1 引言
土壤是由固相、液相和氣相三相物質(zhì)組成的疏松多孔體。固相物質(zhì)包括土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和微生物等；液相物質(zhì)主要指土壤水分；氣相是存在于土壤孔隙中的空氣。通常狀況下，適宜的土壤三相比為：固相率50％左右，體積含水率25-30％，氣相率15-25％。土壤中這三類物質(zhì)每個組分都具有自身的理化性質(zhì)，彼此之間互相聯(lián)系、互相制約，構(gòu)成了一個復(fù)雜矛盾的統(tǒng)一體。它們之間的相互關(guān)系，使土壤處于不斷的變化之中，因而形成不同的土壤結(jié)構(gòu)，影響著土壤的物理化學(xué)性質(zhì)和肥力基礎(chǔ)，進(jìn)而影響土壤導(dǎo)氣導(dǎo)熱特性、水文動力學(xué)特性以及植物生長。
土壤通透性是衡量土壤中三相物質(zhì)存在狀態(tài)和容積比例的重要特征，其好壞主要決定于土壤的總孔隙度、孔隙連接性和通氣孔隙度的大小（邵明安、王全九等，2006），它對土壤的水肥氣熱及其理化和生物學(xué)過程、植物的根系鉆透性及植物對水分養(yǎng)分的利用等因素都有顯著的調(diào)控作用（王衛(wèi)華、王全九等，2009）。
緊實度是土壤重要的物理性狀之一，也是土壤孔隙特征的直觀反映；土壤導(dǎo)氣率直接影響土壤氣體交換能力，進(jìn)而影響土壤水分和養(yǎng)分有效性，同時土壤導(dǎo)氣能力可用于分析土壤孔隙幾何分布、結(jié)構(gòu)以及土壤穩(wěn)定性等，因此土壤導(dǎo)氣特征受到很大關(guān)注（同延安、王全九，2002；王衛(wèi)華、王全九等，2009），只是由于測試手段相對困難，土壤空氣的研究還未廣泛開展，但其應(yīng)用的范圍及潛力都很廣（王衛(wèi)華、王全九等，2009；Jury et al.，2004）。土壤導(dǎo)水率一直以來是土壤水分動力學(xué)關(guān)注的特征指標(biāo)，同時它也是反映土壤通透性的重要參數(shù)，受到科研工作者的持續(xù)重視。但由于土壤中多相流特征受孔隙特征所控制，如彎曲、連通性和收縮特性，通常缺乏試驗研究來說明土壤結(jié)構(gòu)和多孔系統(tǒng)特征對土壤導(dǎo)氣率和土壤導(dǎo)水率的影響（王衛(wèi)華、王全九等，2009；Hillel D，1998）。
2 觀測系統(tǒng)設(shè)計
2.1 目標(biāo)
土壤緊實度的測量隨著電子技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)較為科學(xué)便捷。AZ-S0220土壤三相特征觀測系統(tǒng)的土壤緊實度觀測單元為便攜式，可顯示測量深度，插入速度及土壤緊實程度，并通過配套的專業(yè)軟件可以分析數(shù)據(jù)并繪制出緊實度隨深度變化的曲線圖形，還可選配GPS接收機(jī)，進(jìn)行測點的精確定位。
土壤導(dǎo)氣特性的研究還未廣泛開展，測試手段相對困難，目前專門用于土壤導(dǎo)氣率測量的儀器還很少。AZ-S0220土壤三相特征觀測系統(tǒng)采用基于達(dá)西定律的土壤空氣傳導(dǎo)特性測量單元，是目前用于野外或田間測量土壤空氣傳導(dǎo)特性的儀器，并針對勻質(zhì)土壤、環(huán)刀土樣、原位土壤和深層次土壤分別配置了測量室，能夠滿足不同的科研需求。還可同時測量土壤含水量和土壤水勢，以進(jìn)行土壤水分與土壤空氣傳導(dǎo)性之間關(guān)系的研究。
土壤飽和狀態(tài)和非飽和條件下的水分滲透情況，土壤水吸力與土壤含水量之間的關(guān)系是反映土壤孔隙狀況、入滲特性以及土壤持水性的重要水力學(xué)參數(shù)，一直是研究的熱點之一。但由于野外和田間土壤的變異性很大導(dǎo)致土壤水力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測量費(fèi)時費(fèi)力，并且往往需要更多的重復(fù)，因此亟需可靠簡單快速的測量方法。
