土壤离心机测量土壤水分特征曲线的方法及应用意义
离心机法在测定土壤持水特征
离心机法在测定土壤持水特征土壤水分特征曲线是农田土壤水分运动的重要水力学参数之一,通常采用张力计、压力膜(室)和离心机等方法进行测定,但由于土壤干湿交替或外力等作用,土壤的容积会发生很大的变化。
Lu等用压力膜法的研究证明,测定过程中的容重可从1.2 g/cm3增加到1.8 g/cm3,对土壤导水特性产生较大的影响[1]。
离心机法比其他方法操作简单、省时,可测定较宽的吸力范围,但离心机法在测定土壤持水特征过程中容重随转速(吸力)会发生明显的变化。
邵明安[2]、吕殿青[3]等发现,在0~1000 kPa水柱吸力范围内容重可从1.2 g/cm3增加到1.9 g/cm3。
特别是粘粒高的土壤,随着土壤含水量的改变,土壤容积也会随之改变,从而影响土壤机械特性和收缩特征,改变土壤结构和质量,造成土壤侵蚀或地下水污染的危害,因此土壤干湿收缩容积变化和模型预测引起广泛关注[4,5]。
本文用离心机法测定了黄土高原典型3种原状和扰动土壤的持水特征,分析了测定过程中土壤的收缩变化,通过土壤收缩特征值这个指标把土壤收缩过程分为超正常段、结构段和伪饱和段3个阶段,并用直线模型进行模拟,对比分析不同方法测定土壤持水特征的收缩特征,以便为农业与城市压实土壤以及膨胀土的水分运动提供一定的科学依据。
1试验材料与方法1.1供试土样在黄土高原选取了3种典型质地的士壤,分别为安塞黄绵土、洛川黑垆土、武功塿土为供试土样,各土壤的基本物理特性如表l所示。
土样经风干过筛后,利用吸管法测定土壤的颗粒组成,利用环刀法测定土壤的容重[6]。
饱和含水量由饱和时的重量含水量和容重来确定。
1.2试验方法用日本HITACHI公司生产的CR21G离心机测定土壤持水特征曲线,测定时温度恒定20℃。
对于原状土,首先将用标准环刀(面积100 cm2)取得原状土样浸水饱和,并测定其饱和含水量。
对于扰动土,将一定量的土样(黄绵土70 g,黑垆土和塿土60 g)按照设定的容重(黄绵土1.3 g/cm3,黑垆土和塿土1.4g/cm3)装入特制的有机玻璃管内浸水饱和。
土壤水分特征曲线
土壤水动力学学院：环境科学与工程学院专业：水土保持与沙漠化防治学号：姓名：土壤水分特征曲线的研究与运用摘要：土壤水的基质势随土壤含水量而变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。
该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义。
本文总结并比较分析了前人在土壤水分特征曲线测定方法中的各种模型，其中对Van Genuchten模型的研究较为广泛。
但为之在DPS中求解Van Genuchten模型参数和在试验基础上建立的土壤水分特征曲线的单一参数模型结构较为简单，省时省力，可进一步的推广运用。
关键词：土壤水分特征曲线Van Genuchten模型运用1.土壤水分特征曲线的研究1.1土壤水分特征曲线的概念土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与吸力(基质势)之间的关系曲线。
它反映了土壤水能量与土壤水含量的函数关系,因此它是表示土壤基本水力特性的重要指标,对研究土壤水滞留与运移有十分重要的作用[1]。
1.2土壤水分特征曲线的意义土壤水分特征曲线反映的是土壤基质势(或基质吸力)和土壤含水量之间的关系。
土壤水分对植物的有效程度最终决定于土水势的高低而不是自身的含水量。
如果测得土壤的含水量,可根据土壤水分特征曲线查得基质势值,从而可判断该土壤含水量对植物的有效程度[2]。
1.3土壤水分特征曲线的测定方法1.3.1直接法通过实验方法直接测定土壤水分特征曲线的方法称为直接法。
直接法中有众多的实验室和田间方法，如力计法、压力膜法、离心机法、砂芯漏斗法、平汽压法等，而前3种应用最为普遍。
①力计法：是土壤通过土杯从力计中吸收水分造成一定的真空度或吸力，当土壤与外界达到平衡时，测出土壤基质势，再测出土杯周围的土壤含水量，不断变更土壤含水量并测相应的吸力，就可完成土壤水分特征曲线的测定。
力计法可用于脱水和吸水2个过程，可测定扰动土和原状土的特征曲线，是用于田间监测土壤水分动态变化重要的手段，在实际工作中得到广泛应用。
土壤水分特征曲线实验
土壤水分特征曲线实验
土壤水分特征曲线实验是一种常用的研究土壤水分运动规律的方法。
该实验通过测量土壤含水量与土壤水势之间的关系，得出土壤水分特征曲线，从而了解土壤水分的分布和运移特性。
在实验中，首先需要采集待测土壤样品，并进行筛分、烘干等处理，以去除杂质和调整土壤质量。
