤质地、结构、有机质含量、土壤紧实度、耕作措施等有关，并可作为判断土壤肥力高低的一项重要指标。
测定土壤容重的方法很多，如环刀法，蜡封法 ( 用于求不规则样的体积 ) ，水银排开法， r 射线法，常用的是前两种方法。
现介绍常用的环刀法，此法操作简便，结果比较准确，且能反映田间实际情况。
方法是利用一定容积的环刀切割未搅动的自然状态的土样，使土样充满其中、称量后计算单位体积的烘干土重量。
环刀、环刀托、削土刀、铁铲、天平 ( 感量 0.1 克 ) 、白瓷盘、滤纸。
a. 先在田间选择挖掘土壤剖面位置，然后挖掘土壤剖面，观察面向阳，挖出的土放在土坑两边，挖的深度一般是 1 米或见到地下水为止。
土壤中质量含水量和体积含水量的关系
土壤中质量含水量和体积含水量的关系
一、实验目的
掌握质量含水量和体积含水量的测定原理和方法
二、原理
质量含水量：是指土壤中水分的质量与干土质量的比值，因在同一地区重力加速度相同，所以又称作重量含水量。
土壤质量含水量=土壤水质量/干土质量*100％
体积含水量：是指单位土壤总容积中水分所占的容积分数，又称容积湿度。
土壤体积含水量=土壤水容积/土壤总容积*100%
土壤容重ρ=质量含水量 /体积含水量通过测量土壤中水分的含量、干土的质量、土壤水容积、土壤总容积来求得质量含水量和体积含水量，继而寻找二者之间的关系得出土壤容重=质量含水量/体积含水量。
三、仪器
环刀（100cm³）、电子秤、量筒
四、实验步骤
用环刀切割未搅动的自然状态的干土，使干土充满其中，称取干土和环刀的质量，然后在环刀中加水至最大持水量，称取湿土和环刀的重量，重复做五组，取其平均数后根据公式算出质量含水量。
用环刀切割未搅动的自然状态的干土，使干土充满其中，在环刀中加水至最大持水量，重复做五组，记录加水的量，取其平均数后根据公式算出体积含水量。
得出结论：质量含水量 /体积含水量=土壤容重。
土壤水分及容重测定方法
一、土壤容重的测定（环刀法）土壤容重是指田间自然状态下，在单位体积内所具有的干土质量，通常以每立方厘米土重克数表示，记和（g·cm－3）。
通过土壤容重的测定，可约略估计土壤质地、结构和松紧状况，比较粘的土壤容重较小，而砂质土壤容重较大。
在一般情况下，土壤容重小时说明土壤孔隙数量多，土壤比较疏松，土壤结构性好，在这种情况下，土壤的水分、空气、热量状况比较好。
因此，土壤容重是土壤肥瘦和耕作质量的重要指标。
另外，通过土壤容重的数值可具体计算出土壤中孔隙的多少，在生产上用途较大。
（一）方法原理用一定容积的环刀（一般为100cm3）切割未搅动的自然状态土样，使土样充满其中，称量后计算单位容积的烘干土质量。
本法适用一般土壤，对坚硬和易碎的土壤不适用。
（二）操作步骤（1）在田间选择挖掘土壤剖面的位置，按使用要求挖掘土壤剖面。
若只测定耕层土壤容重，则不必挖土壤剖面。
（2）用修土刀修平土壤剖面，并记录剖面的形态特征，按剖面层次，分层采样，耕层重复4个，下面层次每层重复3个。
（3）将环刀托放在已知质量的环刀上，环刀内壁稍擦上凡士林，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满土样为止。
（4）用修土刀切开环刀周围的土样，取出已充满土的环刀，细心削平环刀两端多余的土，并擦净环刀外面的土同时在同层取样处，用铝盒采样，测定土壤含水量。
（5）把装有土样的环刀两端立即加盖，以免水分蒸发。
随即称重（精确到0.01g），并记录。
（6）将装有土样的铝盒烘干称重（精确到0.01g），测定土壤含水量。
