摘要：土壤水分特征曲线（SWCC）是表征土壤基质势与含水量之间关系的核心水力函数，是土壤物理学、农业水文学及岩土工程领域最重要的基础数据之一。传统的SWCC测定方法（如压力膜仪法、沙箱法）依赖逐点平衡测量，单条曲线的完整测定往往需要数周乃至数月时间，且难以在湿端（0~-100 kPa）获取足够密集的数据点。
基于简化蒸发法的自动化测量系统，通过在饱和土柱中不同深度安装两支精密微型张力计，同步监测土壤水势的变化，同时以高精度天平连续记录样品重量损失，可在数日内自动获取超过100个数据点的土壤水分特征曲线，并同步计算非饱和导水率。该方法以更高的时间分辨率和更丰富的信息量，显著提升了湿端SWCC测定的效率与精度。
本文从方法原理、选型比较、操作规范、技术标准、市场应用及科研实践等八个维度进行系统阐述，为土壤物理、农业工程及环境科学领域的技术人员提供参考。

1. 土壤水分特征曲线测定方法的技术比较与选型指南
1.1 土壤水分特征曲线的物理意义与测定方法概述

土壤水分特征曲线（Soil Water Characteristic Curve, SWCC）描述了土壤基质势（或土壤水吸力）与土壤含水量（体积含水量或质量含水量）之间的关系，是定量描述土壤持水性能和水分运动特征的基础。该曲线在农田灌溉管理、污染物迁移模拟、边坡稳定性分析、气候变化研究等领域具有不可替代的基础性作用。

目前，SWCC的测定方法主要分为三大类：

平衡法（逐点法） ：包括沙箱法、压力膜仪法和悬柱法等。这类方法的核心原理是将土样置于不同压力（或吸力）条件下，待土样达到水分平衡后测量其含水量，逐点构建SWCC。沙箱法适用于0~80 kPa的低吸力段，压力膜仪法可覆盖更高吸力范围。平衡法的优点是测量精度较高，但每个数据点需要数小时至数天达到平衡，完整测定一条SWCC往往耗时数周至数月，效率低下。

蒸发法：将饱和土柱置于开放环境中，通过自然蒸发使土样逐渐失水，在失水过程中连续监测土壤水势和含水量的动态变化。蒸发法可在较短时间内获取连续的高密度数据点，尤其适用于SWCC湿端（0~-100 kPa）的快速测定。

露点法（等温吸附法） ：适用于极高吸力范围（通常> -1000 kPa），通过测量样品在密闭腔室中与空气达到水汽平衡时的相对湿度来推算水势。该方法常用于SWCC干端的测定，与蒸发法形成互补，可覆盖全吸力范围的SWCC测定。

1.2 蒸发法与传统平衡法的核心技术比较

蒸发法与传统平衡法在技术原理和操作流程上存在本质差异：

对比维度	传统平衡法（压力膜仪/沙箱法）	蒸发法（自动化系统）
测量原理	逐点平衡——施加固定压力，待平衡后测含水量	连续动态监测——蒸发过程中同步记录水势与失水量
数据点数量	通常10~20个数据点	100个以上数据点
测定周期	数周至数月	数日
操作方式	人工加压、读数、取样称重	全自动测量
湿端分辨率	较低（平衡点稀疏）	极高（连续监测）
非饱和导水率	需另行测定	同步获取

1.3 自动化蒸发法系统的技术原理

自动化蒸发法SWCC测定系统的核心技术基于简化蒸发法（Simplified Evaporation Method）。其工作流程如下：

将经过饱和处理的土样（体积250 cm³或100 cm³）装入专用的样品容器中，容器内不同深度（通常为上、下两个位置）安装两支精密微型张力计。整个样品容器放置在高精度天平上。随着土样中的水分在实验室环境中自然蒸发，土样的含水量逐渐降低，两支张力计同步记录不同深度处的土壤水势变化。

