當(dāng)查看Hyprop2量程時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)注的是+20到-2400hPa。需要解釋3點(diǎn)：

關(guān)于單位

1hPa=0.1kPa，也就是說，如果用kPa來表示，其量程是+2到-240kPa。

關(guān)于正水勢(shì)

純水的水勢(shì)為0，而Hyprop2的量程上限是+20hPa。之所以出現(xiàn)這種情況，是指如果把Hyprop2中的張力傳感器放置在純水中，如果傳感器在水面以下，傳感器可測(cè)量得到一個(gè)高于0的水勢(shì)。

關(guān)于概念

文獻(xiàn)中，常會(huì)看到土壤水吸力（Soil Suction）這個(gè)概念，它和土壤水勢(shì)互為相反數(shù)（兩者JD值相等，土壤水勢(shì)為負(fù)，土壤水吸力為正）。土壤水勢(shì)越低，即土壤水分含量越少，土壤水吸力越大。另外一個(gè)概念是進(jìn)氣值（Air-Entry Value），它是指土壤水分含量達(dá)到飽和狀態(tài)后，失水過程中，開始有空氣進(jìn)入土壤孔隙時(shí)，對(duì)應(yīng)的土壤吸力值。

HYPROP2 土壤水分特征曲線測(cè)量儀的數(shù)據(jù)，在測(cè)量初始階段，會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律的細(xì)微波動(dòng)（圖1）。這種現(xiàn)象背后的原因是什么呢？

圖1 HYPROP2 測(cè)量初期數(shù)據(jù)的不規(guī)律細(xì)微波動(dòng)

為了尋找答案，Tollenaar 使用兩種類型的土壤進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。一種為沙土，主要成分為砂；另一種是粘土，主要成分是粘土和粉砂，該土樣具有良好的塑性。

土壤塑性是指土壤在外力作用下變形，當(dāng)外力撤銷后仍能保持這種形變的特性。土壤只有在一定的含水量時(shí)，才具可塑性。它有上塑限（或稱流限），即土壤因含水過多而失去塑性，并開始成流體流動(dòng)時(shí)的土壤含水量[1] ，它是土壤呈現(xiàn)塑性的ZD含水量；下塑限（或簡稱塑限），即土壤呈現(xiàn)塑性的Z小含水量，也是土壤半固態(tài)結(jié)持性和可塑結(jié)持性的臨界含水量。上塑限和下塑限的差值稱為塑性值。塑性值越大表示土壤塑性越強(qiáng)。

圖2 HYPROP2/KSAT/WP4C工作組（點(diǎn)擊了解詳情）

沙土樣品實(shí)驗(yàn)

將 HYPROP2 安裝好之后，從沙土頂部灑水。灑水速度慢而均勻，當(dāng)土樣上面出現(xiàn)薄的水膜時(shí)，立刻開始測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)不規(guī)律波動(dòng)后，繼續(xù)向樣品中加水，以觀察不規(guī)律波動(dòng)是否會(huì)再次出現(xiàn)。ZH烘干稱重計(jì)算土壤樣品含水量。

粘土樣品實(shí)驗(yàn)

采用 Tollenaar Gonzalez （2017）論文中的方法，使用含水量不同的樣品進(jìn)行測(cè)量。

粘土樣品含水量詳細(xì)信息如下：

開始測(cè)量前的粘土含水量

只使用底部張力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，上部張力計(jì)用保鮮膜包覆，實(shí)驗(yàn)溫度為 20℃。對(duì)于高出飽和點(diǎn)的D、E土壤樣品，首先使用 HOBART A200N 混合 45 mins， 之后放入塑料容器中靜置，ZH倒入 HYPROP2 環(huán)刀后開始測(cè)量。

沙土測(cè)量結(jié)果

圖3 沙土測(cè)量過程

共進(jìn)行了三次補(bǔ)水。前兩次補(bǔ)水前后都出現(xiàn)了數(shù)據(jù)波動(dòng)，幅度大約2-5kPa（補(bǔ)水后使土壤吸力低于進(jìn)氣值，大約為2kPa），第三次補(bǔ)水將土壤吸力控制在 2.5 kPa，高于進(jìn)氣值，數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)。這表明，土壤樣品失水過程中的數(shù)據(jù)波動(dòng)，與空氣進(jìn)入土壤孔隙有關(guān)，可用 “Haines Jump”來解釋（Hillel 2004）。

