環(huán)刀法測定土壤田間持水量實驗結(jié)果分析

王艷麗

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州)

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環(huán)刀法測定土壤田間持水量實驗結(jié)果分析

王艷麗

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州)

[摘要]應(yīng)用環(huán)刀法測定滄州地區(qū)8個代表地塊不同質(zhì)地的土壤田間持水量，結(jié)果顯示土壤干容重和田間持水量與土壤結(jié)構(gòu)及質(zhì)地密切相關(guān)，不同土壤質(zhì)地田間持水量和干容重不同，同一土壤質(zhì)地各土層的田間持水量和干容重也不同，為確定灌溉定額，土壤墑情的日常監(jiān)測工作及墑情評價指標(biāo)的制定及判斷作物的干旱程度提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]干容重；田間持水量；實驗方法；結(jié)果分析

在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發(fā)，經(jīng)過一定時間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量，是大多數(shù)植物可利用的土壤水上限。土壤毛管水分為毛管懸著水和毛管上升水。前者是指當(dāng)土壤灌水或降雨后，水分沿土壤孔隙下移，受毛管引力作用被“懸掛”在土壤上層毛管中，但又未與地下水相連。這種水達(dá)到最大量時(即上面還未蒸發(fā)，下移水受毛管引力不再下移時)，稱為田間持水量。其持水能力和土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土壤剖面結(jié)構(gòu)以及地下水埋深等因素的不同而變化。

土壤田間持水量的測定，較常用的方法有環(huán)刀法、圍框淹灌法、天然降水法。環(huán)刀法利用環(huán)刀在實驗地塊采集原狀土帶回室內(nèi)，在人工干預(yù)情況下，使土樣含水量達(dá)到飽和，排出重力水后，測定的土壤含水量即為田間持水量。該法操作簡便，適用于各類土壤。圍框淹灌法是在實驗地塊中建立實驗區(qū)，通過設(shè)置圍框、人工灌水、地膜覆蓋、自然滲透等一系列人工干預(yù)的技術(shù)手段，使圍框內(nèi)土壤含水量達(dá)到飽和，待自然排出重力水后，測定最大毛管懸著水量即為田間持水量。該法較符合田間實際，測定結(jié)果具有代表性。不足之處是需監(jiān)測土壤退水過程，工作量較大，不適合地下水位較淺的地塊。天然降水法即飽和雨后測定法，是指當(dāng)大氣降水達(dá)到一定量級，實驗地塊土壤水分含量達(dá)到飽和，排除多余重力水后測定的土壤含水量即為田間持水量。該法對降水條件、監(jiān)測時機(jī)要求較高，且實驗地塊土壤水分應(yīng)達(dá)到飽和。該法較符合田間實際，不受人為因素影響，測定結(jié)果代表性好。但滲透性差的土壤、地下水埋深較淺的地塊則不宜選用。

通過對滄州地區(qū)的8個代表地塊土壤進(jìn)行了實驗，結(jié)果顯示環(huán)刀法對于測定土壤的田間持水量具有實用性和可靠性，為確定灌溉定額，土壤墑情的日常監(jiān)測工作及墑情評價指標(biāo)的制定及判斷作物的干旱程度提供依據(jù)。

1測定實驗

1.1實驗方法

利用環(huán)刀在實驗地塊上采集原狀土帶回室內(nèi)，在人工干預(yù)條件下，使土樣含水量達(dá)到飽和，排出重力水后，測定的土壤含水量即為田間持水量。該法操作簡便，適用于各類土壤。事先通知觀測人員在日常觀測地塊上選取兩塊1 m×1 m實驗地，人為澆水使其滲透至40 cm，1～2 d后水情科同志們?nèi)ゲ蓸?，分別在10 cm、20 cm、40 cm三個土層深度采樣，同一深度采集五個土樣。