系统以预设的时间间隔（默认10分钟）自动记录以下数据：两支张力计的水势读数（量程+3.0 hPa至-1000 hPa，延迟沸腾可达-2400 hPa）和天平的重量读数（精度0.01 g）。天平数据用于计算土壤含水量的实时变化；两支张力计的水势差结合土样中的水流连续性方程，可用于计算非饱和导水率。数据处理软件将上述原始数据转换为土壤水分特征曲线（水势-含水量关系）和非饱和导水率函数。

1.4 选型要点与选购指南

在选用SWCC测定设备时，研究人员应综合考虑以下关键因素：

量程覆盖范围：蒸发法系统主要覆盖湿端（0~-100 kPa）。如需获取全吸力范围的SWCC，应考虑与干端测定设备（如露点水势仪）配合使用。

数据密度与分辨率：自动化蒸发法系统可在0~-100 kPa范围内获取超过100个数据点，远高于传统平衡法的数据密度。更高的数据密度意味着更精细的曲线形态和更可靠的水力参数拟合。

样品通量：根据实验室样品量需求选择适当的系统配置。多平衡模式支持最多20个天平和传感器单元同时运行，可显著提高大批量样品的测定效率。

测量精度：张力计的精度（1.5 hPa）和天平的精度（0.01 g）直接决定了SWCC的测量精度。对于需要高精度数据的科研工作，应优先选择高精度配置。

系统兼容性与扩展性：蒸发法系统通常支持与多种实验室设备联用，以完成更全面的土壤水力特性分析。

2. 仪器的使用方法、经验与常用操作手册
2.1 方法原理详解

蒸发法SWCC测定的理论基础可追溯至Wind（1968）提出的蒸发法原理。其核心物理图像如下：

将一个均匀的饱和土柱置于蒸发环境中，土柱上表面暴露于空气，下表面封闭。随着水分从土柱上表面蒸发，土柱内部形成自上而下逐渐增加的基质势梯度——上部土壤率先失水、基质势降低（即吸力增大），下部土壤仍保持较高的含水量和较低的吸力。

两支安装在土柱不同深度（通常一上一下）的微型张力计持续监测该深度处的土壤水势。与此同时，天平连续记录整个土柱的质量变化，该质量损失即为蒸发损失的水量，可换算为土柱平均含水量的变化。

通过上述同步测量，系统获得了“时间-水势-含水量”的三维数据集。结合土柱中的水流连续性方程和达西定律，可从上部与下部张力计的水势差以及失水速率中反推出非饱和导水率。这一“同步获取SWCC和非饱和导水率”的能力是蒸发法区别于传统平衡法的核心技术优势。

2.2 测试前的准备工作

样品采集与制备：根据研究目的采集原状土样或制备重塑土样。原状土样应采用环刀法在田间小心采集，避免扰动土壤结构。重塑土样应按目标密度和含水率均匀配制。

样品饱和：将土样进行充分饱和处理。对于砂质土壤，可采用浸水饱和法；对于黏质土壤，建议采用抽真空饱和法或CO₂驱替法，以确保土壤孔隙被水完全填充。

张力计的准备：检查张力计陶瓷头是否完好、无裂纹。将张力计管路中注满除气水，排除所有气泡——气泡是影响张力计响应精度和量程的最主要干扰因素。陶瓷头的空气入口值应大于200 kPa。