然后，将土壤样品装入特制的容器中，并按照一定的加水量进行灌溉，使土壤达到不同的含水状态。
接着，使用仪器测量不同含水状态下的土壤水势和含水量，记录数据并进行统计分析。
最后，根据实验结果绘制出土壤水分特征曲线图。
通过分析土壤水分特征曲线，可以得出以下结论：
1. 土壤水分特征曲线呈现出一个“S”形曲线，即随着土壤含水量的增加，土壤水势先逐渐降低，然后迅速升高，最后趋于稳定。
这是因为土壤中的水分分子会形成不同的聚集体，如单粒团、微团粒等，这些聚集体会影响土壤水的运动和分布。
2. 土壤水分特征曲线可以分为两个阶段：第一阶段是快速下降期，此时土壤含水量较高，但土壤水势仍然较低；第二阶段是缓慢下降期，此时土壤含水量较低，但土壤水势已经趋于稳定。
这两个阶段的转折点称为“拐点”。
3. 土壤水分特征曲线的形状和位置受到多种因素的影响，如土壤类型、质地、温度、湿度等。
因此，在进行实验时需要严格控制这些因素的变化范围，以确保实验结果的准确性和可靠性。
土壤含水量、土水势和土壤水特征曲线的测定
土壤含水量、土水势和土壤水特征曲线的测定3.1测定意义严格地讲，土壤含水量应称为土壤含水率，因其所指的是相对于土壤一定质量或容积中的水量分数或百分比，而不是土壤所含的绝无仅绝对水量。
土壤含水量的多少，直接影响土壤的固、液、气三相比，以及土壤的适耕性和作物的生长发育。
在农业生产中，需要经常了解田间土壤含水量，以便适时灌溉或排水，保证作物生长对水分需要，并利用耕作予以调控，达到高产丰收的目的。
近几十年来的研究表明，要了解土壤水运动及土壤对植物的供水能力，只有土壤水数量的观念是不够的。
举一个直观的例子：如果粘土的土壤含水量为20%，砂土的土壤含水量为15%，两土样相接触，土壤水应怎样移动？如单从土壤水数量的观念，似乎土壤水应从粘土土样流向砂土土样，但事实恰恰相反。
这说明，光有土壤水数量的观念，尚不能很好研究土壤水运动及对植物的供水，必须建立土壤水的能量的观念，即土水势的概念。
测定土壤水特征曲线（基质势与土壤含水量之间的关系曲线）需要特别的仪器设备，随着土壤科学的发展，越来越多的基层土壤工作者需要土壤水特征曲线这一基础资料，了解土壤水特征曲线的测定，对今后土壤水特征曲线（不管是自己测定还是由别的单位测定）的应用是有益的。
3.2方法选择的依据土壤含水量目前常用的方法有：烘干法、中子法、射线法和TDR法（又称时域反射仪法）。
后三种方法需要特别的仪器，有的还需要一定的防护条件。
土水势包括许多分势，与土壤水运动最密切相关的是基质势和重力势。
重力势一般不用测定，只与被测定点的相对位置有关。
测定基质势最常用的方法是张力计法（又称负压计法），可以在田间现场测定。
土壤水特征曲线是田间土壤水管理和研究最基本的资料。
通过土壤水特征曲线可获得很多土壤基质和土壤水的数据，如土壤孔隙分布及对作物的供水能力等等。
测定土壤水特征曲线最基本的方法是压力膜（板）法，它可以完整地测定一条土壤水特征曲线。
3.3土壤含水量的测定（烘干法）烘干法又称质量法，具体操作是：用土钻采取土样，用感量0.1g的天秤称得土样的质量，记录土样的湿质量m t，在105℃烘箱内将土样烘6h～8h至恒重，然后测定烘干土样，记录土样的干质量m s，根据θm＝m w/m s×100%计算土样含水量，式中：m w=m t－m s；θm表示土样的质量含水率，习惯上又称为质量含水量。
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。
土壤水分特征曲线测定实验
土壤水分特征曲线测定实验实验原理张力计插入土样后，张力计中的纯自由水经过陶土壁与土壤水建立了水力联系。
在非饱和土壤中，仪器中的自由水的势值总是高于土壤水的势值，因此，仪器中的自由水就会透过陶土管进入土壤，但因陶土材料孔隙细小，孔隙中形成的水膜不能使空气通过，而只能让水或溶质液通过（但如果压力过高水膜破裂，空气就会透过，这时的压力称为透气值），因而在仪器内形成一定的真空度，由仪器上的负压表读出。
最后当仪器内外的势值趋于平衡时，仪器中水的总水势Φwd与土壤中土水势Φws应该相等，即：Φwd＝Φws土水势的完整表述为：Φ=Φm+Φp+Φs+Φg+ΦT因为陶土管为多孔透水材料，并非半透膜，故溶质也能通过，最后达到内外溶液浓度相等，相等。
坐标0点选在陶土头中心，则陶内外溶质势Φs相等。
仪器内外温度相等，温度势ΦT土头中心的内外重力势Φg相等。
这样仪器中和土壤中的总势平衡可表述为：Φmd＋Φpd＝Φms＋Φps式中，Φps为土壤水的压力势，Φms为土壤水的基质势，Φpd为仪器内自由水的压力势，Φmd为仪器内自由水的基质势。
