不同母質(zhì)紅壤測定土壤水分特征曲線的最適離心時間探討

高冰可，周 微，袁志華，呂太華，徐仕櫻，陳國徽

(九江農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江西 九江 332000)

土壤水分特征曲線(SWCC)是描述土壤含水量與土壤水吸力之間關(guān)系的曲線，它可以反映土壤的孔隙結(jié)構(gòu)特點、粒徑組成和持水能力[1]，也是表示土壤基本水動力學(xué)特性的重要指標；因此，SWCC對研究土壤水分動態(tài)、溶質(zhì)運移，以及田間水分管理具有重要意義。SWCC大多通過一定的儀器直接測定，如張力計、壓力膜儀、離心機等[2]。相較于其他方法，離心法測試SWCC操作簡單、省時，可獲得0～1.5 MPa范圍內(nèi)指定土壤水吸力下的土壤含水量，目前已經(jīng)被越來越多的科研院所采用。

土壤基本物理性質(zhì)對SWCC影響顯著[3-4]。對紅壤而言，成土母質(zhì)對土壤機械組成的影響較為突出[5]，會間接影響SWCC的性質(zhì)(如曲線的形狀)。我國南方紅壤丘陵區(qū)面積達2 100多萬hm2，成土母質(zhì)類型豐富。深入探析不同成土母質(zhì)發(fā)育的紅壤的SWCC對生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究具有重要意義，然而相關(guān)研究鮮見文獻報道。本文以不同成土母質(zhì)的紅壤為研究對象，探討用離心法測定土壤SWCC的最佳離心時間，以期為研究南方紅壤區(qū)的土壤水提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土樣分別采自湖北省咸寧市賀勝橋(樣本1)、通城縣(樣本2)，武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校園(樣本3)，均為紅壤，成土母質(zhì)分別為第四紀紅色黏土、花崗巖和石英砂巖。用吸管法測得土樣的機械組成，依據(jù)國際土壤學(xué)會對土壤粒級的劃分標準確定土壤質(zhì)地。樣本1：顆粒組成，0.02～2 mm，12.83%，0.002～0.02 mm，21.56%，<0.002 mm，65.61%；質(zhì)地為黏土；容重1.488 7 g·cm-3。樣本2：顆粒組成，0.02～2 mm，42.24%，0.002～0.02 mm，18.64%，<0.002 mm，39.12%；質(zhì)地為黏土；容重1.462 9 g·cm-3。樣本3：顆粒組成，0.02～2 mm，29.71%，0.002～0.02 mm，46.51%，<0.002 mm，23.32%；質(zhì)地為黏土；容重1.485 6 g·cm-3?？梢钥闯?，3種母質(zhì)的紅壤容重差異不大，但各個粒級的含量差異明顯，說明成土母質(zhì)類型對土壤質(zhì)地的影響很大。

1.2 方法

土壤樣品的采集方法是用離心機配套的環(huán)刀(高5 cm，體積100 cm3)取得原狀樣，每種土樣取4個重復(fù)樣。土樣帶回實驗室，吸水飽和48 h后，用日立高速冷凍離心機(日立，CR21G)進行離心測定。離心機轉(zhuǎn)速與吸力的關(guān)系見表1。

表1 離心機轉(zhuǎn)速與待測樣土壤水吸力的關(guān)系

當吸力與離心力達到平衡后，取出環(huán)刀樣，用游標卡尺測定土樣表面到離心盒(去蓋后)的距離，進而計算離心結(jié)束時的土壤水吸力(H)，并確定土壤密度，然后取出土樣并稱重。待全過程完成后，將士樣烘干稱重，計算各個轉(zhuǎn)速下的土壤質(zhì)量含水量，同時根據(jù)土壤體積含水量與質(zhì)量含水量的關(guān)系計算土壤體積含水量。

離心時間的確定。用離心法測定SWCC達到平衡所需要的時間受多種因素的影響，如土壤黏粒含量、離心力大小、土樣厚度等。本研究將最佳離心時間定義為：在特定離心力下，所測土壤質(zhì)量含水量值與前次所測數(shù)值相對誤差小于1%時的離心時間。當最佳離心時間小于200 min時，特定離心力下的每次離心時間間隔設(shè)為10 min；當最佳離心時間介于200～500 min時，離心時間間隔設(shè)為30 min；當最佳離心時間大于500 min時，離心時間間隔設(shè)為50 min。這主要是考慮土樣在大吸力下的失水難易程度，以及人力、物力、時間等因素而設(shè)定的。隨著離心力增加，黏粒含量越大的土樣達到穩(wěn)定所需的時間越長。

