土壤田間持水量測定對比試驗分析

◎王高英 宋志林 羅國政 由宇軍

1 引言

2005年出臺的《陜西省水文管理條例》和2007年出臺的《中華人民共和國水文條例》賦予了水文部門進(jìn)行土壤墑情監(jiān)測的工作職能。2009年，陜西省水文水資源勘測局啟動了土壤墑情監(jiān)測工作，先后在全省范圍內(nèi)設(shè)立墑情監(jiān)測站41處，為全省抗旱指揮決策提供信息依據(jù)。根據(jù)國內(nèi)外土壤墑情監(jiān)測技術(shù)發(fā)展情況，對監(jiān)測站點土壤含水量和相對濕度采用儀器法監(jiān)測，烘干法校核。但各測點土壤田間持水量的采用值由于試驗站點多、任務(wù)重、資金短缺，暫時借用陜西省農(nóng)業(yè)科技部門上世紀(jì)80年代的少數(shù)試驗數(shù)據(jù)，使得各地土壤墑情監(jiān)測和計算結(jié)果存在一定誤差。為此，省水文局于2010年11月組織技術(shù)人員進(jìn)行了固定點土壤墑情監(jiān)測試驗研究，為今后進(jìn)一步搞好全省土壤墑情監(jiān)測作了必要的技術(shù)分析和方法對比。

2 試驗項目及目的

本次試驗項目：（1）野外圍框淹灌法測定田間持水量；（2）室內(nèi)環(huán)刀法測定田間持水量；（3）測定土壤干容重。

試驗工作目的為：（1）通過對土壤含水量變化測定，了解土壤水下滲規(guī)律。（2）通過試驗探索一種簡單、實用、準(zhǔn)確測定田間持水量的方法，指導(dǎo)各市局開展監(jiān)測點土壤田間持水量測定，取得準(zhǔn)確的田間持水量數(shù)據(jù)，更好的服務(wù)于抗旱工作。（3）掌握測定土壤干容重方法，確定土壤重量含水量與體積含水量之間的關(guān)系。（4）對土壤水分測定儀測量的精度進(jìn)行分析評價。

3 試驗場地、設(shè)備和方法

經(jīng)現(xiàn)場踏勘，選定西安市長安區(qū)灃河支流潏河右岸高橋水位站站房以北農(nóng)田為試驗地塊。2010年11月8日開始，21日結(jié)束，共計 13天。所采用的試驗設(shè)備儀器分別有：1m×1m×0.3m木框、不銹鋼取土鉆、鋁盒、烘箱、烘杯、水桶、天平、干燥器、搪瓷盤、鐵锨、卷尺、塑料布、稻草、土壤水分測定儀、環(huán)刀、環(huán)刀手柄、濾紙等。

試驗方法與步驟：

（1）圍框淹灌法測定田間持水量。

圍框淹灌法是在選定的地塊中，通過灌水、滲漏，使土壤在一定時間內(nèi)達(dá)到毛管懸著水最大量時，取土壤測定水分含水量。此時的土壤水含量即為土壤田間持水量。

①選擇代表試驗場地。

②場地平整、筑埂、圍框。將場地平整，在測試區(qū)四周筑起長寬均為2m的一道土埂，埂高30cm，底寬30cm。然后在其中央放入定做好的長寬各1m的方木框，木框入土深度25cm。框內(nèi)面積1m2，為測試區(qū)，木框外的部分為保護(hù)區(qū)，目的是防止測試區(qū)內(nèi)的水側(cè)滲外流。

③計算灌水量。在測試場建成后，從測試點附近現(xiàn)場測定20cm、40cm深內(nèi)土層的土壤含水量，經(jīng)測定其平均體積含水量為30.3%。經(jīng)測定其飽和體積含水量為37.0%，減去土壤現(xiàn)時蓄水量，差值的1.5倍即為需要補(bǔ)充的灌水量。