在非饱和土壤中，土壤水所受的压力为大气压（基准状态），故Φps应为零，又仪器中自由水无基质势存在，故Φmd亦为零，所以：Φms＝Φpd＝ΔP D+z为负压表显示的负压值（小于0），z为埋藏在土中的陶土管中心与土面以上负式中，ΔPD压表之间的静水压力即水柱高，（向上为正，大于0）。
即可得到土壤水的基质势。
按定义土壤水吸力为基质势的负值，因而即可测得吸力值。
－zS=－Φms＝－ΔPD），则S=P－z如果负压表读数记为P（大于0，即P＝－ΔPD另外，在计算土样中水分的变化时，还应考虑集气管中水分的变化量。
实验内容与设计1. 土样：粘土、砂壤土2. 容重：1.3g/cm3 、1.4g/cm33. 方式：脱湿：配置饱和土样，在室内自然蒸发，测定整个过程中土壤含水率与吸力关系曲线。
单点：用16个土样，分别配置指定含水率，测定该含水率下的吸力值，连成特征曲线。
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该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义。
本文总结并比较分析了前人在土壤水分特征曲线测定方法中的各种模型，其中对Van Genuchten模型的研究较为广泛。
但为之在DPS中求解Van Genuchten模型参数和在试验基础上建立的土壤水分特征曲线的单一参数模型结构较为简单，省时省力，可进一步的推广运用。
关键词：土壤水分特征曲线 Van Genuchten模型运用1.土壤水分特征曲线的研究土壤水分特征曲线的概念土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与吸力(基质势)之间的关系曲线。
它反映了土壤水能量与土壤水含量的函数关系,因此它是表示土壤基本水力特性的重要指标,对研究土壤水滞留与运移有十分重要的作用[1]。
土壤水分特征曲线的意义土壤水分特征曲线反映的是土壤基质势(或基质吸力)和土壤含水量之间的关系。
土壤水分对植物的有效程度最终决定于土水势的高低而不是自身的含水量。
如果测得土壤的含水量,可根据土壤水分特征曲线查得基质势值,从而可判断该土壤含水量对植物的有效程度[2]。
土壤水分特征曲线的测定方法1.3.1直接法通过实验方法直接测定土壤水分特征曲线的方法称为直接法。
直接法中有众多的实验室和田间方法，如张力计法、压力膜法、离心机法、砂芯漏斗法、平衡水汽压法等，而前3种应用最为普遍。
①张力计法：是土壤通过陶土杯从张力计中吸收水分造成一定的真空度或吸力，当土壤与外界达到平衡时，测出土壤基质势，再测出陶土杯周围的土壤含水量，不断变更土壤含水量并测相应的吸力，就可完成土壤水分特征曲线的测定。
一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统及测量方法
一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统及测量方法
离心机法测量土壤水分特征曲线的系统是一种利用离心力对土壤样品中的水分进行分离和测量的方法。
该系统包括以下几个组成部分：
1. 离心机：用于产生离心力的设备，可以采用常规离心机或专用的土壤离心机。
2. 土壤样品容器：用于装载土壤样品和水分离析后的液体。
容器应具有足够的密闭性，以防止液体的蒸发和外界空气的进入。
3. 预处理设备：包括土壤样品的收集和处理设备。
土壤样品应根据实际需要采取适当的处理方法，如破碎、筛选等。
4. 测量设备：用于测量离析后液体中的水分含量的设备，可以采用重量法、压力法、电导率法等方法。
离心机法测量土壤水分特征曲线的方法如下：
1. 准备土壤样品：选择代表性的土壤样品，并进行必要的处理，如破碎、筛选等。
2. 加入水分：将一定量的水分加入土壤样品中，使其达到一定的初始含水量。
3. 离心分离：将带有水分的土壤样品置于离心机中，通过离心力使土壤样品中的水分离析。
4. 测量水分含量：将离析后的液体取出，并使用相应的测量设备测量其水分含量。
5. 重复实验：根据需要，可以重复以上步骤，改变初始含水量的大小，以获得不同含水量下的土壤水分特征曲线数据。
6. 统计和分析：将测量得到的数据进行统计和分析，可以得到土壤水分特征曲线的参数和特性。
离心机法测量土壤水分特征曲线的优点是可以模拟土壤中的水分运动过程，具有较高的准确性和重复性。
然而，该方法需要较为复杂的设备和操作，且实验时间较长，需要充分考虑实际应用的可行性。
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土壤离心机测量土壤水分特征曲线的方法及应用意义
土壤水分特征曲线一般也叫做土壤特征曲线或土壤pF曲线，它表述了土壤水势（土壤水吸力）和土壤水分含量之间的关系。