主要儀器：沙箱桶：用白鐵皮打制(黑白鐵加工)，確保接縫處不漏水，高80 cm，直徑60 cm，底部周邊打了許多小的通水孔。砂箱蓋：用白鐵皮打制，高10 cm，直徑60 cm。外置水箱：用白鐵皮打制，確保接縫處不漏水，內(nèi)部凈高10 cm，直徑80 cm。石英砂規(guī)格：采購20～40目石英砂，環(huán)刀規(guī)格：容積100 cm3， 50.46×50 ，包含上、下蓋。大鋁盒：直徑80×60，環(huán)刀手柄、切土刀、削土刀、電子天平、烘箱、干燥器等設(shè)備(見圖1)。

圖1　環(huán)刀法測定土壤田間持水量裝置圖

1.2實驗步驟

1.2.1取樣

剖面開挖水平取土，取土坑尺寸不小于60 cm×40 cm×50 cm(長×寬×深)，同一采集深度的土壤質(zhì)地應(yīng)相同，在10 cm、20 cm、40 cm三個土層深度采樣，同一深度采集五個土樣。采樣時應(yīng)保證土壤樣本代表所在地塊土質(zhì)，避免大的植物根須、石塊等雜質(zhì)摻入土壤樣本，影響樣本的代表性。

將事先編好號的環(huán)刀依次按要求敲入土中，挖出削平，使環(huán)刀內(nèi)的土壤體積恰好為環(huán)刀的容積。在環(huán)刀刀刃一端墊上濾紙蓋上有孔底蓋，另一端蓋上頂蓋，擦凈環(huán)刀外壁附土，將環(huán)刀放入帶減震措施的紙箱中帶回實驗室。

1.2.2測定

1)吸水階段

取樣回來后，打開環(huán)刀頂蓋，將裝有原狀土樣的環(huán)刀(墊有濾紙、帶底蓋)放入鋪有砂子(砂子粒徑在1 mm左右，厚度1 cm以上，砂子上面需鋪一層大張濾紙)的盛水容器中，向容器內(nèi)緩慢注入清水，水面低于環(huán)刀頂1～2 mm時停止注水，浸泡過程中隨時向容器內(nèi)補(bǔ)水，保持水面低于環(huán)刀上沿1～2 mm不變，環(huán)刀土樣浸水時間不少于24 h，確保土壤樣本浸泡均勻(砂土、壤土1 d，粘土2～3 d)，使環(huán)刀中的土壤水分達(dá)到飽和狀態(tài)(此時可以看到環(huán)刀中土壤表面的空隙中都充滿了水，表面有一層水膜)。待土樣達(dá)飽和狀態(tài)后。去除帶濾紙面底蓋，放入沙箱，進(jìn)行退水實驗，一般沙土1～2 d，壤土2～3 d，粘土3～7 d。保證外置水量水面10 cm，及時補(bǔ)水。

2)退水階段

在土樣吸水的同時，準(zhǔn)備沙箱，洗砂，濾砂、裝砂至少分兩層裝砂，靜置2 h后，保證砂面至外置水箱水面60 cm。

將土樣浸泡飽和的環(huán)刀移去底蓋，將環(huán)刀周圍水分擦拭干凈，蓋上頂蓋，稱重。然后將環(huán)刀(含濾紙、橡皮筋、頂蓋)放置在沙箱中石英砂上(石英砂上表面鋪一層大張濾紙)，為使土樣與石英砂緊密接觸，以不擾動砂層為原則，可用空環(huán)刀將環(huán)刀壓實。蓋上沙箱蓋，保持一定時間。為了確定每種土樣在沙箱中達(dá)到田持的時間，需分時段稱重，點(diǎn)繪退水過程線即退水土樣質(zhì)量與監(jiān)測時間過程線，稱重前將天平調(diào)平校零。第一天每3 h稱重一次(每次稱重后立即將原樣放入沙箱中，直至最后一次)，第二天每6 h稱重一次，第三天后每12 h稱重一次，直至相鄰測次質(zhì)量相差小于0.5 g為止。根據(jù)土質(zhì)不同，田間持水量出現(xiàn)的時間節(jié)點(diǎn)分別為：砂土1～2 d，壤土2～3 d，粘土3～7 d。