设备检查：确认天平已校准、处于水平状态。检查传感器单元的密封性和各管路连接是否牢固。

2.3 标准操作流程

第一步——装样：将饱和土样装入样品容器中，确保土样与容器壁紧密接触、无空隙。将两支微型张力计按预定深度（短轴31 mm、长轴56 mm）插入土样中。

第二步——安装与连接：将样品容器置于天平上，完成天平归零（扣除容器和张力计重量）。将传感器单元通过USB接口连接至计算机。

第三步——参数设置：在配套软件中设置测量参数——测量间隔（默认10分钟）、样品信息、数据存储路径等。

第四步——启动测量：启动测量程序，系统开始自动采集数据。土样在实验室环境（推荐10~30°C）中自然蒸发。

第五步——数据监测：在测量过程中，可通过软件实时查看水势和重量的变化趋势。通常测量周期为数日，具体时长取决于土壤质地——砂质土蒸发较快，黏质土蒸发较慢。

第六步——数据导出与分析：测量完成后，系统自动停止。数据可以多种格式导出，通过内置或第三方软件进行SWCC拟合和非饱和导水率计算。

2.4 操作经验与注意事项

• 张力计的充分除气：张力计管路中的气泡会显著影响水势测量的响应速度和量程。建议使用除气水灌注，并反复排气直至确认无气泡残留。

• 样品制备的一致性：对于重塑土样，应严格控制初始密度和含水率的一致性，以保证不同样品之间测定结果的可比性。

• 环境温度的控制：蒸发速率对环境温度敏感。应在恒温条件下进行测定，避免温度波动导致的蒸发速率变化影响数据质量。

• 测量终点的判断：当上部张力计达到其量程下限（发生气蚀）时，测量应终止。砂质壤土的上部张力计通常比较黏质壤土更晚发生气蚀。

• 数据的质量控制：建议在测量结束后检查水势和重量变化曲线是否平滑、是否存在异常跳变，必要时剔除异常数据点。

• 干重的测定：测量结束后，应将土样烘干称重，获得土壤干重。该数据是计算体积含水量和干密度的必要参数。

3. 新产品与新技术介绍
3.1 简化蒸发法的仪器化与自动化

蒸发法测定SWCC的概念最早由Wind（1968）提出，但长期以来受限于手动操作的繁琐性而未能广泛应用。将蒸发法原理与精密张力计、高精度天平、自动数据采集系统相结合的自动化仪器，使这一方法从实验室研究工具转变为标准化的日常测定手段。

相比传统的手动蒸发法，自动化系统的技术突破体现在以下方面：

• 同步测量：水势与含水量数据在完全相同的时间轴上同步采集，避免了传统方法中“先测水势、再测含水量”的时间错位问题。

• 高密度数据：在0~-100 kPa范围内获取超过100个数据点，使SWCC的曲线形态得以精细刻画，尤其适用于湿端曲线斜率的准确捕捉。

• 非饱和导水率的同步获取：利用两支张力计的水势差和失水速率，可在不增加额外实验的情况下同步计算非饱和导水率。

3.2 双张力计设计与气蚀延迟技术

蒸发法系统的核心技术组件是两支安装在不同深度的微型张力计。双张力计设计的意义在于：上部张力计率先响应表层土壤的失水过程，下部张力计则反映深层土壤的水势变化。两者的水势差提供了计算土柱中水力梯度的直接依据。

张力计的量程受限于水的空化（气蚀）现象——当土壤水势低于约-100 kPa时，张力计中的水会发生气蚀，导致测量失效。通过采用高进气值的陶瓷材料（空气入口值>200 kPa）和优化的轴设计，系统在延迟沸腾条件下可将有效量程扩展至-2400 hPa，显著拓宽了湿端SWCC的测定范围。