AZ-S0220土壤三相特征觀測系統(tǒng)采用無需專門接觸層和土壤表層處理的土壤飽和導(dǎo)水率觀測單元，進(jìn)行原位非破壞性的測量。非飽和導(dǎo)水率的測量通常都要經(jīng)過取土樣、飽和、稱重、蒸發(fā)、稱重……的繁瑣過程，測量效率低下，AZ-S0220土壤三相特征觀測系統(tǒng)中采用基于飽和蒸發(fā)原理的土壤非飽和導(dǎo)水率自動測量系統(tǒng)，由計算機(jī)程序控制、配有高精度自動升降稱重的電子天平，實現(xiàn)無人值守、自動順序測量和記錄原狀飽和土壤表面的水分蒸發(fā)及其重量變化，然后由軟件分析測量的數(shù)據(jù)，充分提高了測量的效率和精度；對于實驗條件不十分完備的野外田間觀測站，可應(yīng)用單機(jī)版便攜式土壤非飽和導(dǎo)水率觀測單元，通常由三個測量單元、一個精密電子天平和相關(guān)軟件即可實現(xiàn)三個樣品的土壤非飽和導(dǎo)水率觀測；為了滿足后期實驗要求的擴(kuò)展，還可選配多可達(dá)20臺的測量單元和電子天平串聯(lián)組成自動觀測系統(tǒng)。
傳統(tǒng)土壤水分特征曲線的測量技術(shù)存在效率低下的顯著問題，但在低水吸力條件下土壤脫水和吸水過程測量的精度問題更為嚴(yán)重，即使是曾經(jīng)被視為經(jīng)典的壓力膜儀也無法精確測量1Bar以下的土壤水分變化過程。AZ-S0220土壤三相特征觀測系統(tǒng)采用基于傳統(tǒng)壓力板法原理的自動土壤水分特征曲線測量單元，充分考慮了這一過程，*了空白。該測量單元在確保精度和自動化程度的前提下，可在0-1Bar的范圍內(nèi)設(shè)置多達(dá)12個壓力梯度、可完成多達(dá)4次干濕循環(huán)的測量，為研究低水吸力條件下土壤水分脫吸動態(tài)變化過程及其滯后效應(yīng)、建立科學(xué)的水分動力學(xué)模型提供了*的技術(shù)手段。
2.2 觀測內(nèi)容
土壤緊實度、土壤導(dǎo)氣率、土壤飽和導(dǎo)水率、土壤非飽和導(dǎo)水率、低水吸力條件下的土壤水分特征曲線及其滯后效應(yīng)。
2.3 系統(tǒng)組成
AZ-S0220土壤三相特征觀測系統(tǒng)由土壤緊實度測量單元、土壤空氣傳導(dǎo)特性觀測單元、土壤飽和導(dǎo)水率測量單元、土壤非飽和導(dǎo)水率自動測量系統(tǒng)、可實現(xiàn)低吸力條件下土壤釋水和吸水動態(tài)精確測量的土壤水分特征曲線自動測量單元共同組成。
3 數(shù)據(jù)處理
3.1 土壤導(dǎo)氣率
式中PL：土壤導(dǎo)氣率；vL：空氣流速率；l：測量室高度；Dh：樣品室高度上的壓力差，以厘米水柱表示。
3.2 土壤飽和導(dǎo)水率
式中Kf：飽和導(dǎo)水率；Ku：非飽和導(dǎo)水率；Q：穩(wěn)態(tài)入滲流量；r：入滲半徑；α：入滲系數(shù)。
3.3 土壤飽和導(dǎo)水率
式中Ku：非飽和導(dǎo)水率；v：入滲水流速度；Gr：水流壓力差梯度；△m：不同樣品之間的重量差值；A：樣品環(huán)刀橫截面積；T：每個樣品測量的時間；10：樣品數(shù)量；△Tens：校正后的壓力差。
4 應(yīng)用案例
4.1 AZ-S0220土壤三相特征觀測系統(tǒng)在原狀土與擾動土導(dǎo)氣率、導(dǎo)水率與含水率關(guān)系研究中的應(yīng)用。
為分析土壤導(dǎo)氣特性與土壤導(dǎo)水特性間的關(guān)系，該文通過研究陜西楊凌小麥試驗田土樣導(dǎo)水率和導(dǎo)氣率隨含水率的變化特征，比較原狀土與擾動土導(dǎo)氣和導(dǎo)水特征，分析相對導(dǎo)水率和相對導(dǎo)氣率與飽和度的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水率隨含水率的增加而減小，且無論導(dǎo)水率還是導(dǎo)氣率原狀土都比擾動土大，證實土壤結(jié)構(gòu)及孔隙特征對水和氣的傳輸有巨大的影響，擾動土和原狀土變化趨勢雖然基本相同，但曲線不重合，說明擾動土和原狀土的孔隙連接性和彎曲程度不盡相同。（王衛(wèi)華、王全九、樊華，2009）