④灌水。灌水前在地面鋪放一薄層干草，在保護(hù)區(qū)均勻灌水，實際灌水量大約為0.3 m3，然后向測試區(qū)灌水，實際灌水量大約為0.12 m3。

⑤覆蓋。為避免土壤水分蒸發(fā)損失和防治雨水滲入的影響，灌完水后，測試區(qū)和保護(hù)區(qū)再覆蓋50cm的草層，在草層上覆蓋塑料薄膜。

⑥取土測定水分。灌水后經(jīng)3晝夜，從第三日開始分別用儀器和烘干法測定其體積和重量含水量，取土后仍將地面覆蓋好。每天測定一次，直到前后兩天測定的土壤含水量無明顯差異為止。此時土壤水分運(yùn)動基本達(dá)到平衡。

（2）室內(nèi)環(huán)刀法測定田間持水量。

在選定的地塊用環(huán)刀采取原狀土，將裝有原狀土的環(huán)刀置于盛水的搪瓷盤中使其含水量達(dá)到飽和。將裝有飽和的原狀土環(huán)刀連濾紙一起放在裝有干土（或石英沙）的環(huán)刀上充分吸水，使土壤中的重力水排出，待環(huán)刀中土壤達(dá)到最大毛管懸著水，此時從環(huán)刀內(nèi)取出原狀土測定含水量值即為該土壤的田間持水量。

①在室內(nèi)先稱量環(huán)刀（連同底盤、墊底濾紙和頂蓋）的重量。

②取樣。將已稱量的環(huán)刀帶至田間，選取多條垂線采樣。首先將土面鏟平，去除環(huán)刀兩端的蓋子，再將環(huán)刀（刀口端向下）平穩(wěn)壓人土中，切忌左右搖動，在土柱冒出環(huán)刀上端后，用鐵鏟挖周圍土壤，取出充滿土壤的環(huán)刀，用鋒利的削土刀去環(huán)刀兩端多余的土壤，使環(huán)刀內(nèi)的土壤體積恰好為環(huán)刀的容積。在環(huán)刀刀口一端墊上濾紙，并蓋上底蓋，環(huán)刀上端蓋上頂蓋，擦去環(huán)刀外側(cè)的泥土。同時在相同土層采土。

③淹水。將裝有原狀土的環(huán)刀放于盛水的搪瓷盤內(nèi)，有孔蓋的底蓋端朝下，盤內(nèi)水面較環(huán)刀上緣低1～2mm，讓其充分吸水一晝夜。注意不要使環(huán)刀的上面淹水。

④風(fēng)干。將同時采集的同層土樣風(fēng)干，磨細(xì)過1mm篩孔，裝入環(huán)刀中，裝時要輕拍擊實，并稍微裝滿一些。

⑤吸水。將水分飽和一晝夜的裝有原狀土的環(huán)刀取出，打開有孔的底蓋，將其連濾紙一起放在裝有干土的環(huán)刀上，使其上下環(huán)刀緊密接觸，可壓磚頭，一對環(huán)刀壓兩塊磚頭。

⑥經(jīng)過8小時吸水后，從環(huán)刀內(nèi)取出原狀土按照烘干法測定含水量。即為該土樣的田間持水量。

表1 各測次土壤含水量統(tǒng)計表

圖1 測試區(qū)土壤含水量變化曲線

（3）測定土壤干容重。

在選定的地塊用環(huán)刀采取原狀土，土壤樣品的干土重與土壤樣品體積之比即為土壤干容重。

①取樣。在測試區(qū)附近分別選取了4條垂線取樣，每條垂線在20cm和40cm處分別取樣。取樣方法為先將土面鏟平，去除環(huán)刀兩端的蓋子，再將環(huán)刀（刀口端向下）平穩(wěn)壓人土中，切忌左右搖動，在土柱冒出環(huán)刀上端后，用鐵鏟挖周圍土壤，取出充滿土壤的環(huán)刀，用鋒利的削土刀去環(huán)刀兩端多余的土壤，使環(huán)刀內(nèi)的土壤體積恰好為環(huán)刀的容積。