3.3 多设备联用技术

蒸发法系统在湿端（0~-100 kPa）具有卓越的测量表现，但单一方法难以覆盖全吸力范围的SWCC测定。现代土壤水力特性分析的主流策略是将多种方法联用：

• 与露点水势仪（如WP4C）联用：蒸发法覆盖湿端，露点法覆盖干端（-100 kPa~-数百MPa），两者拼接可获得完整的SWCC。

• 与饱和导水率仪（如KSAT）联用：蒸发法获取非饱和导水率，KSAT获取饱和导水率，两者结合可构建完整的导水率曲线。

• 与粒度分析仪（如PARIO）联用：粒度数据可作为SWCC预测模型的输入参数。

• 与热特性分析仪（如VARIOS）联用：同步获取土壤水分特征曲线和热干燥曲线。

3.4 技术发展趋势

当前，SWCC测定技术正呈现以下发展趋势：

从逐点平衡向连续动态监测发展：自动化蒸发法系统以更高的时间分辨率和更丰富的信息量，正在逐步取代传统的逐点平衡法。

从单一方法向多方法联用发展：不同方法覆盖不同吸力段，联用策略可实现全吸力范围的高精度测定。

从人工操作向全自动发展：从装样、测量到数据处理的全程自动化，大幅降低了人力成本和人为主观误差。

从单参数向多参数同步获取发展：在一次测量中同时获取SWCC和非饱和导水率，提高了实验效率和数据的内在一致性。

4. 行业标准与法规
4.1 国际标准

标准编号	名称	与本方法的关系
ASTM D6836-2025	Standard Test Methods for Determination of the Soil Water Characteristic Curve	规定了SWCC测定的六种定量方法（方法A-F），是SWCC测定领域最权威的国际标准
ASTM D6836-16	Standard Test Methods for Determination of the Soil Water Characteristic Curve	上一版本，规定了五种方法（A-E）

ASTM D6836标准详细描述了SWCC的测定方法。其中，方法A（悬柱法） 适用于0~80 kPa吸力范围的测定。蒸发法作为测定SWCC湿端的有效手段，其方法学原理与ASTM D6836中关于低吸力段测定的技术要求具有内在一致性。

4.2 国内相关标准

目前，国内尚未发布专门针对SWCC测定的国家标准。在实际科研工作中，SWCC的测定通常参考以下规范：

• GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》 ：虽未专门规定SWCC测定方法，但提供了土壤基本物理性质（含水率、密度、比重等）的测定方法，这些参数是SWCC计算的基础。

• SL 237-1999《土工试验规程》 ：水利行业标准，包含土壤水分特征曲线测定的相关内容。

4.3 方法学标准化趋势

随着蒸发法自动化仪器在土壤物理研究中的广泛应用，该方法正逐步获得国际学术界的认可。已有大量研究将蒸发法测定结果与传统的压力膜仪法、沙箱法进行系统对比。研究表明，在吸力低于10 kPa时，不同方法测得的SWCC形状基本相同；而在更高吸力段，方法间的差异可能源于样品扰动等因素。

5. 市场分析
5.1 市场规模与增长趋势

据市场研究机构统计，全球土壤水势仪行业在2025年呈现稳健增长态势，市场规模达到1.82亿美元，较2020年累计增长42.3%。技术迭代主要集中于传感器精度提升与微型化集成方向。另有数据显示，2025年全球土壤水势仪市场规模预计突破12亿美元，中国贡献率超35%。

在SWCC测定设备的细分市场中，自动化蒸发法系统因其高效率和高数据密度优势，市场份额持续增长。

5.2 需求驱动力

精准农业与智慧灌溉：SWCC是制定精准灌溉制度的基础数据。随着农业数字化和智慧农业的推进，2024-2025年中国智慧农业项目招标量同比增加42%，其中土壤参数监测设备占比达28%。

气候变化与水资源研究：全球变化背景下，土壤水分运动规律和植物可利用水量的研究日益受到重视。生物成因非晶态二氧化硅（bASi）对土壤持水能力影响等前沿研究均依赖于SWCC的精确测定。

