1 引言
土壤是由固相、液相和氣相三相物質組成的疏松多孔體。固相物質包括土壤礦物質、有機質和微生物等；液相物質主要指土壤水分；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％。土壤中這三類物質每個組分都具有自身的理化性質，彼此之間互相聯系、互相制約，構成了一個復雜矛盾的統一體。它們之間的相互關系，使土壤處于不斷的變化之中，因而形成不同的土壤結構，影響著土壤的物理化學性質和肥力基礎，進而影響土壤導氣導熱特性、水文動力學特性以及植物生長。
土壤通透性是衡量土壤中三相物質存在狀態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過程、植物的根系鉆透性及植物對水分養分的利用等因素都有顯著的調控作用（王衛華、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；土壤導氣率直接影響土壤氣體交換能力，進而影響土壤水分和養分有效性，同時土壤導氣能力可用于分析土壤孔隙幾何分布、結構以及土壤穩定性等，因此土壤導氣特征受到很大關注（同延安、王全九，2002；王衛華、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，但其應用的范圍及潛力都很廣（王衛華、王全九等，2009；Jury et al.，2004）。土壤導水率一直以來是土壤水分動力學關注的特征指標，同時它也是反映土壤通透性的重要參數，受到科研工作者的持續重視。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構和多孔系統特征對土壤導氣率和土壤導水率的影響（王衛華、王全九等，2009；Hillel D，1998）。
2 觀測系統設計
2.1 目標
土壤緊實度的測量隨著電子技術的發展，已經較為科學便捷。AZ-S0220土壤三相特征觀測系統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，并通過配套的專業軟件可以分析數據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，進行測點的精確定位。
土壤導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氣率測量的儀器還很少。AZ-S0220土壤三相特征觀測系統采用基于達西定律的土壤空氣傳導特性測量單元，是目前用于野外或田間測量土壤空氣傳導特性的儀器，并針對勻質土壤、環刀土樣、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，以進行土壤水分與土壤空氣傳導性之間關系的研究。
土壤飽和狀態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參數，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致土壤水力學參數的準確測量費時費力，并且往往需要更多的重復，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采用無需專門接觸層和土壤表層處理的土壤飽和導水率觀測單元，進行原位非破壞性的測量。非飽和導水率的測量通常都要經過取土樣、飽和、稱重、蒸發、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中采用基于飽和蒸發原理的土壤非飽和導水率自動測量系統，由計算機程序控制、配有高精度自動升降稱重的電子天平，實現無人值守、自動順序測量和記錄原狀飽和土壤表面的水分蒸發及其重量變化，然后由軟件分析測量的數據，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，可應用單機版便攜式土壤非飽和導水率觀測單元，通常由三個測量單元、一個精密電子天平和相關軟件即可實現三個樣品的土壤非飽和導水率觀測；為了滿足后期實驗要求的擴展，還可選配最多可達20臺的測量單元和電子天平串聯組成自動觀測系統。
傳統土壤水分特征曲線的測量技術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重，即使是曾經被視為經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采用基于傳統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，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的范圍內設置多達12個壓力梯度、可完成多達4次干濕循環的測量，為研究低水吸力條件下土壤水分脫吸動態變化過程及其滯后效應、建立科學的水分動力學模型提供了*的技術手段。
2.2 觀測內容
土壤緊實度、土壤導氣率、土壤飽和導水率、土壤非飽和導水率、低水吸力條件下的土壤水分特征曲線及其滯后效應。
2.3 系統組成
AZ-S0220土壤三相特征觀測系統由土壤緊實度測量單元、土壤空氣傳導特性觀測單元、土壤飽和導水率測量單元、土壤非飽和導水率自動測量系統、可實現低吸力條件下土壤釋水和吸水動態精確測量的土壤水分特征曲線自動測量單元共同組成。
3 數據處理
3.1 土壤導氣率
式中PL：土壤導氣率；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 土壤飽和導水率
式中Kf：飽和導水率；Ku：非飽和導水率；Q：穩態入滲流量；r：入滲半徑；α：入滲系數。
3.3 土壤飽和導水率
式中Ku：非飽和導水率；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：樣品環刀橫截面積；T：每個樣品測量的時間；10：樣品數量；△Tens：校正后的壓力差。
4 應用案例
4.1 AZ-S0220土壤三相特征觀測系統在原狀土與擾動土導氣率、導水率與含水率關系研究中的應用。
為分析土壤導氣特性與土壤導水特性間的關系，該文通過研究陜西楊凌小麥試驗田土樣導水率和導氣率隨含水率的變化特征，比較原狀土與擾動土導氣和導水特征，分析相對導水率和相對導氣率與飽和度的關系，結果發現導水率隨含水率的增加而減小，且無論導水率還是導氣率原狀土都比擾動土大，證實土壤結構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。（王衛華、王全九、樊華，2009）