或者直接从环刀筒中取出土样测定土壤含水量。
（三）结果计算ρb=m/（1+θm）V式中：ρb为土壤容重（g·cm－3）；m为环刀内湿样质量（g）；V为环刀容积（cm3），一般为100cm3；θm为样品含水量（质量含水量）（%）。
允许平行绝对误差＜0.03g·cm－3，取算术平均值。
（四）仪器设备环刀（容积为100cm3），天平（感量0.1g和0.01g），烘箱，环刀托，削土刀，干燥器。
土壤容重和含水量的关系
土壤容重和含水量的关系
土壤容重和含水量之间存在密切的关系。
土壤含水量是指土壤中含有的水分所占的百分比，而土壤容重则是指单位体积土壤的重量。
在一定的土壤类型和密度条件下，土壤含水量越高，其容重通常越低。
这是因为水分在土壤中起到润滑剂的作用，使得土壤颗粒之间的空隙增大，从而降低了土壤的整体密度和重量。
在干燥的土壤中，由于水分含量较低，土壤颗粒之间的空隙较小，导致土壤容重较高。
而当土壤含水量增加时，水分占据了更多的空间，使得土壤颗粒之间的空隙扩大，因此土壤容重会随之降低。
需要注意的是，当土壤含水量超过一定范围时，例如达到饱和状态，土壤容重可能会再次升高。
这是因为在过高的含水量下，土壤中的空气被排出，土壤颗粒被紧密地压缩在一起，导致土壤容重增加。
总之，在一般情况下，土壤含水量与土壤容重呈负相关关系，即含水量越高，容重越低。
但这种关系并不是线性的，需要注意饱和状态对土壤容重的影响。
(三)土壤水分含量及其有效性
土壤耕性是土壤在耕作时所表现的综合性状，如 耕作的难易、耕作质量的好坏、宜耕期的长短。
土壤粘结性：土粒与土粒之间由于分子引
力而相互粘结在一起的性质。
土壤粘着性：土壤在一定含水量范围内， 土粒粘附在外物上的性质。
塑性：土壤在外力作用下变形，当外力撤 销后仍能保持这种变形的特性。
计算土壤蓄水量
单位面积一定厚度的土体内所含的水量。
⑴土壤蓄水量（mm）=土层深度（mm）*土壤容积含水
量
⑵土壤蓄水量（立方米/亩）=面积（平方米）*土层 深度*土壤容积含水量
2、土壤水的有效性
▲
吸湿系数：干燥土壤吸附气态水分子的最大含
量
萎蔫系数：植物因根系无法吸水而发生永久萎
蔫时的土壤含水量（土壤有效水的下限） 田间持水量：土壤毛管悬着水达到最多时的含 水量（土壤有效水的上限）
五、土壤空气
（一）土壤空气的数量及其影响因素
来源：大气的渗透及土壤内部生物化学过 程产生的气体；
土壤空气的数量取决于土壤孔隙状况及含 水量
在土壤总孔隙度不变的情况下，土壤的空 气数量与土壤水分含量是相互消长关系 轻质土壤的大孔隙较多，具有较大的容气 能力和较强的通气性；粘质土壤大孔隙少， 相应地降低了容气能力和通气性
(1)随粒径由大到小，SiO2含量由多到少； (2)R2O3( 即 Fe2O3 与 Al2O3 的总称 ) 与 SiO2 相反， 随粒径由大到小，R2O3含量由少到多； (3)CaO、MgO、P2O5、K2O随土粒由大到小，含 量增加。
(4)土粒由大到小，保水能力增加，但通透性 降低。随着土粒由大到小,土壤湿胀性和可塑 性增加，对耕作带来不利影响。
土壤容重与含水量
7
土壤含水量测定技术
直接测定：烘干法
间接技术
手感法
电学方法
放射技术
声学方法
热学方法
-微波技术 -热脉冲技术
化学方法
-中子技术 -g射线技术
电阻法 TDR
介电技术
石膏块、尼龙块
FDR
TDT
8
电阻法测定土壤含水量
9
中子仪
快中子
慢化（热化）
慢中子（热中子）
探头周围热中子云球的密度主要随 氢原子数量而变化。 土壤中影响热中子云球的密度的氢 原子主要存在于土壤水分子中。
