無(wú)論研究人員是在實(shí)驗(yàn)室還是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量土壤水力特性，他們只是了解了一部分情況。由于受控條件，實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)非常準(zhǔn)確，但實(shí)驗(yàn)室測(cè)量并未考慮可能影響土壤水文的根部、裂縫或蟲(chóng)洞等場(chǎng)地可變性。此外，當(dāng)研究人員從田間取樣到實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他們通常會(huì)在取樣過(guò)程中壓縮土壤大孔隙，從而改變土壤的水力特性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)幫助研究人員了解可變性和實(shí)時(shí)條件，但他們有相反的問(wèn)題。該領(lǐng)域是一個(gè)不受控制的系統(tǒng)。水通過(guò)蒸發(fā)、植物吸收、毛細(xì)上升或深層排水在土壤剖面中移動(dòng)，需要在不同深度和位置進(jìn)行多次測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)研究人員還必須應(yīng)對(duì)天氣的不可預(yù)測(cè)性。降水可能導(dǎo)致田間干涸實(shí)驗(yàn)需要整個(gè)夏天，而在實(shí)驗(yàn)室中只需要一個(gè)星期。
在了解每種方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性的同時(shí)使用實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)的研究人員可以成倍地增加他們對(duì)土壤剖面中發(fā)生的事情的理解。例如，在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員可能會(huì)使用欣仰邦土壤質(zhì)地分析儀來(lái)獲取準(zhǔn)確的土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)，包括完整的粒度分布。然后，他們可以將這些數(shù)據(jù)與土壤濕度生成的土壤水分釋放曲線相結(jié)合，以了解該土壤類型的水力特性。如果該研究人員隨后添加了高質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以了解真實(shí)世界的現(xiàn)場(chǎng)條件，那么他們會(huì)突然看到更大的圖景。
以下是對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器與現(xiàn)場(chǎng)儀器的探索，以及研究人員如何結(jié)合這些儀器來(lái)加深對(duì)其土壤剖面的了解。單擊鏈接以獲取有關(guān)每個(gè)主題的更深入信息。
| | 優(yōu)勢(shì) | 限制 |
| 實(shí)驗(yàn)室儀器 | 受控條件
直接運(yùn)行樣品
自動(dòng)化且相對(duì)快速的分析
規(guī)定的程序
準(zhǔn)確性 | 不考慮現(xiàn)場(chǎng)條件
一些系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)置 |
| 現(xiàn)場(chǎng)儀表 | 了解可變性和實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件
易于安裝和設(shè)置
自動(dòng)測(cè)量
蜂窩技術(shù)支持從辦公室收集近乎實(shí)時(shí)的土壤傳感器數(shù)據(jù) | 可變性需要更多的測(cè)量
更多要分析的數(shù)據(jù)
不受控制的情況
不可預(yù)測(cè)的天氣會(huì)導(dǎo)致延誤并損壞未受保護(hù)的設(shè)備
安裝不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確 |
表.實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)儀器的優(yōu)勢(shì)和局限性
粒度分布及其重要性
土壤類型和粒度分析是了解土壤及其*特性的個(gè)窗口。每個(gè)研究人員都應(yīng)該確定他們正在使用的土壤類型，以便對(duì)他們的數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。如果研究人員不了解他們的土壤類型，他們就無(wú)法根據(jù)含水量對(duì)土壤水的狀態(tài)做出假設(shè)（即，如果他們研究植物，他們將無(wú)法預(yù)測(cè)是否會(huì)有植物可用的水））。此外，土壤層中的不同土壤類型可能會(huì)影響研究人員的測(cè)量選擇、傳感器選擇和傳感器放置。
粒度分析定義了構(gòu)成土壤的粗到細(xì)材料的百分比。有了這些知識(shí)，研究人員可以估計(jì)特定土壤對(duì)水的保持強(qiáng)度。粒度分析超出了土壤類型的簡(jiǎn)單定義。粒度分析更像是土壤指紋，顯示了沙子、淤泥和粘土部分中粒度的*分布。這些信息可以幫助巖土工程師了解隨著時(shí)間的推移收縮膨脹的土壤會(huì)如何反應(yīng)，或者它可能會(huì)影響種植者的灌溉決策。粒度分布還可以提供有關(guān)土壤如何形成或最終將形成結(jié)構(gòu)的見(jiàn)解，它會(huì)影響飽和導(dǎo)水率：材料越粗糙，水就越容易移動(dòng)。
