環(huán)刀法在干旱半干旱地區(qū)田間持水量測定的改進(jìn)與應(yīng)用探討

郭富興

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114002)

田間持水量是指土壤毛管懸著水達(dá)到最大數(shù)值時(shí)的土壤含水量，即土壤束縛水達(dá)到最大數(shù)值時(shí)的土壤含水量。它是衡量田間土壤保持水分能力的重要指標(biāo)，被視為對(duì)作物有效土壤水分的上限，對(duì)農(nóng)田灌溉和作物水分管理具有十分重要的意義[1]。環(huán)刀法為室內(nèi)測定田間持水量方法之一，利用環(huán)刀在監(jiān)測地塊采集原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室，在人工干預(yù)條件下，使土樣含水量達(dá)到田間持水量狀態(tài)，采用人工取土烘干法測量環(huán)刀內(nèi)土壤樣品含水量，即為監(jiān)測地塊的田間持水量[2]。遼寧省人工墑情監(jiān)測站無土壤田間持水量數(shù)據(jù)，不利于旱情分析預(yù)報(bào)工作[3]。按照水利部關(guān)于加強(qiáng)人工墑情信息報(bào)送相關(guān)文件要求，需要開展95處人工墑情站的田間持水量測定工作。實(shí)際工作中在采用傳統(tǒng)環(huán)刀法進(jìn)行土壤田間持水量測定時(shí)，過于濕潤的土壤在削平環(huán)刀刃口時(shí)土壤孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，從而易產(chǎn)生“鏡面”效應(yīng)，導(dǎo)致浸泡時(shí)水分難以進(jìn)入；而處于較干燥狀態(tài)的土壤在削平環(huán)刀刃口時(shí)會(huì)造成環(huán)刀內(nèi)土壤脫落，影響原狀土結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤田間持水量測定精度產(chǎn)生較大影響。為提高田間持水量測定精度，許多區(qū)域針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)刀法的土壤采樣方法進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用[4-15]，但是在干旱半干旱地區(qū)該方式的改進(jìn)還未得到應(yīng)用。為此本文從提高干旱半干旱地區(qū)田間持水量測定精度的角度出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)環(huán)刀法進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用，研究成果對(duì)于環(huán)刀法取樣工作有積極的指導(dǎo)意義。

1 環(huán)刀法田間持水量測定步驟

環(huán)刀法為室內(nèi)測定田間持水量方法之一，利用環(huán)刀在監(jiān)測地塊采集原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室，在人工干預(yù)條件下，使土樣含水量達(dá)到田間持水量狀態(tài)，采用人工取土烘干法測量環(huán)刀內(nèi)土壤樣品含水量，即為監(jiān)測地塊的田間持水量，其主要測定步驟如下。

(1)田間采樣。在3個(gè)土層深度分別為10、20、40cm進(jìn)行均質(zhì)土壤采樣，每個(gè)深度采集3個(gè)土壤樣本，可在一次有效降水后對(duì)土壤進(jìn)行采樣，采樣人工澆水方式對(duì)表層土壤無積水的土樣進(jìn)行處理和采集。耕種層的黏土和壤土采樣通過平行開挖方式進(jìn)行剖面土壤的采集，垂直取土方式主要用于耕作層土壤為砂土質(zhì)地的土壤采集。

(2)土樣吸水。在平底盆中鋪設(shè)砂子進(jìn)行原狀土壤環(huán)刀采集后，清水逐步向平底盆中注入，當(dāng)環(huán)刀頂部高于水面1～2mm時(shí)注水逐步停止。在土樣浸泡過程中不要讓環(huán)刀淹沒在水中，在緩慢注水過程中保持環(huán)刀上沿高于水面1～2mm穩(wěn)定變幅。環(huán)刀采集的土樣在水中浸泡的時(shí)間不低于24h，其中砂土、壤土在水中均勻浸泡的時(shí)間不超過1d，而黏土均勻浸泡的時(shí)間為2～3d。

(3)土樣退水及稱重。采用相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間間隔進(jìn)行飽和土壤樣本及沙箱的稱重，當(dāng)不同時(shí)間間隔內(nèi)質(zhì)量測定重量的差距低于0.5g時(shí)可停止稱重，對(duì)土壤含水率的退水變化進(jìn)行過程線的繪制，其中砂土、壤土的含水量退水時(shí)間一般穩(wěn)定在1～3d內(nèi)，黏土的退水時(shí)間一般穩(wěn)定在3～7d內(nèi)。外置水箱在各土樣退水過程中一直穩(wěn)定在10cm變化。