快中子通量和土壤水分含量关系
实地水分监测：San Pedro 河谷，亚利桑 那
COSMOS系统美国现状（2011年）：50台
仪器设备
21
步骤：烘干法
测量环刀体积（V），称量空铝盒重量（M0）； 选择代表性位置，清除杂物； 挖掘土壤剖面，用削土刀修平剖面；
按剖面层次，分层采样；
22
步骤：TDR技术
在田间取容重样的深度将时域反射探头水平插入土壤，将探 头连接到时域反射仪； 打开时域反射仪，调节视窗尺度，找到电磁信号的两个反射 点并记录记录其位置L1和L2； 另选2个点，重复上述步骤； 利用TDR测定结果计算土壤介电常数和体积含水量。
L2 L1 Ka L
取出环刀，削去两端多余的土； 将土样转移至铝盒中，用盖密封；
m
M2 M0 M1 M 2
rb
重复上述过程，在同一层次取3个样品；
将样品带回实验室，称重（M1）；
M2 M0 V
在1052oC下烘干（24小时），在干燥器中冷却，称重（M2）。
浙江大学土壤容重、孔度、含水量及三相比的测定实验报告
实验报告课程名称： 土壤与植物营养学实验实验项目名称： 土壤容重、孔度、含水量及三相比的测定一、 实验目的和要求1. 测定和计算土壤含水量、容重、孔度及三相比；2. 加深对上述物理量及其相互关系的理解；3. 掌握容重等的测定和计算方法。
二、 实验内容和原理1. 土壤比重：单位容积固体土粒（不包括孔隙）的质量称为土壤比重，单位为g/cm 3，其数值大小取决于矿物成分和腐殖质含量。
土壤中多数矿物比重为2.5-2.7（含铁矿物>3），土壤中腐殖质含量较少，所以一般主要取决于其矿物组成，通常取其平均值2.65，作为土壤比重常用值。
2. 土壤容重：田间自然垒结状态下单位体积的土壤质量（即在105℃下除去水分的质量）称为土壤容重，单位为g/cm 3，总是小于比重，一般为1.0-1.4。
土壤容重与土粒排列情况、孔度大小、土壤质地、结构和有机物等有关，反映了土壤肥力、耕作管理状况和土壤紧实度。
可利用土壤容重计算土壤重量和土壤中一定土层内各组分的数量。
土壤容重（g/cm 3）=土样干重/土样体积3. 土壤孔度：土壤中所有大小孔隙的容积之和占整个土壤容积的百分数称为土壤孔度，可根据土壤的容重和比重计算而得。
一般的，砂土的孔度为30%-45%，壤土为40%-50%，黏土为45%-60%，一般作物适宜的孔隙度为50%左右。
土壤的孔度决定着土壤的水分和空气状况，并对热量交换有一定影响，是土壤的重要属性。
土壤孔度（%）=（1-容重/比重）×1004. 土壤含水率：每百克干土中所保持的水分克数称为土壤含水率。
将土样放置在105℃-110℃的烘箱中烘至恒重，失去的质量即为水分质量，在此温度下土壤的吸附水被蒸发，而结构水不致破坏，有机质也不致分解。
土壤含水率（%）=W 湿−W 干W 干×100 式中：W 湿为土壤湿重，W 干为土壤干重。
5. 土壤的三相比土壤中气相、液相和固相三种状态的相对比例就是土壤的三相比。
土壤容重、孔隙度、含水率等测定方法
1．土壤含水量(含水率)测定采用酒精燃烧法测定。
操作步聚：(1)取小铝盒若干，洗净后烘干，用天平称出每—铝盒重量(逐一标量记录)(2)在标准地内挖土壤剖面，分20cm 一层。
在分层的土壤剖面上用铝盒自下而上刮一层土(约半盒、注意避开根系和石砾等杂物)，马上称重(得出湿土重十铝盒重)(3)倒入酒精8－12ml ，振荡铝盒使与土壤混合均匀(如土壤很湿要用小刀拌匀成泥浆)，点燃酒精，在火焰将熄灭时，用小刀轻拔土壤，使其充分燃烧，烧完后再加入3～4ml 进行第二次燃烧(如土壤粘重、含水量较大，再加入2～3ml 酒精进行第三次燃烧)。
