蚌埠地區(qū)土壤田間持水量實驗分析

呼雷

蚌埠地區(qū)土壤田間持水量實驗分析

呼雷

一、概述

田間持水量指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（土水勢或土壤水吸力達(dá)到一定數(shù)值）。田間持水量是一個理想化的概念，嚴(yán)格說不是一個常數(shù)。雖在田間可以測定，但卻不易再現(xiàn)，且因測定條件和排水時間不同有相當(dāng)?shù)某鋈?，故至今尚無精確的儀器測定方法。土壤田間持水量的測定，較常用的方法有圍框淹灌法、威爾科克斯法（土壤環(huán)刀法）、壓力膜（板）法（壓力膜法和壓力板法）、天然降水法等。本文采用土壤環(huán)刀法測定田間持水量。為了測定蚌埠地區(qū)的田間持水量資料,分別在皇廟站、西壩口閘站、固鎮(zhèn)閘站、仲興站、五道溝站、河溜站、何巷閘站、鮑集、夏集站、桂集站10個代表性地塊中開展田間持水量實驗。

二、實驗方法

1.測定方法要點

取原狀土后，用水浸泡一定時間，使其達(dá)到水飽和，然后在砂箱中放置一定時間（本次測量從飽和含水量開始測試起），使其達(dá)到平衡時，測出的土壤含水量即為土壤田間持水量。

所用環(huán)刀的體積為 100 cm3（Φ50.46mm×50mm）的標(biāo)準(zhǔn)土壤環(huán)刀。測定土壤田間持水量，必須采取土壤結(jié)構(gòu)不破壞的原狀土壤。

2.主要儀器

不銹鋼土壤環(huán)刀（體積100 cm3）；電子天平（感量0.01g，最大稱量2000g）；烘箱；鋁盒；不銹鋼土壤刀；土鏟；干燥器；砂箱；濾紙（Φ110mm）等。

3.測定步驟

（1）用天平稱空環(huán)刀重量（帶孔的底蓋、濾紙、上蓋）。

（2）選定代表性的測定地點，挖掘土壤剖面，用環(huán)刀取不同深度的土樣（必須保持環(huán)刀內(nèi)土壤的結(jié)構(gòu)不受破壞），用不銹鋼土壤刀削平環(huán)刀表面（不要使環(huán)刀中土表面產(chǎn)生鏡面，以使浸泡時水分難以進(jìn)入），在刀刃一端墊上濾紙并蓋好有孔底蓋和上蓋，帶回待測定。

（3）用天平稱連同墊上濾紙并蓋好底蓋和上蓋的取原狀土樣的環(huán)刀重量。

（4）去掉稱量過的環(huán)刀上蓋，將裝有原狀土樣并墊有濾紙的帶網(wǎng)眼的底蓋的環(huán)刀放入鋪有砂子（砂子粒徑在1mm左右，厚度1cm以上）的平底盆中，注入清水，并保持盆中水的高度低于環(huán)刀上沿約1～2mm（不可淹沒環(huán)刀），使環(huán)刀內(nèi)土壤浸泡達(dá)24 h以上（質(zhì)地粘重的土壤放置時間3d左右），使環(huán)刀中土壤所有非毛管孔隙和毛管孔隙都充滿了水分（此時可以看到環(huán)刀中土壤表面的空隙中都充滿了水）。蓋上上蓋以防蒸發(fā)，取出環(huán)刀，立即在天平上稱重（注意天平的防水，可在天平上放置已知重量的塑料墊盤），此時得到的土壤含水量為土壤飽和含水量。

（5）將已稱重的環(huán)刀移去底蓋、蓋上頂蓋，連同濾紙放置在砂箱中石英砂上（石英砂表層放一層大張濾紙），蓋上砂箱蓋，保持一定時間（沙土1～3d，壤土2～4d，粘土3～5d。在此過程中，使砂箱外圈水位始終保持在10cm處），分時段稱重，點繪退水曲線，直至環(huán)刀中土壤的水分達(dá)到平衡。

（6）提前將大鋁盒和切土刀編號稱重。濕土稱重前應(yīng)用抹布將浸泡好的環(huán)刀外壁擦干，去掉土樣環(huán)刀頂蓋、濾紙和橡皮筋，在大鋁盒中將環(huán)刀內(nèi)濕土用切土刀取出并切碎，注意不能漏損土樣至大鋁盒之外，如果發(fā)現(xiàn)土樣中含有大的植物根系和石塊等雜物，則放棄該土樣。將合格土樣整體（濕土+環(huán)刀+鋁盒+切土刀）進(jìn)行稱重記錄，之后進(jìn)行烘干操作，應(yīng)在（105±2）℃條件下持續(xù)恒溫12h。烘干后取出，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后，將烘干土樣整體（干土+環(huán)刀+鋁盒+切土刀）稱重。計算干土質(zhì)量、水分質(zhì)量。

（7）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個的平均值；田持的最大值與最小值之差大于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；否則該樣本作廢。