待退水完成后去掉橡皮筋，小心揭掉濾紙，將環(huán)刀中土樣推出，裝入大鋁盒中，然后用切土刀將土樣切碎，將環(huán)刀、切土刀放到大鋁盒碎土樣上面，大鋁盒整體(鋁盒、環(huán)刀、切土刀、濕土樣)放在天平上稱重。

3)烘干計算階段

放入烤箱烘干，105±2℃條件下持續(xù)恒溫12 h，達(dá)到預(yù)定烘干時長后，關(guān)閉電源。在烘箱冷卻(1～2 h)，冷卻至室溫，取出放在天平上整體(鋁盒、環(huán)刀、切土刀、干土樣)稱重記錄。計算田間持水量及干容重。

1.3結(jié)果計算

土壤重量含水量計算：

(1)

式中：ω為土壤重量含水量，%；W1為濕土+容器的重量，g；W2為干土+容器的重量，g；W0為容器的重量(容器為編號對應(yīng)的環(huán)刀+大鋁盒+切土刀)，g。

土壤容重計算：

(2)

式中：γ0為干容重， g/cm3；Wg為干土質(zhì)量，g；V為原狀土樣體積即環(huán)刀體積cm3。

單站平均田間持水量用土層深度加權(quán)平均法計算：

(3)

根據(jù)式(3)，則單站垂向平均田間持水量計算公式可簡化為：

(4)

同一采集深度的3個土樣，田持的最大值與最小值之差值≤1.5%，則取3個的均值；田持的最大值與最小值之差值大于1.5%且中間值與最大、最小值之差絕對值≤1.0%，則取相近的2個取均值；否則該站樣本作廢。

2結(jié)果分析

2.1不同土壤吸水時間分析

通過環(huán)刀法測定土壤田間持水量實驗發(fā)現(xiàn)：

1)不同土壤質(zhì)地的土樣吸水達(dá)田間持水量的時間差異很大。通過實驗發(fā)現(xiàn)，砂土在1 d，壤土在1～2 d，粘土在3～7 d。

2)同一土壤質(zhì)地，不同土層的土樣吸水達(dá)田間持水量的時間也有差異。以海興農(nóng)場站為例，該站為粘土質(zhì)地，表層10 cm土樣吸水達(dá)田間持水量時間在72 h，而50 cm土樣在153 h。

2.2不同土壤退水時間分析

對8個代表地塊進(jìn)行退水實驗，直至相鄰測次質(zhì)量相差小于0.5 g穩(wěn)定為止，以連鎮(zhèn)站為例，每層取5個平行土樣，繪制10 cm、20 cm、40 cm土樣退水過程線圖(見圖2～圖4)。

圖2　連鎮(zhèn)站10 cm土層環(huán)刀法土樣退水過程線

通過過程線可以看出，連鎮(zhèn)站土樣土壤含水量達(dá)到飽和后，土壤水分在前3 h內(nèi)快速消退，之后變緩，待一天后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定期后4天左右后又開始緩慢消退，但消退很慢，間隔12 h前后重量相差均小于0.5 g，符合退水精度要求。

通過分析實驗監(jiān)測到的土壤含水量退水過程線，可得到土壤水分消退規(guī)律：當(dāng)土壤含水量達(dá)到飽和后，在重力影響下，土壤水分迅速排出，當(dāng)達(dá)到田間持水量時，土壤水分達(dá)到穩(wěn)定平衡期，這個時期就是退水時間節(jié)點(diǎn)，測定土壤田間持水量的最佳時期。在這個穩(wěn)定期后土壤含水量又出現(xiàn)一個非常緩慢消退現(xiàn)象。成果顯示，用環(huán)刀法測定土壤田間持水量時，砂土退水穩(wěn)定期一般為1～2 d，壤土為2～3 d，粘土為3～7 d。

