測(cè)定土壤田間持水量的環(huán)刀滴水法探討

成兆金,徐淑米,李長(zhǎng)軍

(1.山東省日照市氣象局,山東 日照 276826;2.安徽省懷遠(yuǎn)縣氣象局,安徽 懷遠(yuǎn) 233040;3.山東省氣象信息中心,山東 濟(jì)南 250031)

引言

土壤濕度是土壤的干濕程度,即土壤的實(shí)際含水量,是土壤微生物活動(dòng)和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件之一[1-2]。日常的業(yè)務(wù)服務(wù)中常把土壤相對(duì)濕度,即土壤重量含水率(土壤的實(shí)際含水量)與田間持水量的比值用來(lái)評(píng)價(jià)土壤墑情。

田間持水量是在地下水位較低(毛管水不與地下水相連接)情況下,土壤所能保持的毛管懸著水的最大量[3]。其測(cè)量方法一般包括降水法、小區(qū)灌水法、環(huán)刀法(威爾科克斯法)[4]、壓力膜(板)法、毛細(xì)吸滲法[5]等。小區(qū)灌水法,屬于野外測(cè)量,也是實(shí)際工作中常用的測(cè)量方法,其測(cè)定原理為:在作物或固定觀測(cè)地段上量取2 m×2 m的平坦場(chǎng)地,打梗、灌水,使50 cm或100 cm深度的土壤水分達(dá)到飽和,然后用草席或薄膜覆蓋土壤表面,避免水分蒸發(fā);待土壤中的重力水“完全”下滲后,按照不同層次取土樣,測(cè)定土壤重量含水率,此時(shí)的含水率即為田間持水量。該方法比較適于質(zhì)地較粗的土壤[6-7],例如沙土和壤土,這類土壤的導(dǎo)水性能較好,在灌水后較短的時(shí)間(1～2 d)內(nèi)土壤水分即可達(dá)到基本平衡,在灌水后2～3 d即可獲取樣本，且測(cè)量精度較好。但對(duì)于土壤質(zhì)地較細(xì)的粘性土壤,這種方法的測(cè)量數(shù)據(jù)失真較大,原因是灌水后,土壤中水分移動(dòng)速度非常緩慢,往往10 d甚至10 d以上也不下滲到所需的測(cè)量深度50 cm或100 cm,且土壤質(zhì)地較硬,樣本獲取困難。

環(huán)刀法,也就是威爾科克斯法,常用于室內(nèi)測(cè)定田間持水量,其方法是:將原狀土樣浸泡飽和后,置于風(fēng)干土上,土樣中的重力水在風(fēng)干土吸力的作用下排出,經(jīng)一段時(shí)間后即可測(cè)定土樣的土壤田間持水量,簡(jiǎn)便易行,準(zhǔn)確度較高。但該方法靠風(fēng)干土的吸力和重力水的下滲兩種作用完成脫水,涉及到風(fēng)干土吸水時(shí)間長(zhǎng)短問(wèn)題,還要不停更換風(fēng)干土與脫水土的接觸面積,排水時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響測(cè)定結(jié)果,通常取8 h[8],時(shí)間較長(zhǎng),時(shí)間節(jié)點(diǎn)也不太容易掌握。降水法,是在一場(chǎng)比較大的降雨之后,在不同時(shí)間對(duì)土壤濕度進(jìn)行測(cè)定,最后的穩(wěn)定測(cè)定值即為田間持水量,該方法省略了小區(qū)灌水法的灌水環(huán)節(jié),節(jié)省了人力,但降水量不能保證使土壤水分達(dá)到飽和,可信度較差。壓力膜(板)法是用壓力膜儀測(cè)定所有土壤具有假定相同基質(zhì)勢(shì)下的含水率，即為田間持水量；這個(gè)方法不僅要購(gòu)買儀器,而且假定的土壤相同基質(zhì)勢(shì)也沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),在日常工作中基本上不能應(yīng)用。毛細(xì)吸滲法是利用土壤基質(zhì)勢(shì)“主動(dòng)”將水吸入土壤中,使土樣的含水率達(dá)到土壤毛管所能吸持的最大水量而無(wú)重力水,則此時(shí)土壤重量含水率即為田間持水量；該方法測(cè)量時(shí)間短,測(cè)定值比威爾科克斯法的略小,較適于質(zhì)地稍細(xì)類的土壤,但測(cè)量裝置較為復(fù)雜,在實(shí)際應(yīng)用上有一定的局限性。

由以上分析可知,環(huán)刀法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但也有所不足。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的環(huán)刀滴水法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與對(duì)照樣本

