力高泰微课堂 | 深入解析土壤水势和土壤水分特征曲线

在上一讲中，METER公司的Chris Chambers为大家介绍了土壤水分含量和土壤水势的基础知识。这一讲，Leo Rivera将为大家深入解析土壤水势和土壤水分特征曲线。

内容提要

■ 土壤水势（Soil Water Potential）的研究意义是什么？

■ 田间持水量时，土壤水势是多少？

■ 永 久萎蔫点是个啥？

■ 什么因素影响土壤水分的可利用性？

■ 如何用土壤水分特征曲线（Moisture Release Curves）指导灌溉？

■ 如何在实验室及田间获得土壤水分特征曲线？

■ 土壤水势（Soil Water Potential）的研究意义是什么？

土壤水势表征土壤孔隙水相对于参考点（通常是纯水）的“能量状态”。具体来说，可定义为在温度恒定状态下，使单位体积或质量的土壤孔隙水摆脱土壤颗粒以及土壤盐溶液的束缚，达到自由水（纯水）状态，所需要做的功。从这个定义出发，土壤水势的单位可用J/m³或J/kg来表示。

土壤水势常用单位
常用的土壤水势单位有：J/kg，kPa，MPa，Bar。它们之间的换算关系是
1J/kg=1kPa=0.001Mpa=0.01Bar。

另外，还可以用水柱高度来表示土壤水势，单位是cm，1cm=0.981hPa。将土壤水势换算成水柱高度后，乘以-1后取以10为底的对数，这个计算值用符号pF表示。

土壤孔隙水会沿水势梯度从高往低运动。植物根系吸水就可以用水势梯度来解释：土壤水势高，植物根系水势低，在这种水势梯度下，根系能从土壤孔隙中获得水分；干旱发生时，由于土壤和植物根系水势逐渐持平，水势梯度消失，水分运动就不再发生；当干旱加剧，土壤水势进一步下降，当其比植物根系水势还低时，水势梯度逆转，植物根系失水，植物就面临失水死亡的风险。因此，土壤水势在理解水分在”土壤-植物-大气连续体”中的运动具有重要意义（图2）。 

图2 土壤-植物-大气连续体上的水势梯度和水分运动 源/METER

■ 田间持水量时，土壤水势是多少？

田间持水量（Field Capacity）是指当土壤中多余的水分下渗完成后，土壤中剩余的水分含量。这种状态一般出现在降水或灌溉后的第2到第3天，对应的土壤水势可认为是其上限，一般认为是-33kPa。Veihmeyer和Hendrickson发现该值受很多因素的影响，因此对于某一特定土壤来说，-33kPa并不是一个常数。例如，毛细阻滞效应(Capillary Barrier Effect）会将这一值提高。这种效应可解释为：细粒土层和粗粒土层从上到下分层排布，由于这两个层次的土壤粒径相差较大，两层之间的土壤水力导度（Soil Hydraulic Conductivity）很低（k~0）。细粒土层不断充水过程中，土壤孔隙水并不能透过此土层继续下渗，导致细粒土层土壤水势持续升高。ZZ，细粒土层的土壤水势能接近0kPa（图3），显著高于普遍认为的-33kPa上限。

图3 毛细阻滞效应影响土壤田间持水量对应的水势

■ 永 久萎蔫点是个啥？

永 久萎蔫点指植物根系能够从土壤中获取到水分且不会枯萎时，土壤水势的最小值。如果土壤水势低于永 久萎蔫点，植物就会逐渐萎蔫死亡（图4）。一般认为，永 久萎蔫点约为-1500kPa。和田间持水量时对应的土壤水势上限一样，永 久萎蔫点也不是一成不变的。例如，研究发现，沙漠中的Sagebrush（一种蒿属植物）可在-2500kPa土壤水势条件下存活。