(4)烘干及稱重。對(duì)濕潤的土壤樣本進(jìn)行碎片切割處理后進(jìn)行總量稱定和烘干處理，烘干處理溫度控制在105℃之內(nèi)，上下可浮動(dòng)的溫度為2℃，烘干時(shí)間長度一般為12h，烘干后經(jīng)過冷卻處理再對(duì)土壤樣本進(jìn)行質(zhì)量稱定。容器質(zhì)量稱重需要包含環(huán)刀、鋁盒以及切土刀的總質(zhì)量。

(5)計(jì)算田間持水量。不同土壤深度下的田間持水量采用算術(shù)平均方法計(jì)算，垂線平均田間持水量采用土層深度的加權(quán)平均法計(jì)算。

(6)合理性檢驗(yàn)。按土壤質(zhì)地檢驗(yàn)、用以往成果檢驗(yàn)、用歷史旱情評(píng)價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)、用有關(guān)文獻(xiàn)資料檢驗(yàn)。若不合理，需重測。

2 儀器設(shè)備及沙箱制作方式

2.1 采樣工具及設(shè)備

環(huán)刀(容積100cm3，Φ50.46×50，包含上、下蓋)、環(huán)刀柄、鐵鍬、錘子(橡膠或?qū)嵞?、厘米尺、整平尺、鋁盒、削土刀、切土刀、濾紙、膠帶或橡皮筋、盛水容器、石英砂(粒徑小于1mm)、篩子(孔徑1mm)、托盤、天平、電熱恒溫干燥箱、干燥器、沙箱，沙箱示意結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沙箱結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 沙箱制作

為提高土壤田間持水量的測定精度，土壤樣本的退水采用統(tǒng)一的沙箱進(jìn)行處理。石英砂毛管在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的粒徑需要低于1mm并保持60cm的浸潤高度。因此，石英砂層在沙箱內(nèi)以及外置水箱補(bǔ)水高度分別為70和10cm，毛管水在石英砂補(bǔ)水層的高度為60cm。上部石英砂補(bǔ)水層高度超過60cm則會(huì)對(duì)采樣土壤外部水分進(jìn)行吸收，從而降低田間持水量的測定精度。反之會(huì)使得其土壤下滲水分減少，使得田間持水量測定誤差加大。

(1)沙箱構(gòu)件。采樣不銹鋼材質(zhì)對(duì)沙箱的分沙桶和外置水箱進(jìn)行圓筒立式架構(gòu)。沙箱的高度一般為80cm，分沙桶的直徑在40～60cm之間，內(nèi)壁厚度大于1mm。底部設(shè)置4～8個(gè)直徑不大于1cm的通水口。沙箱在外部放置的水箱高度一般為10cm，水箱內(nèi)部寬度為50～70cm較為適宜，內(nèi)壁寬度大于1mm。

(2)篩砂。篩子采用1mm的孔徑進(jìn)行石英砂的篩選，去除顆粒的直徑高于1mm，石英砂毛管只有在粒徑低于1mm時(shí)浸潤高度才可以達(dá)到60cm。

(3)洗砂。對(duì)砂粉和灰塵混雜在石英砂中的顆粒采用清水沖洗的方式進(jìn)行去除。

(4)裝箱。石英砂采用水夯壓實(shí)法進(jìn)行不同深度的充填。沙箱中裝入洗砂，至少按照2個(gè)分層進(jìn)行充填，采用砂面以上注水的方式進(jìn)行不同分層的石英砂充填，使得各分層石英砂在自然過濾狀態(tài)下逐步下滲，當(dāng)沙面低于水面高度時(shí)，再進(jìn)行下一層石英砂的鋪設(shè)，這主要是為了將空氣和孔隙置于石英砂間隔中進(jìn)行有效去除，對(duì)毛管孔隙結(jié)構(gòu)在田間持水狀態(tài)下進(jìn)行模擬并滿足試驗(yàn)需求。采用整平方式對(duì)最后一層鋪設(shè)的石英砂進(jìn)行注水后的砂面處理，砂面干燥后需要進(jìn)行2h以上的靜置處理，完成沙箱成品的處理，其實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 沙箱實(shí)物

3 采樣方法

3.1 土壤開挖

土壤開挖有2種方法：主要分為垂直和水平2種剖面開挖取土的方式。水平開挖取土主要應(yīng)用于耕作層為黏土和壤土的土壤采集。砂土耕作層采用水平開挖垂直取土法。剖面開挖水平取土法：取土坑尺寸不小于60cm*40cm*50cm(長*寬*深)，按土壤剖面層次，自上至下用環(huán)刀在每層的中部采樣，如圖3所示。

圖3 剖面開挖水平取土法采集土樣開挖深度及環(huán)刀位置示意圖

采集10、20、40cm深度的土樣時(shí)，將環(huán)刀軸心位置分別對(duì)準(zhǔn)土層10、20、40cm處即可。根據(jù)采集深度以及環(huán)刀高度對(duì)水平開挖剖面進(jìn)行綜合確定，其深度計(jì)算方程為：

h=H-L/2

(1)