環(huán)刀滴水法試驗(yàn)于2016年9月13日在莒縣氣象局、日照市氣象局土壤水分自動(dòng)觀測(cè)站進(jìn)行。以小區(qū)灌水法為對(duì)照方法；測(cè)定土樣深度設(shè)0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm共8個(gè)層次。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣本采集 威爾科克斯法一般采用土鉆法獲取樣本,該樣本從土鉆取出時(shí)宜散、不成塊,況且下鉆時(shí)由于擠壓,改變了局部土壤結(jié)構(gòu),造成樣本含水量發(fā)生變化,造成測(cè)定田間持水量失真。環(huán)刀滴水法采用鐵鏟取土法,用鐵鏟緩緩取出10 cm高的柱狀土樣,力求土柱不散、不變形、不擠壓,并用2～3層粗棉布將土柱樣本按不松散要求嚴(yán)密包裹起來(lái),兩頭分別用細(xì)線扎緊,不留空隙。采集樣本時(shí)以橫向15 cm間隔為宜；每層4個(gè)樣本,分別取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm共8個(gè)層次土柱樣本,做好層次標(biāo)記后置于木箱之內(nèi),避免擠壓、碰撞。見圖1。

圖1 土壤樣本的采集

1.2.2 樣本吸水 將獲取的土壤樣本按照順序依次置于盛水的平底塑料盆內(nèi)浸泡,以免混淆,水的深度可與土壤樣本的高度持平。浸水后每隔一段時(shí)間就把盆內(nèi)的水倒出來(lái)稱重,然后再把水倒回去繼續(xù)浸泡,直至盆內(nèi)的水重不變即達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)浸泡時(shí)間。經(jīng)試驗(yàn)，粘性土壤的吸水時(shí)間為4 h,壤性土壤的吸水時(shí)間為3 h,沙性土壤的吸水時(shí)間為1～2 h。土壤樣本的吸水時(shí)間可視樣本土柱的大小而定,土柱越大,吸水時(shí)間越長(zhǎng)；考慮便于操作和電子天平的載荷,土柱直徑以大約3 cm為宜，見圖2。

圖2 土壤樣本的吸水

1.2.3 樣本退水 在土壤樣本吸水后,按照順序輕輕拿出,依次懸掛于水平的橫桿之上；待吸水后的土壤樣本包裹排除重力水后(以棉布包裹不再滴水,但棉布仍還較為濕潤(rùn)為標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)表明樣本退水時(shí)間比樣本吸水時(shí)間略長(zhǎng))，除去棉布,分別置于編號(hào)的土盒之中,迅速稱重，見圖3。

1.2.4 樣本烘烤 樣本烘烤可根據(jù)《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行,見圖4。待烘箱內(nèi)溫度稍冷后取出土樣,依次稱量。

1.2.5 土壤重量含水率的計(jì)算 根據(jù)公式W=(g2-g3)/(g3-g1)×100%,計(jì)算樣本土壤的重量含水率,此時(shí)計(jì)算的土壤重量含水率W即為田間持水量。式中：W為土壤重量含水率(%)；g1為盒重(g)；g2為盒與濕土的共重(g)；g3為盒與干土的共重(g)。計(jì)算結(jié)果見表1。

圖3 土壤樣本的退水

圖4 土壤樣本的烘干

表1 不同質(zhì)地的土壤田間持水量(重量含水率) %

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別用小區(qū)灌水法和環(huán)刀滴水法測(cè)定2種不同質(zhì)地土壤的田間持水量,結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,對(duì)同一地段的相同土壤,用環(huán)刀滴水法測(cè)量所得的田間持水量值大多比用小區(qū)灌水法所得的測(cè)量值略大或者非常接近。

從表2還可以看出，熟土層(0～30 cm)的田間持水量從上往下依次下降。究其原因,田間持水量與土壤干容重呈負(fù)相關(guān)，農(nóng)民在收獲作物后常常對(duì)土壤進(jìn)行翻耕、風(fēng)化、熟化,翻耕后的土壤松散,密度小,孔性好,土壤持水能力大,田間持水量大；越接近土壤表面,中耕越頻繁,土壤越松散,因此田間持水量越大。相反，生土層(30 cm以下)的田間持水量自上往下依次遞增,這是因?yàn)槭芙邓?、灌溉、沉淀等的影? 生土層土壤的緊密度從上往下逐漸變小,土壤的孔性也逐漸變好,持水能力也逐漸變大,因此田間持水量呈遞增趨勢(shì)。小區(qū)灌水法和環(huán)刀滴水法的田間持水量測(cè)定數(shù)據(jù)接近,趨勢(shì)吻合,表明利用環(huán)刀滴水法測(cè)定田間持水量所得的結(jié)果是合理的,用該方法測(cè)定田間持水量是可行的。