图4 土壤水势状态和植物生长 源/https://extension.umn.edu/

■ 什么因素影响土壤水分的可利用性？

理论上来讲，当土壤水势介于-33kPa（田间持水量时）到-1500 kPa（永 久萎蔫点时）之间，植物都可以吸收利用，然而也有一些例外。例如，一位研究者发现，他们用于培养植物的一种实验基质，其水势为-10kPa时，植物却发生了干旱胁迫。使用Hyprop2 测量其土壤水分特征曲线后发现，和通常的平滑曲线不同，该曲线竟然出现了“两个拐弯”。其中一个“拐弯”出现在-10kPa左右。这说明，这种基质的粒径组成存在“Gap”：有细粒成分，也有粗粒成分，但是缺乏中等粒径成分（图5）。

图5 中等粒径成分缺失（Gap-Graded）下的土壤水分特征曲线

中等粒径成分的缺失，会导致土壤水力导度（Soil Hydraulic Conductivity）发生“突变”。土壤水力导度（Soil Hydraulic Conductivity）是反映土壤“供水”能力的另一个重要参数。图6所示，这种实验基质在土壤水势很高（-8kPa）的情况下，土壤水力导度却非常低，介于1.00E-04到1.00E-05 cm/s之间。这意味着，虽然“土壤水库”充足，但是“供水能力”差，植物根系可利用水量少，因此出现干旱胁迫。

图6 土壤水力导度和土壤水势的关系

■ 如何用土壤水分特征曲线（Moisture Release Curves）指导灌溉？

土壤水分特征曲线（Moisture Release Curves）就像是土壤的“指纹”，具有独特性。它和土壤质地(Soil Texture)、土壤有机质含量等因素密切相关。使用该曲线，我们能估算灌溉用水量。

在下图中，假设粉砂壤土（Silt Loam）当前水势是-100kPa，根据其土壤水分特征曲线，对应的水分含量是0.24m3/m3，灌溉目标是-33 kPa，对应的土壤水分含量是0.32 m3/m3，如果灌溉深度15cm（该值可通过研究植物的根系分布获得），由此估算得到灌溉用水量为（0.32-0.24）*15=1.2cm。

图7 根据粉砂壤土（Silt Loam）的土壤水分特征曲线估算灌溉用水

对于细砂壤土（Fine Sandy Loam），假设其当前土壤水势也是-100kPa ，对应的土壤水分含量是0.10 m3/m3，灌溉目标也是-33 kPa，对应土壤水分含量是0.16 m3/m3，灌溉深度同样是15cm，估算得到灌溉用水量为（0.16-0.10）*15=0.9cm。可以看出，由于土壤质地不同，达到同样的灌溉目标，所需的灌溉水量是不同的。

图8 根据细砂壤土（Fine Sandy Loam）的土壤水分特征曲线估算灌溉用水

■ 如何在实验室及田间获得土壤水分特征曲线？

绘制土壤水分特征曲线，需要同时测量土壤水分含量和土壤水势。土壤水分含量较易测量；而对于土壤水势来说，目前还没有一种仪器/传感器，可以既测土壤水势的“干端”，又测“湿端”。然而，通过多种仪器的组合，就能完成土壤水势的全量程测定（图9）。

仅需几天（~5d），HYPROP2就可在湿端（0至-240kPa）范围内生成土壤水分特征曲线，整个过程自动完成；与露点水势仪WP4C联用，可将该曲线扩展到干端（低至-300MPa）（视频1）。

在田间，TEROS 32土壤“湿端高准度”水势传感器（-85kPa至+50kPa）、TEROS 21土壤“干端高准度”水势传感器（-9至-2000kPa），联合TEROS 12土壤水分含量传感器，可原位获得土壤水分特征曲线（图10）。所有数据储存在ZL6数据采集器中，并上传云端——Zentra Cloud，随时随地查看数据。

视频1：实验室土壤水分特征曲线测量工作组

图9 不同仪器/传感器的水势量程

图10 METER原位土壤水分特征曲线测量系统