冷却后，马上称出重量(得干土重十盒重)。
每层重复三次。
(4)土壤含水量及现有贮水量计算①土壤含水量(重量)＝％重（干土重＋盒重）－盒干土重＋盒重）（湿土重＋盒重）－（100⨯ ＝水分重／干土重×l00％②土壤含水量(体积)＝）（）容重（土壤含水量（重量％）33g/cm 1g/cm ⨯ ＝％土壤体积水分体积100⨯ (注：水的容重一般取lg ／cm 3)2．土壤物理性质测定采用环刀法操作步聚：(1)首先量取环刀的高度和内径，计算出其容积(标记、做好记录)：V ＝πr 2H式中：V —环刀体积(cm 3)R —环刀内半径(cm)H —环刀高度(cm)将环刀在天平上称重(做好标记、记录)。
(2)选择标准地，在测定地点做一平台(山地)，挖土壤剖面，分层取样测定(按20cm —层)，每层设三个重复。
(3)打入环刀(一定要垂直打入，且不能晃动)，待土壤至环刀下沿齐平时，在环刀上垫—滤纸层后把盖盖好，挖出环刀，用刀削平底部土壤，垫好滤纸，盖好下盖。
迅速称重(得：自然土重十环刀重)(注：第(3)步测完后马上测定该层土壤含水量，见土壤含水量测定)可测出土壤容重。
(4) 将环刀样品带回室内，拿掉上盖(保留滤纸)。
将环刀放入盛水的容器中(2—3mm 水层，随水减少，逐渐加水，保持此水层)。
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N soil v a b N reference
10
TDR测定土壤含水量
L
L2 L1 Ka L
2
Kw: 80, Ks: 3-5, Ka: 1
L1
L2
v = -5.3 x 10-2 + 2.92 x 10-2Ka - 5.5 x 10-4Ka2 + 4.3x10-6Ka3
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步骤：TDR技术
在田间取容重样的深度将时域反射探头水平插入土壤，将探 头连接到时域反射仪； 打开时域反射仪，调节视窗尺度，找到电磁信号的两个反射 点并记录记录其位置L1和L2； 另选2个点，重复上述步骤； 利用TDR测定结果计算土壤介电常数和体积含水量。
L2 L1 Ka L
土壤容重与含水量
中国农业大学 2012-9-20
任图生
1
土壤容重(Bulk Density)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
概念：单位体积土壤（固、液、气）包含的固体的质量。
常用rb表示，单位为Mg m-3或g cm-3。
意义：
– 质量单位与体积单位转化；
– 土壤紧实度指标； – 与水分和空气流动、根系和微生物呼吸密切相关。
2
3 2 4.3106 Ka 5.5 104 Ka 2.92102 Ka 5.3102
23
结果与讨论
计算测定结果的平均值和标准差；
利用烘干法结果，计算体积含水量、孔隙度、三相比
和饱和度； 比较TDR测定结果与烘干法测定结果（作图）；
环刀取样法测定容重有何优缺点？
影响因子： – 颗粒组成；
– 颗粒的空间排列； – 粘粒的收缩性能：粘壤和粘土等，田间呈动态变化。
2
土壤容重
直接测定技术：
– 环刀取样法：垂直与水平？干与湿？ – 蜡封法：不规则土块 – 挖坑法：石块、根系太多。
间接测定法：
– 电阻法
– 玛射线法
– 热脉冲—TDR技术
矿质土壤容重范围?