表2 用不同方法測(cè)定不同質(zhì)地土壤田間持水量(重量含水率)的結(jié)果%

2.2 環(huán)刀滴水法和小區(qū)灌水法的比較

通過(guò)環(huán)刀滴水法和小區(qū)灌水法實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)不同質(zhì)地土壤采用不同的測(cè)定方法,土壤達(dá)到飽和所需的退水時(shí)間不同，采用小區(qū)灌水法時(shí)一般沙性土壤的退水時(shí)間為1～2 d,壤性土壤為2～3 d,粘性土壤為3～4 d；采用環(huán)刀滴水法時(shí)，一般沙性土壤的退水時(shí)間為1～2 h,壤性土壤為3 h,粘性土壤為4 h。因此，與常用的小區(qū)灌水法相比,采用環(huán)刀滴水法測(cè)定土壤田間持水量可以大幅度地縮短測(cè)定時(shí)間以及人力成本。對(duì)于沙、壤類土壤,顆粒較粗,中小孔隙多,土壤導(dǎo)水性較好,比較容易達(dá)到土壤水分平衡,因此采用環(huán)刀滴水法和小區(qū)灌水法的測(cè)量結(jié)果都是有效的。而對(duì)于粘性土壤,由于土壤顆粒較小,土壤孔隙細(xì)密,土壤水分達(dá)到平衡所需的時(shí)間較長(zhǎng),往往需要240 h以上甚至更久,因此采用小區(qū)灌水法測(cè)定粘性土壤的田間持水量是不適合的；而采用環(huán)刀滴水法時(shí)，從吸水到脫水的時(shí)間一般沙性土壤為2～4 h,壤性土壤為6 h,粘性土壤為8 h,時(shí)間都很短,且測(cè)定準(zhǔn)確度高。所以,無(wú)論是沙性、壤性土壤，還是粘性土壤,用環(huán)刀滴水法測(cè)定田間持水量都是比較適用的。

用線性方程擬合兩種方法測(cè)量值之間的關(guān)系,擬合方程為：y壤土=1.414x-10.91,R2=0.783,R=0.885,達(dá)極顯著相關(guān)水平,兩者之間相差約9%;y沙壤土=1.002x+0.417,R2=0.302,R=0.550,相關(guān)性較差，兩者之間相差約5%。見圖5。

圖5 兩種方法對(duì)2種質(zhì)地土壤田間持水量測(cè)定值之間的關(guān)系

2.3 墑情評(píng)價(jià)

墑情評(píng)價(jià)是檢驗(yàn)田間持水量合理性的有效手段[9-11]。其方法是利用測(cè)定的田間持水量,根據(jù)土壤水分自動(dòng)站探測(cè)的體積含水率，將其換算成土壤相對(duì)濕度，換算公式為：土壤相對(duì)濕度=體積含水率/(土壤容重×田間持水量)；再根據(jù)表3中的干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),得出墑情評(píng)價(jià)結(jié)果；最后根據(jù)墑情評(píng)價(jià)結(jié)果是否與實(shí)時(shí)旱情(分為輕旱、中旱、重旱、特旱)一致來(lái)驗(yàn)證田間持水量的合理性。

表3 土壤相對(duì)濕度與干旱等級(jí)間的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

環(huán)刀滴水法是為自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站每5～10年進(jìn)行一次的田間持水量測(cè)定提出的一種新方法。本試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該方法測(cè)定田間持水量是可行的；與小區(qū)灌水法相比,環(huán)刀滴水法的測(cè)量值略大,壤土兩者測(cè)量值之間相差約9%，沙壤土兩者測(cè)量值之間相差約5%。經(jīng)綜合考慮,環(huán)刀滴水法的測(cè)量結(jié)果更接近實(shí)際。

土壤樣本的吸水和退水是田間持水量測(cè)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。粘性土壤的吸水時(shí)間可為4 h,壤性土壤可為3 h,沙性土壤可為1～2 h;粘性土壤的退水時(shí)間可為4～5 h,壤性土壤可為3～4 h,沙性土壤可為2～3 h。

盡管田間持水量測(cè)量過(guò)程較為繁雜,測(cè)量數(shù)據(jù)存在不可逆性[12],尤其是對(duì)粘性土壤的測(cè)定值失真較大,但田間持水量仍是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中不可或缺的一個(gè)土壤指標(biāo)。所以,宜選用多種方法在不同季節(jié)進(jìn)行測(cè)定，選用最合理的測(cè)量值。

田間持水量測(cè)定結(jié)果的合理性可以用墑情評(píng)價(jià)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。