圖3　連鎮(zhèn)站20 cm土層環(huán)刀法土樣退水過程線

圖4　連鎮(zhèn)站40 cm土層環(huán)刀法土樣退水過程線

2.3不同土壤干容重分析

1)不同深度土層干容重不同。以連鎮(zhèn)站為例，10 cm土層干容重為1.28 g/cm3，20 cm土層干容重為1.41 g/cm3，40 cm土層干容重為1.33 g/cm3，可見同一地塊不同土層干容重也有差異。

2)土壤干容重和田間持水量持負(fù)相關(guān)。以肅寧站為例，10 cm土層干容重和田間持水量分別為25.9%和1.52 g/cm3，20 cm土層干容重和田間持水量分別為27.4%和1.43 g/cm3，40 cm土層干容重和田間持水量分別為28.3%和1.40 g/cm3，可見干容重越大，田間持水量越小。成果顯示，土壤干容重越大，土壤越密實，孔隙度越小，田間持水量越小；反之，土壤干容重越小，土壤越松散，孔隙度越大，田間持水量越大。

2.4不同土壤田間持水量分析

1)不同土壤質(zhì)地田間持水量不同。以舊城站和海興農(nóng)場站為例，土壤質(zhì)地分別為壤土和粘土，平均田間持水量分別為24.2%、29.3%，結(jié)果顯示不同土壤質(zhì)地的田間持水量有很大差別。根據(jù)土壤的物理性質(zhì)，顆粒越細(xì)，其表面積越大，壘結(jié)后形成的空隙也就越小，對水的吸持能力就越大，田間持水量相對較高，也就是砂土、壤土、粘土田間持水量依次增大。其中，砂土田間持水量一般為14%～20%，壤土為20%～28%，粘土為25%以上。

2)同一土壤質(zhì)地不同土層田間持水量也存在差異。以海興農(nóng)場站為例，10 cm土層田間持水量為28.0%，20 cm土層田間持水量為26.8%，40 cm土層田間持水量為34.8%，可見同一土壤質(zhì)地不同土層的田間持水量也不同。40 cm深土層田間持水量最大，故墑情監(jiān)測及旱情評價指標(biāo)制定上在參考不同土壤質(zhì)地的同時也要考慮不同土壤深度。

3結(jié)語

綜合2015年10-12月間滄州水文局8個實驗地塊不同質(zhì)地土壤的田間持水量測定結(jié)果如表1，發(fā)現(xiàn)：

1)不同土壤吸水和退水時長不同。

2)不同土壤質(zhì)地田間持水量和干容重不同，同一土壤質(zhì)地各土層的田間持水量和干容重也不同。

表1　河北省滄州市土壤田間持水量測定成果表

土壤干容重和田間持水量和土壤結(jié)構(gòu)及質(zhì)地密切相關(guān)，顆粒越細(xì)，其表面積越大，壘結(jié)后形成的空隙也就越小，對水的吸持能力就越大，田間持水量相對較高，也就是砂土、壤土、粘土田間持水量依次增大。一般情況下，砂土田間持水量為14%～20%，壤土為20%～28%，粘土為25%以上。

通過數(shù)據(jù)分析，可以看出由環(huán)刀法測定不同土壤質(zhì)地各土層的土壤含水量基本上符合常規(guī)的土壤層次田間持水量的變化趨勢，并且和常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)方法相比結(jié)果在經(jīng)驗值范圍內(nèi)。由此可見，環(huán)刀法對于測定土壤田間持水量是比較可靠和實用的，相對于其他測定方法更簡便快捷，其測定結(jié)果為確定灌溉定額，土壤墑情的日常監(jiān)測工作及墑情評價指標(biāo)的制定及判斷作物的干旱程度提供依據(jù)。

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[中圖分類號]S152.7+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)02-0055-03

[作者簡介]王艷麗(1982-)，女，河北滄州人，工程師，主要從事水資源及洪水預(yù)報工作。

[收稿日期]2016-02-01