– 1.0-1.6 g cm-3
A
V
5
土壤容重的 动态变化
rb (g cm-3)
6
土壤含水量
质量含水量与体积含水量：
m M water M solid
g g-1
Vw ater v Vsoil
cm3 cm-3
v m r b
测定技术：
直接测定法：烘干法 间接测定法：利用土壤电学、电磁学、热力学等性质
1H 2H 4He 9Be 12C
Qmax/E
1.000 0.889 0.640 0.360 0.284
16O
56Fe 118Sn 238U
0.221
0.069 0.033
0.017
快中子和氢原子碰撞示意图
宇宙射线的快中子在进 入地面时，与原子核碰 撞，散射而失去能量， 并最终成为热中子。
能量损耗和原子核的重 量成反比。因为氢原子 的热化效率非常高，所 以被热化的中子数在很 大程度上取决于氢含量， 也就是土壤水含量。
Day of Year
13
现有系统难以准确监测大范围农田水分
中子仪、时域反射、热脉冲等技术：准确，但仅点尺度； 遥感技术：监测大尺度（10m-km )水分，但局限于表层几厘米。 受照片空间分辨率、地表粗糙度和植被影响较大，需要地面观 测数据验证，短期内难以大面积应用； 目前仍然缺乏农田和小流域尺度上准确测定土壤水分的技术。
分析TDR与烘干法测定土壤含水量的主要误差来源； 与其它测定技术相比较，TDR技术的优越性和不足？
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11
TDR仪器设备
12
TDR田间应用
.40 Depth: 5 cm
Water content (cm cm )
.35
3
-3
.30
.25
Campbell scientific TDR system
.20 Irrigation 0 .15 197 198 17.5 199 35.0 200 201 Precipitation 52.5 202 70.0 203
3
环刀取样法
利用环刀在田间取一定体积（Vt） 的土壤
在室内（105-110oC）烘干，得 到干土质量（Ms） 问题：破坏性，难以重复；土 壤深层不容易操作
4
热脉冲—TDR技术测定土壤容重
根据土壤热容量的理论模， 可以得到：
C rbcs rwcw
rb (C rwcw) / cs
快中子通量和土壤水分含量关系
实地水分监测：San Pedro 河谷，亚利桑 那
COSMOS系统美国现状（2011年）：50台
仪器设备
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步骤：烘干法
测量环刀体积（V），称量空铝盒重量（M0）； 选择代表性位置，清除杂物； 挖掘土壤剖面，用削土刀修平剖面；
按剖面层次，分层采样；
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土壤含水量测定技术
直接测定：烘干法
间接技术
手感法
电学方法
放射技术
声学方法
热学方法
-微波技术 -热脉冲技术
化学方法
-中子技术 -g射线技术
电阻法 TDR
介电技术
石膏块、尼龙块
FDR
TDT
8
电阻法测定土壤含水量
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中子仪
快中子
慢化（热化）
慢中子（热中子）
探头周围热中子云球的密度主要随 氢原子数量而变化。 土壤中影响热中子云球的密度的氢 原子主要存在于土壤水分子中。
时域反射仪
拟引进技术：宇宙射线土壤水分监测系 统（COSMOS）
2009年，美国Hydroinnova 公司创新性地开发了基于近地面环境 宇宙射线中的快中子浓度与土壤含水量关系的区域土壤水分测量 系统：COSMOS。
宇宙射线中子水分测量原理
中子和不同的原子核碰撞后，损失的能量占初始能量的比例
Nucleus
取出环刀，削去两端多余的土； 将土样转移至铝盒中，用盖密封；
m
M2 M0 M1 M 2
rb
重复上述过程，在同一层次取3个样品；
将样品带回实验室，称重（M1）；
M2 M0 V
在1052oC下烘干（24小时），在干燥器中冷却，称重（M2）。
计算含水量和容重。