從歷看，研究人員使用粗略的方法來(lái)確定土壤質(zhì)地，例如帶狀測(cè)試、移液管方法或耗時(shí)的比重計(jì)技術(shù)。欣仰邦現(xiàn)在可自動(dòng)執(zhí)行土壤質(zhì)地分析過(guò)程，從而節(jié)省時(shí)間并提高準(zhǔn)確性。欣仰邦為研究人員提供完整的粒度分布分析，包括細(xì)粉砂、中粉砂、粘土和沙子的細(xì)分。獲得分析后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算其在美國(guó)土壤質(zhì)地三角形上的位置，以準(zhǔn)確識(shí)別土壤類型。
研究人員應(yīng)該先使用欣仰邦作為了解土壤的步，然后再?zèng)Q定要測(cè)量哪些其他參數(shù)。這將幫助他們確定哪種實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)儀器對(duì)他們的研究目標(biāo)效。
粒度分析——自動(dòng)化
欣仰邦允許無(wú)人值守的自動(dòng)化操作。只需設(shè)置它，稍后再回來(lái)進(jìn)行完成的測(cè)量。水分釋放曲線是每種土壤類型都有不同的水分釋放曲線（或土壤水分特征曲線）。研究人員使用水分釋放曲線來(lái)理解如果特定土壤中的水分隨時(shí)間發(fā)生變化，土壤和植物會(huì)如何反應(yīng)。它告訴他們?nèi)绾窝杆俚乃克郑?huì)發(fā)生變化，相比多少水可用（水勢(shì)）。水分釋放曲線幫助研究人員預(yù)測(cè)水是否會(huì)移動(dòng)以及它會(huì)去哪里。釋放曲線還說(shuō)明了隨著時(shí)間的推移，不同含水量的植物可獲得多少水。例如，在接近飽和的沙子中，含水量會(huì)隨時(shí)間快速變化，而水勢(shì)只會(huì)略微下降。這是因?yàn)樯匙拥拇罂紫逗偷捅砻娣e不能緊緊地保持水，使其更容易被利用。相反，在接近飽和的粘土中，水量變化較慢，而水勢(shì)變化相對(duì)較快，因?yàn)檎惩辆哂休^高的表面積和較小的孔隙，能更緊密地保持水分，為植物或水運(yùn)動(dòng)釋放的水量較少。水分釋放曲線說(shuō)明了含水量和水勢(shì)之間的關(guān)系并向研究人員展示土壤在任何條件下的表現(xiàn)。
土壤濕度：土壤水分釋放曲線專家
創(chuàng)建水分釋放曲線的方法是在實(shí)驗(yàn)室中。的土壤濕度是使用風(fēng)/迅達(dá)蒸發(fā)的方法來(lái)產(chǎn)生與土壤的水分釋放曲線的*實(shí)驗(yàn)室儀器水勢(shì)在大多數(shù)水運(yùn)動(dòng)的張力范圍-的范圍內(nèi)。它使用兩個(gè)精密張力計(jì)，自動(dòng)生成0至-100kPa范圍內(nèi)的100多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。曲線需要三到五天才能完成，但儀器在無(wú)人看管的情況下運(yùn)行。土壤濕度的范圍受張力計(jì)范圍的限制，但可以與土壤溫度結(jié)合使用以生成整個(gè)水分范圍內(nèi)的水分釋放曲線。將土壤濕度與土壤溫度結(jié)合使用以獲得完整的水分釋放曲線。該土壤溫度處于干燥范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)儀器，其測(cè)量水勢(shì)通過(guò)確定在一個(gè)封閉的腔室中的樣品上方的空氣的相對(duì)濕度。一旦樣品與土壤溫度密封室中的蒸汽達(dá)到平衡，儀器就會(huì)使用冷鏡法找到相對(duì)濕度。這種方法需要在室內(nèi)冷卻一個(gè)小鏡子，直到露水開(kāi)始在上面形成。在露點(diǎn)，土壤溫度以0.001°C的精度測(cè)量鏡面和樣品溫度。這使得土壤溫度能夠在-0.05MPa至-300MPa范圍內(nèi)以的精度提供水勢(shì)讀數(shù)。土壤溫度可與土壤濕度配合使用，在土壤中的整個(gè)水分范圍內(nèi)創(chuàng)建完整的土壤水分釋放曲線。觀看視頻以了解其工作原理。這與從欣仰邦中提取的信息相結(jié)合，可以成為了解土壤水力特性的有力工具。
了解如何結(jié)合土壤濕度和土壤溫度以獲得完整的水分釋放曲線?，F(xiàn)場(chǎng)的水分釋放曲線？是的，有可能。土壤濕度和土壤溫度能夠制作快速、準(zhǔn)確的土壤水分釋放曲線（土壤水分特征曲線），但實(shí)驗(yàn)室測(cè)量有一些限制：樣品吞吐量限制了可以生成的曲線數(shù)量，以及在實(shí)驗(yàn)室中生成的曲線不代表他們的原地行為。然而，實(shí)驗(yàn)室制作的土壤保水曲線可以與來(lái)自原位水分釋放曲線的信息配對(duì)，以便更深入地了解現(xiàn)實(shí)世界的變化。共置基質(zhì)勢(shì)傳感器和水分含量的傳感器原位為研究人員的知識(shí)庫(kù)添加更多水分釋放曲線。而且，由于巖土工程師和灌溉科學(xué)家主要關(guān)注的是非飽和土壤的原位性能，因此將原位測(cè)量添加到實(shí)驗(yàn)室生成的曲線將是理想的選擇。