②測定干土重。從環(huán)刀內(nèi)取出原狀土按照烘干法測其干土重。土壤樣品干容重等于干土重除環(huán)刀體積。

4 試驗數(shù)據(jù)整理分析計算

4.1 圍框淹灌法計算田間持水量

對連續(xù)8日各次土樣測定數(shù)據(jù)，分別按照下公式計算：

式中，ω——土壤重量含水量；

ω1——濕土+烘杯重；

ω2——干土+烘杯重；

ω0——烘杯重量；

ω20-1、ω20-2、ω20-3——第一、二、三條垂線20cm土壤重量含水量；

ω40-1、ω40-2、ω40-3——第一、二、三條垂線40cm土壤重量含水量；

推求各測次土層平均土壤重量含水量。

按照公式

式中，θ20-1、θ20-2、θ20-3——第一、二、三條垂線20cm土壤體積含水量。

θ40-1、θ40-2、θ40-3——第一、二、三條垂線40cm土壤體積含水量。

推求各測次土層平均土壤體積含水量。

經(jīng)對10日至17日土壤含水量進(jìn)行分析，并繪制測試區(qū)土壤含水量變化曲線，見圖1，由曲線可看出土壤含水量在17日與16日比較已無明顯差異，重力水已基本排完，此時的土壤含水量即為田間持水量。查曲線可得監(jiān)測深度平均田間持水量為20.0%。

4.2 室內(nèi)環(huán)刀法計算田間持水量

按照公式

4.3 土壤干容重

對所取土樣按照公式

式中，γ0——土壤干容重；

ws——干土重；

V——為原狀土壤的體積；

將各個測點的干土重和環(huán)刀體積（100cm3）代入，計算得為1.58g/cm3，為 1.65g/cm3為1.62g/cm3。

5 結(jié)論

（1）本試驗區(qū)重量田間持水量為20.0%。

（2）本試驗區(qū)土壤干容重為1.62g/cm3。

（3）野外圍框淹灌法測定監(jiān)測深度平均田間持水量為20.0%，室內(nèi)環(huán)刀法測定監(jiān)測深度平均田間持水量為20.05%。兩種方法結(jié)果很接近，說明室內(nèi)環(huán)刀法測定的田間持水量能代表自然狀況下的田間持水量。

（4）烘干法測得土壤體積含水量在30%～40%之間，而用土壤水分測定儀測出土壤體積含水量在40%～60%之間。由此可以得出結(jié)論,土壤水分測定儀存在較大的偏差。

6 建議

（1）田間持水量和土壤干容重與土壤類型和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，土壤質(zhì)地不同，其蓄水能力和持水能力不同，土壤含水量亦不同，土壤水分常數(shù)和干容重隨地域和土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)而變化。由于陜西省農(nóng)田分布地域從北到南跨越黃河長江兩大流域，地形地貌差別很大，各地土壤類型和結(jié)構(gòu)也差異較大，在全省各監(jiān)測點推廣進(jìn)行田間持水量試驗十分必要。

（2）田間持水量測定，采用室內(nèi)環(huán)刀法和野外圍框淹灌法成果一致、可靠。室內(nèi)環(huán)刀法不需要場地，所需儀器設(shè)備較少，操作簡便，節(jié)省人力、物力和時間，建議省內(nèi)推廣使用室內(nèi)環(huán)刀法測定各墑情監(jiān)測點田間持水量。

（3）開展烘干法與儀器法進(jìn)行同步對比觀測，建立儀器法與烘干法相關(guān)關(guān)系曲線，進(jìn)行誤差校正訂正。

（4）目前土壤水分測定儀型號較多，建議使用單位對國內(nèi)生產(chǎn)的墑情監(jiān)測儀器認(rèn)真選購，謹(jǐn)慎使用。陜西水利

[1]王振龍高建峰.實用土壤墑情監(jiān)測預(yù)報技術(shù)。

[2]彭世琪鐘永紅等.農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測技術(shù)手冊。

[3]土壤墑情監(jiān)測規(guī)范。