岩土工程与地质灾害防治：SWCC是非饱和土力学中的核心参数，在边坡稳定性分析、膨胀土灾害防治等领域具有重要应用价值。

土壤污染修复与环境评估：污染物的迁移行为与土壤水分的运动密切相关，SWCC数据是污染物运移模型的关键输入参数。

5.3 技术发展趋势

未来，SWCC测定仪器市场将呈现以下趋势：

自动化与高通量：多通道并行测量系统将逐步普及，满足大批量样品测定的需求。

多方法集成化：将蒸发法、露点法、压力膜仪法等集成于同一平台，实现全吸力范围的一站式测定。

智能化数据处理：从人工曲线拟合向基于人工智能的自动拟合与参数优化方向发展。

原位监测与实验室测定的融合：将实验室SWCC测定与原位土壤水势监测相结合，实现土壤水力特性的多尺度表征。

6. 技术讲座与培训资源

为帮助技术人员掌握蒸发法SWCC测定的原理与操作技能，以下培训与学习资源可供参考：

推荐培训主题：《蒸发法土壤水分特征曲线测定技术：原理、操作与数据解析》

核心内容建议：

1. 土壤水分特征曲线的物理意义与农业/工程应用

2. 蒸发法的基本原理——从Wind（1968）到自动化仪器

3. 双张力计系统的原理、安装与除气技术

4. 样品制备、饱和与装样的标准化操作流程

5. 测量参数的设置、数据采集与质量监控

6. SWCC的拟合方法与非饱和导水率的计算

7. 蒸发法与压力膜仪法、露点法的对比与联用策略

8. 常见问题解析（张力计气蚀、数据异常、样品收缩等）

7. 科研应用与数据质量保障
7.1 典型应用场景

土壤水力特性综合表征：蒸发法系统与饱和导水率仪、露点水势仪联用，可获得从饱和到极干状态的全范围SWCC和导水率曲线。

土壤改良效果评价：通过对比改良前后土壤SWCC的变化，评估有机质添加、结构改良剂等对土壤持水能力的改善效果。

根-土复合体水力特性研究：结合SWCC测定与直剪试验，研究植物根系对土壤水力特性和抗剪强度的影响。

膨胀土收缩特性研究：蒸发法系统与光学距离传感器联用，可同时测定土壤收缩特征曲线。

不同质地土壤SWCC比较研究：蒸发法可快速获取砂质壤土和黏质壤土等不同质地土壤的SWCC，为土壤水力参数数据库建设提供数据支撑。

气候变化与土壤水文研究：SWCC数据是模拟土壤-植物-大气连续体中水分运移的关键输入参数。

7.2 数据质量控制要点

样品的完全饱和：样品饱和不充分是SWCC测定中最常见的误差来源之一。对于黏质土壤，建议采用抽真空饱和或CO₂驱替法确保完全饱和。

张力计的彻底除气：张力计管路中残留的气泡会延迟响应、缩小有效量程。应使用除气水并反复排气。

环境温度的稳定性：蒸发速率对温度敏感。应在恒温实验室中进行测定，并记录实际环境温度。

蒸发速率的均匀性：土样上表面的蒸发条件应均匀一致。避免气流直吹土样表面导致局部蒸发速率不均。

干重测定的准确性：测量结束后土样干重的准确测定是计算体积含水量的基础，应严格按照烘干法（105~110°C烘至恒重）进行。

数据筛选与异常值处理：建议在数据拟合前检查水势和含水量变化曲线，识别并剔除因张力计气蚀或其它异常因素导致的不可靠数据点。

7.3 方法学注意事项

• 量程的局限性：蒸发法主要适用于湿端（0~-100 kPa）的SWCC测定。对于需要全吸力范围SWCC的研究，必须与露点法等方法联用。

• 土壤收缩的影响：对于膨胀性土壤，蒸发过程中的体积收缩会影响含水量计算的准确性。必要时需同步测量样品的体积变化。

• 样品尺寸的代表性：样品体积（250 cm³或100 cm³）相对于田间尺度较小。应根据研究目的评估样品尺寸的代表性。

• 方法间的系统差异：不同测定方法之间可能存在系统性偏差。在跨研究数据比较时，应注意方法学的一致性。

结语：基于简化蒸发法的自动化SWCC测定系统，通过在饱和土柱中安装双微型张力计并配合高精度天平连续监测，实现了土壤水分特征曲线和非饱和导水率的同步、快速、高密度测定。与传统的压力膜仪法和沙箱法相比，该技术将单条曲线的测定周期从数周缩短至数日，在0~-100 kPa湿端范围内可获取超过100个数据点，显著提升了测定效率和数据质量。双张力计设计提供了水力梯度的直接测量依据，为同步计算非饱和导水率奠定了物理基础。该技术与露点水势仪、饱和导水率仪、粒度分析仪等设备的联用，可构建从饱和到极干状态的全范围土壤水力特性表征体系。随着精准农业、气候变化研究和非饱和土力学的不断发展，蒸发法SWCC测定技术将在土壤水力特性研究中发挥越来越重要的作用。