式中，h—開挖深度，cm；H—采集深度，cm；L—環(huán)刀高度，cm。

以Φ50.46mm×50mm的環(huán)刀為例，當(dāng)土壤采集深度為10cm時(shí)，采集深度H以及環(huán)刀高度分別為10和5cm，則開挖深度按方程(1)計(jì)算為7.5cm。對(duì)土壤表面按照此深度進(jìn)行整平處理，將環(huán)刀下壓充分沒入土壤，環(huán)刀中心線在此時(shí)的深度為10cm，如圖4所示。

圖4 水平開挖垂直取土法采集土樣開挖深度及環(huán)刀位置示意圖

3.2 環(huán)刀切入

在采樣前對(duì)采土層進(jìn)行鏟平處理，提前將編號(hào)以及重量稱定完成的環(huán)刀刀刃緩緩切入到采集土樣中。在土樣切取時(shí)應(yīng)盡量避免環(huán)刀歪斜。從而保證切入垂向均勻受力，環(huán)刀手柄選用橡皮錘，敲擊的力度和落點(diǎn)適宜，震動(dòng)幅度盡量降低，使得土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不被破壞。當(dāng)土壤內(nèi)部充滿環(huán)刀時(shí)切入停止，以免土壤結(jié)構(gòu)因受土壤擠壓而被破壞。

3.3 挖取土樣

采用水平開挖方式取土?xí)r，應(yīng)盡量在環(huán)刀全部切入后統(tǒng)一挖取土樣，垂直進(jìn)行土樣開挖后，環(huán)刀切入應(yīng)保持在同一深度進(jìn)行，周圍土壤采樣用鐵鍬統(tǒng)一開挖，將環(huán)刀采樣土裹在刀刃口段整體取出，從而避免刀刃口段取出時(shí)將端口的土壤連帶取出，破壞原有土層結(jié)構(gòu)。削土刀應(yīng)盡量不采用環(huán)刀，在土樣裝滿后取出環(huán)刀，環(huán)刀外壁土壤采樣用削土刀削平，多余土壤從兩端削去，環(huán)刀容積恰好和環(huán)刀內(nèi)土壤體積相似。環(huán)刀刃口端面與削土刀側(cè)面呈現(xiàn)10°左右的傾角，避免環(huán)刀土壤表面被削土刀側(cè)面抹平，出現(xiàn)“鏡面”影響，使得水分在浸泡時(shí)很難滲透。環(huán)刀采樣現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 環(huán)刀取樣示意圖

3.4 土樣保存與運(yùn)輸

孔底蓋在環(huán)刀刀刃端覆蓋的濾紙上部，不能破壞底部濾紙，從而影響土壤樣本的排水效果，頂端蓋在環(huán)刀刀刃的另一端，外壁附土需要擦拭干凈，如圖6所示。頂蓋的環(huán)刀和底蓋需要使用橡皮筋或者膠帶進(jìn)行密封處理，以免出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，在紙箱帶有減震措施的內(nèi)部放置環(huán)刀，盡量降低環(huán)刀在運(yùn)輸過程中對(duì)原狀土壤樣本的破壞影響。過于潮濕或者干燥的環(huán)境不適合存放采用環(huán)刀進(jìn)行采集的土壤樣本。需要盡快進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測定從而避免土壤結(jié)構(gòu)受到不同程度改變。

圖6 環(huán)刀結(jié)構(gòu)及刀刃口覆蓋濾紙示意圖

4 田間持水量測定

4.1 土樣吸水

土樣吸水的目的是讓土壤含水量達(dá)到飽和狀態(tài)。同一測站樣本土壤質(zhì)地大致相同，最好同時(shí)一起浸泡，以便提高工作效率。打開頂蓋后將原狀土樣的環(huán)刀在厚度為1cm以上的砂子層進(jìn)行鋪設(shè)，而后緩慢注入清水，當(dāng)環(huán)刀頂部高于水面1～2mm時(shí)停止注入清水。在這個(gè)過程中土壤樣本的浸泡時(shí)間不小于24h，確保壤土和砂土的土壤樣本的浸泡時(shí)間不低于1d，黏土類型土壤樣本的浸泡時(shí)間在2～3d，土壤在環(huán)刀內(nèi)水分區(qū)域飽和，這個(gè)時(shí)候可以看見水分在土壤表層孔隙之間均勻充滿，水膜覆蓋在土壤表層。浸泡時(shí)間過短土壤毛細(xì)管不能完全吸收水分。浸泡時(shí)間過長會(huì)使土壤表面出現(xiàn)“液化”現(xiàn)象，土壤表面漲出或塌落，改變原有孔隙度，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)土樣吸水