將原位土壤水分特征曲線與實(shí)驗(yàn)室生成的曲線進(jìn)行比較，在泛美不飽和土壤會(huì)議上給出，顯示了使用校準(zhǔn)基質(zhì)勢(shì)傳感器和欣仰邦的土壤水分傳感器原位生成數(shù)據(jù)曲線的效果與實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建的那些進(jìn)行比較。現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)曲線比較得很好，但一些因素降低了他們的一致性。在質(zhì)地粗糙的土壤中，隨著土壤吸力的增加，去除活根會(huì)導(dǎo)致發(fā)散，完整的巖心樣品比受到干擾的更有利。在質(zhì)地較細(xì)的土壤中，比較是有利的，但當(dāng)實(shí)驗(yàn)室樣品受到干擾時(shí)也會(huì)受到影響。數(shù)據(jù)表明，并置的原位傳感器可以為實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)提供重要的補(bǔ)充，以開(kāi)發(fā)各種數(shù)據(jù)曲線，以便更深入地了解非飽和土壤行為。在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)混合、匹配和比較水力傳導(dǎo)率。與實(shí)驗(yàn)室和原位土壤水分釋放曲線非常相似，飽和和非飽和導(dǎo)水率的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可以串聯(lián)使用，以更深入地了解任何土壤類型的水力特性。比較不同深度和位置的這些測(cè)量結(jié)果可以深入了解各種土壤層，并幫助研究人員了解每個(gè)層的長(zhǎng)期滲透數(shù)據(jù)（即，如果一個(gè)層變得飽和，這將如何改變徑流模型？）。科學(xué)家可以使用現(xiàn)場(chǎng)儀器來(lái)確定水將如何滲透到現(xiàn)場(chǎng)，并且他們可以添加實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值來(lái)確定限的地層。例如，地表層可能是砂質(zhì)壤土，但欣仰邦可以揭示更深的層具有較高的粘土含量和較低的導(dǎo)水率。結(jié)合使用實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量有助于確定哪個(gè)層位在潮濕時(shí)期導(dǎo)致較低的滲透率。
來(lái)自傳感器的現(xiàn)場(chǎng)飽和導(dǎo)水率數(shù)據(jù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到增強(qiáng)。當(dāng)研究人員將它們與來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的土壤濕度不飽和水力傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)配對(duì)時(shí)，可以在更深層次上產(chǎn)生的不飽和水力傳導(dǎo)率場(chǎng)數(shù)據(jù)。土壤濕度使用相同的內(nèi)部張力計(jì)來(lái)生成水分釋放曲線，以自動(dòng)測(cè)量不飽和水力傳導(dǎo)率，然后模擬飽和水力傳導(dǎo)率。通常，由于現(xiàn)實(shí)世界的可變性，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不會(huì)匹配，但一起分析信息可以提供更好的洞察力。了解有關(guān)將水力傳導(dǎo)率與其他測(cè)量相結(jié)合水力傳導(dǎo)率曲線會(huì)告訴你什么。研究人員還可以結(jié)合來(lái)自兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室儀器和土壤濕度的水力傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)，以生成完整的水力傳導(dǎo)率曲線。導(dǎo)水率曲線告訴您，在給定的水勢(shì)下，土壤傳導(dǎo)水的能力（即，隨著土壤干燥，水從樣品頂部[或土壤層中的土壤層流出的能力是多少？字段]到底部）。這些曲線用于建模以說(shuō)明或預(yù)測(cè)在波動(dòng)的濕度條件下土壤系統(tǒng)中的水會(huì)發(fā)生什么變化。了解有關(guān)水力傳導(dǎo)率曲線三種不同土壤類型的水力傳導(dǎo)率曲線。曲線說(shuō)明了結(jié)構(gòu)對(duì)水力傳導(dǎo)率的重要性，尤其是在飽和或接近飽和時(shí)。
僅測(cè)量單個(gè)參數(shù)（例如含水量）可能會(huì)為研究人員提供了解土壤的起點(diǎn)，但如果不了解土壤類型、水勢(shì)或水力傳導(dǎo)率等其他信息，他們將無(wú)法了解水的百分比告訴他們什么。為了最深入地了解土壤，研究人員可以同時(shí)使用粒度分布、導(dǎo)水率曲線和水分釋放曲線，以獲得最準(zhǔn)確和全面的信息。使用兩種不同類型的曲線甚至可以幫助研究人員隔離一些模糊的問(wèn)題，例如無(wú)土基質(zhì)中的雙孔隙度水分釋放曲線。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)儀器一起使用可以為研究人員提供信息交響樂(lè)，并可用作理解數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)土壤隨時(shí)間變化的行為的強(qiáng)大工具。