圖4 Haines Jump 過程動(dòng)畫演示（源自vassvik）

圖5 Haines Jump 過程

土壤孔隙水通過毛管排空，與此同時(shí)伴隨空氣的進(jìn)入。這一過程并不是均速完成的，而是存在加速現(xiàn)象，這會(huì)引發(fā)土壤吸力值的迅速改變。

該過程的持續(xù)時(shí)間短，且會(huì)在多個(gè)土壤孔隙中發(fā)生，發(fā)生時(shí)間上也有先后。

粘土測(cè)量結(jié)果

C,D, E 粘土樣品數(shù)據(jù)修正與初期數(shù)據(jù)表現(xiàn)

測(cè)量過程中，一個(gè)樣品是純水。純水不存在自重固結(jié)，僅有靜水壓強(qiáng)。在外界控溫控濕條件下，蒸發(fā)過程導(dǎo)致的土壤吸力增加與土壤重量下降，在測(cè)量初期是線性的。從這一點(diǎn)出發(fā)，可以對(duì)C, D, E 粘土樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體上移修正，消除靜水壓強(qiáng)的影響。

圖6 純水樣品測(cè)量與靜水壓強(qiáng)修正

對(duì)于 C,D, E 粘土樣品，含水量高于飽和含水量，也就是在測(cè)量初期存在靜水壓強(qiáng)，修正后， SWRC 濕潤端曲線會(huì)發(fā)生移動(dòng)。數(shù)據(jù)顯示，D, E 粘土樣品在實(shí)驗(yàn)初期并沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)（圖7）。

圖7 需要進(jìn)行靜水壓強(qiáng)修正的數(shù)據(jù)

A, B, C粘土樣品的數(shù)據(jù)波動(dòng)

相對(duì)干燥的粘土樣品 A, B, C，在失水過程中，土壤水吸力有一個(gè)劇烈的下降。與沙土樣品不同，下降持續(xù)時(shí)間較長。

圖8 粘土的數(shù)據(jù)波動(dòng)

圖9 CT掃描發(fā)現(xiàn)粘土產(chǎn)生裂隙

為解釋這種現(xiàn)象，研究者使用了CT掃描的方法。他們將其中一個(gè)土壤取樣環(huán)材質(zhì)更換成PVC，定期進(jìn)行 CT 掃描。

張力計(jì)周圍的淺灰色區(qū)域表示高密度土壤，從左至右，灰色區(qū)域逐漸變少。左數(shù)第3幅圖中出現(xiàn)的深色紋路是土壤裂隙，第4幅圖中顯示深色紋路進(jìn)一步變寬變長。這說明，粘土失水過程中，土壤體積不斷收縮，且土體內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂隙，影響張力計(jì)讀值。

因此，粘土樣品實(shí)驗(yàn)初期的數(shù)據(jù)波動(dòng)的可能原因包括：（1）粘土在變干失水過程中的收縮；（2）土壤裂隙的產(chǎn)生（ Tollenaar Gonzalez 2017; Tollenaar, Paassen, and Jommi 2017 ）。

參考文獻(xiàn)

Corwin, Dennis L. 2000. “Evaluation of a Simple Lysimeter-Design Modification to Minimize Sidewall Flow.” Journal of Contaminant Hydrology 42 (1): 35–49. https://doi.org/10.1016/S0169-7722(99)00088-1.

Hillel, Daniel, ed. 2004. Encyclopedia of Soils in the Environment. 1st edition. Oxford, UK ; Boston: Academic Press.

Paassen, Leon van, Roderick Tollenaar, Cristina Jommi, andreas steins, and Georg Unold. 2018. Investigating Some Irregularities Observed During Suction Measurements Using the Hyprop Device.

Tollenaar Gonzalez, R. N. 2017. “Experimental Investigation on the Desiccation and Fracturing of Clay.” https://doi.org/10.4233/uuid:40f6b033-0e6a-460b-9501-30cf35a99b8d.

Tollenaar, R. N., L. A. van Paassen, and C. Jommi. 2017. “Observations on the Desiccation and Cracking of Clay Layers.” Engineering Geology 230: 23–31. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2017.08.022.