三、測定成果

1.退水曲線分析

選取固鎮(zhèn)閘作為代表站分析不同土層深度的退水曲線（見圖1、2、3）。

從退水曲線可以看出，所取同一土層深度退水過程基本一致，當(dāng)所取環(huán)刀中的土樣質(zhì)量接近相等時，其退水曲線基本重合，反之則接近平行。所有土樣在控水開始3h內(nèi)，退水速度最快，往后趨于平緩，在48～72h之間重量變化逐漸趨于穩(wěn)定，最后12h的重量變化除少數(shù)達(dá)到0.15g外，大部分集中在0～0.07g，基本上可以視為恒定（此次實驗規(guī)定最后12h前后兩次稱重之差小于0.2g即為恒定）。同一監(jiān)測點，隨著深度的增加，退水曲線相對平緩，這是因為表面土壤大部分被耕作過，比較松散，透水性較好，吸水性較強(qiáng)；而40cm處基本沒有被耕作過，土壤比較密實，透水性較差，吸水性較弱。另外，粘土的退水變化過程比壤土的要平緩。

圖1　固鎮(zhèn)閘站10cm退水曲線圖

圖2　固鎮(zhèn)閘站20cm退水曲線圖　

圖3　固鎮(zhèn)閘站40cm退水曲線圖

2.田間持水量測定成果

土壤重量含水量按式（1）計算：

式中：w—土壤重量含水量（%）；

w1—濕土+容器的重量（g）；

w2—干土+容器的重量（g）；

w0—容器的重量（容器為編號對應(yīng)的環(huán)刀+大鋁盒+切土刀）（g）。

土壤容重按式（2）計算：

式中：r0—干容重（g/cm3）；

wg—干土質(zhì)量（g）；

v—原狀土樣體積即環(huán)刀體積（cm3）。

單站垂向平均田間持水量按式（3）計算：

從理論上講，經(jīng)過浸泡、控水、烘干處理所得的10cm、20cm、40cm深度的土壤含水率應(yīng)該是相等的。但在現(xiàn)實當(dāng)中，由于10~20cm深度的土壤長期被耕作、施肥、灌溉、風(fēng)化等因素的影響，土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，而40cm以下的土壤很難被耕作到，土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)相對比表層土壤穩(wěn)定些。這就導(dǎo)致表層的田間持水量與下層的相比可能會有一定的偏差。

在實驗中，因人為操作和實驗條件有限，對實驗所得到的田間土壤持水量也有一定的影響。在實驗取土現(xiàn)場中，取土樣人員在打環(huán)刀和銷土壤時如果控制不當(dāng)就會破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤持水結(jié)果。土樣取回后，同一站點在泡土的過程中，不同的土層深度同時泡土，有的土層可能先泡好，有的后泡好，就是同一土層深度有時也會出現(xiàn)不同時泡好的現(xiàn)象。而往砂箱里面放的時候，因?qū)嶒灄l件有限，不能達(dá)到每個土層一個砂箱，通常同一站點的不同土層是同時放入一個砂箱，這也會影響監(jiān)測結(jié)果。有時候為了節(jié)約時間，甚至幾個不同的站點都同時泡，同時放入一個砂箱。在控水稱重過程中，稱重時間的紀(jì)錄不準(zhǔn)確對退水過程是有影響的。在砂箱中控水時，同一站點不同土層的樣本，有的可能先到達(dá)平衡，有的后達(dá)到平衡，按照理論到達(dá)平衡后就要立即稱重、烘干，但是在實際操作中，同一站點不同土層都是同時烘干，甚至有時幾個站點同時烘干，這對結(jié)果也是有影響的。

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，也就是沙土、壤土、粘土田間持水量依次增大。一般情況下，沙土田間持水量為14%~20%，壤土為20%~28%，粘土為25%以上。干容重指單位容積土壤中（包括孔隙）固體顆粒的重量，單位為g/cm3。除用于計算土壤孔隙度外，在土壤調(diào)查、土壤分析和施肥及農(nóng)田基本建設(shè)和水利設(shè)計中均會使用。其大小受質(zhì)地結(jié)構(gòu)的影響很大。沙土中的孔隙粗大，但數(shù)目較少，總的孔隙容積較小，故容重較大；反之粘土孔隙容積較大，容重較??；壤土介于二者之間。如果壤土和粘土的團(tuán)聚化良好，形成具有多級孔隙團(tuán)粒，則孔隙度顯著增大，容重相應(yīng)減小。土壤疏松（特別是在耕翻后）或土壤中有大量有機(jī)質(zhì)、根孔、動物洞穴或裂隙，則孔隙度大而容重小；反之土壤愈緊實，容重愈大。故表土層的容重往往比心土層和底土層小。沙質(zhì)土壤容重一般為1.2~1.8g/cm3,粘質(zhì)土壤容重為1.0~1.5g/cm3。

從表1可以看出，蚌埠地區(qū)10個監(jiān)測站點的單站田持量均在允許范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求，每層干容重和單站干容重也基本符合或者接近理論數(shù)值。

表1　蚌埠地區(qū)各站點田間持水量測定成果統(tǒng)計表

四、結(jié)語

影響土壤田間持水量的因素有很多，如人為操作的影響，實驗條件的限制，溫度的影響，季節(jié)的影響，地下水位的影響，氣候、地形、地貌等因素的影響。這些因素都會影響田間持水量的測定，所以說田間持水量在理論上是定值，但在實際操作中很難測得定值，而且不可再現(xiàn)。采用環(huán)刀法對蚌埠區(qū)域的土壤進(jìn)行田間持水量實驗，通過對所測定的數(shù)據(jù)分析，可以看出所測得田間持水量相對比較穩(wěn)定，基本符合常規(guī)的土壤田間持水量，在可以使用的范圍內(nèi)。因此環(huán)刀法測定土壤田間持水量相比其他方法是比較簡便實用的■

（作者單位：安徽蚌埠水文水資源局233000）

（專欄編輯：張婷）