4.2 退水及稱重

保持沙蓋附著一段時(shí)間后，使得各類采樣土壤水分達(dá)到田間持水的狀態(tài)，總量測定需要分不同時(shí)段進(jìn)行，環(huán)刀質(zhì)量與監(jiān)測時(shí)間的變化過程為退水過程，在天平稱重前進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。每隔3h對(duì)沙箱進(jìn)行一次稱重，第2d每間隔6h進(jìn)行一次稱重，第3d每間隔12h進(jìn)行一次稱重，當(dāng)質(zhì)量差低于0.5時(shí)停止稱重。不同類型土壤田間持水量退水節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間不同，砂土以及壤土一般在3d以內(nèi)，黏土一般在3～7d內(nèi)達(dá)到退水節(jié)點(diǎn)。外置水箱在退水過程的深度穩(wěn)定在10cm，目的是使沙箱中的石英砂保持毛細(xì)懸著水，不從土樣中吸取除重力水以外的多余水分，使環(huán)刀中土壤垂向運(yùn)動(dòng)的水分達(dá)到平衡。土樣環(huán)刀重量包括環(huán)刀、環(huán)刀頂蓋、濕土、環(huán)刀自帶濾紙、橡皮筋和托盤的重量；為防止飽和土壤滲水影響天平(尤其是電子天平)稱量精度，不能將環(huán)刀直接放在天平上稱重，需放置在同一托盤上一起稱重。每次稱重前，均需要拿抹布擦干環(huán)刀頂蓋及環(huán)刀壁水分和托盤水分，托盤不能隨意變更，要固定同一個(gè)，以免因變更而影響稱重質(zhì)量。

4.3 烘干及稱重

需要提前對(duì)切土刀和大鋁盒進(jìn)行編號(hào)和重量的稱定。在濕土稱重前用抹布擦拭浸泡好的環(huán)刀外壁。在環(huán)刀頂蓋去除濾紙和橡皮筋，用切土刀在大鋁盒中將濕土從環(huán)刀內(nèi)取出切碎，不能將土樣放到大鋁盒外部以免影響質(zhì)量稱定，去除大石塊以及包含在土壤中的植物，將處理合格的土樣進(jìn)行整體稱重，并將溫度控制在105±2℃進(jìn)行烘干處理。烘干后需要進(jìn)行室溫冷卻處理，并整體稱重。對(duì)土壤水分以及土壤質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。部分田間持水量測定計(jì)算見表1。

表1 遼寧省部分站點(diǎn)田間持水量測定計(jì)算結(jié)果

4.4 合理性檢查

田間持水量的合理性檢查可以從4個(gè)方面進(jìn)行。

(1)砂土田間持水量一般在15%～21%之間，壤土在22%～29%之間，黏土的田間持水量一般高于25%，相同質(zhì)地類型的土壤其田間持水量的差異度一般較低。

(2)復(fù)測成果應(yīng)與現(xiàn)有田持成果進(jìn)行比較，若差距較大應(yīng)查明原因，經(jīng)論證后采用。

(3)利用該站歷史旱情資料檢驗(yàn)，即利用復(fù)測成果評(píng)價(jià)歷史旱情等級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際即為合理。

(4)利用有關(guān)文獻(xiàn)資料、成果(如農(nóng)業(yè)部門的田持成果)進(jìn)行對(duì)照檢驗(yàn)。

經(jīng)檢驗(yàn)，若田間持水量測定結(jié)果不合理，需重新測定。

5 結(jié)語

(1)同一深度的3個(gè)采樣點(diǎn)土壤田間持水量最大和最低值之差應(yīng)在±1.5%以內(nèi)，若高于±1.5%，而中間值與高低差之間的絕對(duì)差值低于1.0%，則建議取中間值作為測定的田間持水量測定值。

(2)每層深度采集的3個(gè)土樣土壤重量含水量監(jiān)測結(jié)果最大值與最小值之差的絕對(duì)值應(yīng)小于1.5%；若絕對(duì)值大于1.5%，且中間值與最大、最小值之差絕對(duì)值小于等于1.0%，則取中間值；否則，土樣不具有代表性，建議重新采樣。

(3)在沙箱樣品浸泡過程中，若有個(gè)別樣品浸泡時(shí)間特別長，建議采取用針在環(huán)刀土壤表面刺孔的措施，通過實(shí)際應(yīng)用這種處理方式效果較為顯著。

(4)對(duì)于部分樣品中含有石子和植物根系的土壤，在數(shù)據(jù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)這類樣品數(shù)據(jù)偏差較大，對(duì)于此類型土質(zhì)田間持水量的測定還需進(jìn)一步深入探討。