通常土壤含水量Q以体积百分数表示，土壤吸力S以大气压表示。
由于在土壤吸水和释水过程中土壤空气的作用和固、液而接触角不同的影响，实测土壤水分特征曲线不是一个单值函数曲线。
用非线性函数表示土壤水分特征曲线与渗透系数变化的理论模型有Van Genuchten模型
(V-G模型)、Brooks-Corey模型等。
这些理论模型的参数需要通过对土壤水分特征曲线的
观测加以确定。
土壤水分特征曲线是重要的土壤水力性质参数之一：
土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的,其关系曲线称为土壤水分特征曲线。
该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，属于土壤的基本物理性质，是研究土壤水动力学性质比不可少的重要参数，对研究土壤水运动及其溶质运移有重要作用，在生产实践中具有重要意义。
已有的土壤水分特征曲线测定方法主要包括负压计法、砂性漏斗法、压力仪法、离心机法等。
土壤的渗透系数也随含水率变化,表现为曲线关系。
以土壤吸力表示土壤水分的状态，干燥的土壤对土壤水分的吸力强，湿润的土壤对水分的吸力弱，所以用土壤对水分吸力的大小，在一定范围内可以表示土壤水分状态和土壤水势。
土壤吸力一般用大气压表示，干燥土壤的吸水极强，可达几千甚至上万个大气压，为了书写方便起见，一般用与大气压相当的水柱高度的厘米数（负值）对数来表示，称pF。
检测土壤水分特征pF曲线高速冷冻离心机HR21M
怎样用离心机法测土壤水分特征曲线?
用土壤离心机测土壤水分特征曲线方法：去取原状土或者扰动土,在不同转速和时间下测量含水量做水分特征曲线即可。
根据离心机实测试验数据,分析不同质地土壤水分特征曲线变化趋势。
相同离心力下，随着黏粒含量增加,最佳离心时间变长。
用离心机法测土壤水分特征曲线意义：
土壤水分对植物的有效程度最终决定于土水势的高低，而不是自身的含水量。
如果测得土壤的含水量，可根据土壤水分土特征曲线查得基质势值，从而可判断该土壤含水量对植物的有效程度。
土壤水分特征曲线可反映不同土壤的持水和释水特性，也可从中了解给定土类的一些土壤水分常数和特征指标。
曲线的斜率倒数称为比水容量，是用扩散理论求解水分运动时的重要参数。
曲线的拐点可反映相应含水量下的土壤水分状态，如当吸力趋于0时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，含水量接近于田间持水量；饱和含水量和田间持水量间的差值，可反映土壤给水度等。
故土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动、调节利用土壤水、进行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。
土壤水分特征曲线主要有以下几方面的应用：
1.进行基质势和含水量的相互换算。
根据土壤水分特征曲线可将土壤湿度换算成土壤基质势，依据基质势可判断土壤水分对作物的有效度。
也可将基质势换算成含水量，根据土壤水分特征曲线可查得田间持水量、凋萎湿度和相应的有效水范围。
土壤水分特征曲线斜率的倒数，即单位基质势变化所引起含水量的变化，称之为比水容重，是衡量土壤水分对植物的有效性和反映土壤持水性能的一个重要重要指标。
2.表示比水容重。
土壤水分特征曲线斜率的倒数，即单位基质势变化所引起含水量的变化，称之为比水容重，是衡量土壤水分对植物的有效性和反映土壤持水性能的一个重要重要指标。
3.可以间接反映土壤孔隙的分布。
若将土壤中的孔隙设想为各种孔径的圆形毛细管，那么S和毛细管直径d的关系可简单的表示为S=4σd。
式中σ为水的表面张力系数，室温条件下一般为75×105N/cm。
应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时，水分特征曲线是不可缺少的重要参数。
4.可以判断土壤质地状况和土壤水分在吸力段的分布状况。
曲线的拐点可反映相应含水量下的土壤水分状态，如当吸力趋于0 时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，含水量接近于田间持水量；饱和含水量和田间持水量间的差值，可反映土壤给水度等。
故土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动、调节利用土壤水、进行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。
土壤离心机脱水转子。