2 結(jié)果與分析

2.1 成土母質(zhì)對土壤含水量變化的影響

表2為3種土樣在不同離心時間(t)下土壤質(zhì)量含水量(θm)與土壤水吸力的對應(yīng)表，其中Er代表與前次含水量的相對誤差，ε*代表與前次離心穩(wěn)定時含水量的絕對誤差。以花崗巖母質(zhì)紅壤(樣本2)和石英砂巖母質(zhì)紅壤(樣本3)為例，不同母質(zhì)紅壤的飽和含水量(H=0)相差較大，石英砂巖母質(zhì)紅壤為28.79%，花崗巖母質(zhì)紅壤為37.07%。當H為5 kPa時，花崗巖母質(zhì)紅壤的含水量由開始測定時的37.07%減為穩(wěn)定時的36.06%，變化幅度僅為1.01百分點，而石英砂巖母質(zhì)紅壤則由28.79%減為穩(wěn)定時的24.08%，變化幅度達到4.71百分點；當吸力為500 kPa時，花崗巖母質(zhì)紅壤與前次離心穩(wěn)定時含水量的絕對誤差增大到4.88百分點，而石英砂巖母質(zhì)紅壤與前次離心穩(wěn)定時含水量的絕對誤差為3.99百分點。隨著H進一步加大，土壤失水量逐漸變小，在萎蔫點1 500 kPa時，花崗巖母質(zhì)紅壤的質(zhì)量含水量由前次測定時的21.35%減為穩(wěn)定時的19.85%，而石英砂巖母質(zhì)紅壤則由前次測定時的6.85%減為穩(wěn)定時的6.28%。可見，在同等土壤水吸力下，不同母質(zhì)紅壤的ε*值相差較大。

2.2 最佳離心時間的確定

由表3可以看出，當土壤水吸力在0～30 kPa范圍內(nèi)，3種母質(zhì)土樣的離心時間相差不大。隨著吸力增大，離心達到穩(wěn)定所需的時間逐漸增加，其中，石英砂巖母質(zhì)紅壤(樣本3)的離心時間增加較緩慢，而第四紀紅色黏土母質(zhì)紅壤增加最快。

由于0～0.3 kPa土壤水吸力范圍內(nèi)，相同成土母質(zhì)土樣的離心時間一致，僅將表3中30～1 500 kPa土壤水吸力條件下所對應(yīng)的數(shù)據(jù)用冪函數(shù)來表示，如圖1所示。

圖1 不同質(zhì)地土壤的最佳離心時間

從表4可以看出，所構(gòu)建的冪函數(shù)的R2均在0.95以上，說明冪函數(shù)模擬SWCC最佳離心時間與轉(zhuǎn)速關(guān)系的效果較好。

表2 被試土樣在不同離心時間下的土壤質(zhì)量含水量與土壤水吸力

表3 不同成土母質(zhì)紅壤SWCC的最佳離心時間 min

表4 冪函數(shù)模擬SWCC最佳離心時間與土壤水吸力的參數(shù)

3 小結(jié)與討論

本研究表明：1)當土壤水吸力小于100 kPa時，同等吸力下花崗巖母質(zhì)紅壤含水量變化幅度明顯小于石英砂巖母質(zhì)紅壤的變幅。當土壤水吸力在100～1 500 kPa時，隨著土壤水吸力增大，土壤迅速失水，同等吸力下花崗巖母質(zhì)紅壤含水量變化幅度要大于石英砂巖母質(zhì)紅壤的變幅。2)土壤水分特征曲線測定過程中最佳離心時間與吸力的關(guān)系可以用冪函數(shù)來描述。3)黏粒含量越高的土樣，土壤水吸力越大，達到穩(wěn)定所需的時間越長。

在本試驗中，當土壤水吸力大于30 kPa，隨著離心力的增大，3種母質(zhì)土樣的離心時間差別較大。原因主要是不同土樣的黏粒含量差異較大。土壤黏粒含量高、細小孔隙較多時，土樣易于持水，離心達到平衡所需要的時間亦較長；反之則短。

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