測定土壤田間持水量的環(huán)刀滴水法探討

成兆金,徐淑米,李長軍

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

引言

土壤濕度是土壤的干濕程度,即土壤的實際含水量,是土壤微生物活動和農(nóng)作物生長發(fā)育的重要條件之一[1-2]。日常的業(yè)務服務中常把土壤相對濕度,即土壤重量含水率(土壤的實際含水量)與田間持水量的比值用來評價土壤墑情。

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、毛細吸滲法[5]等。小區(qū)灌水法,屬于野外測量,也是實際工作中常用的測量方法,其測定原理為:在作物或固定觀測地段上量取2 m×2 m的平坦場地,打梗、灌水,使50 cm或100 cm深度的土壤水分達到飽和,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,測定土壤重量含水率,此時的含水率即為田間持水量。該方法比較適于質地較粗的土壤[6-7],例如沙土和壤土,這類土壤的導水性能較好,在灌水后較短的時間(1～2 d)內土壤水分即可達到基本平衡,在灌水后2～3 d即可獲取樣本，且測量精度較好。但對于土壤質地較細的粘性土壤,這種方法的測量數(shù)據(jù)失真較大,原因是灌水后,土壤中水分移動速度非常緩慢,往往10 d甚至10 d以上也不下滲到所需的測量深度50 cm或100 cm,且土壤質地較硬,樣本獲取困難。

環(huán)刀法,也就是威爾科克斯法,常用于室內測定田間持水量,其方法是:將原狀土樣浸泡飽和后,置于風干土上,土樣中的重力水在風干土吸力的作用下排出,經(jīng)一段時間后即可測定土樣的土壤田間持水量,簡便易行,準確度較高。但該方法靠風干土的吸力和重力水的下滲兩種作用完成脫水,涉及到風干土吸水時間長短問題,還要不停更換風干土與脫水土的接觸面積,排水時間的長短直接影響測定結果,通常取8 h[8],時間較長,時間節(jié)點也不太容易掌握。降水法,是在一場比較大的降雨之后,在不同時間對土壤濕度進行測定,最后的穩(wěn)定測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到飽和,可信度較差。壓力膜(板)法是用壓力膜儀測定所有土壤具有假定相同基質勢下的含水率，即為田間持水量；這個方法不僅要購買儀器,而且假定的土壤相同基質勢也沒有統(tǒng)一標準,在日常工作中基本上不能應用。毛細吸滲法是利用土壤基質勢“主動”將水吸入土壤中,使土樣的含水率達到土壤毛管所能吸持的最大水量而無重力水,則此時土壤重量含水率即為田間持水量；該方法測量時間短,測定值比威爾科克斯法的略小,較適于質地稍細類的土壤,但測量裝置較為復雜,在實際應用上有一定的局限性。

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

1 材料與方法

1.1 試驗地點與對照樣本

環(huán)刀滴水法試驗于2016年9月13日在莒縣氣象局、日照市氣象局土壤水分自動觀測站進行。以小區(qū)灌水法為對照方法；測定土樣深度設0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm共8個層次。

1.2 試驗設計

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宜散、不成塊,況且下鉆時由于擠壓,改變了局部土壤結構,造成樣本含水量發(fā)生變化,造成測定田間持水量失真。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密包裹起來,兩頭分別用細線扎緊,不留空隙。采集樣本時以橫向15 cm間隔為宜；每層4個樣本,分別取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm共8個層次土柱樣本,做好層次標記后置于木箱之內,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。浸水后每隔一段時間就把盆內的水倒出來稱重,然后再把水倒回去繼續(xù)浸泡,直至盆內的水重不變即達到標準浸泡時間。經(jīng)試驗，粘性土壤的吸水時間為4 h,壤性土壤的吸水時間為3 h,沙性土壤的吸水時間為1～2 h。土壤樣本的吸水時間可視樣本土柱的大小而定,土柱越大,吸水時間越長；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為標準；試驗表明樣本退水時間比樣本吸水時間略長)，除去棉布,分別置于編號的土盒之中,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)氣象觀測規(guī)范》的規(guī)定進行,見圖4。待烘箱內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算 根據(jù)公式W=(g2-g3)/(g3-g1)×100%,計算樣本土壤的重量含水率,此時計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)。計算結果見表1。

圖3 土壤樣本的退水

圖4 土壤樣本的烘干

表1 不同質地的土壤田間持水量(重量含水率) %

2 結果與分析

2.1 實驗結果

分別用小區(qū)灌水法和環(huán)刀滴水法測定2種不同質地土壤的田間持水量,結果如表2所示。由表2可以看出,對同一地段的相同土壤,用環(huán)刀滴水法測量所得的田間持水量值大多比用小區(qū)灌水法所得的測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相關，農(nóng)民在收獲作物后常常對土壤進行翻耕、風化、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,這是因為受降水、灌溉、沉淀等的影響, 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。小區(qū)灌水法和環(huán)刀滴水法的田間持水量測定數(shù)據(jù)接近,趨勢吻合,表明利用環(huán)刀滴水法測定田間持水量所得的結果是合理的,用該方法測定田間持水量是可行的。

表2 用不同方法測定不同質地土壤田間持水量(重量含水率)的結果%

2.2 環(huán)刀滴水法和小區(qū)灌水法的比較

通過環(huán)刀滴水法和小區(qū)灌水法實驗發(fā)現(xiàn),對不同質地土壤采用不同的測定方法,土壤達到飽和所需的退水時間不同，采用小區(qū)灌水法時一般沙性土壤的退水時間為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，一般沙性土壤的退水時間為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)刀滴水法測定土壤田間持水量可以大幅度地縮短測定時間以及人力成本。對于沙、壤類土壤,顆粒較粗,中小孔隙多,土壤導水性較好,比較容易達到土壤水分平衡,因此采用環(huán)刀滴水法和小區(qū)灌水法的測量結果都是有效的。而對于粘性土壤,由于土壤顆粒較小,土壤孔隙細密,土壤水分達到平衡所需的時間較長,往往需要240 h以上甚至更久,因此采用小區(qū)灌水法測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，從吸水到脫水的時間一般沙性土壤為2～4 h,壤性土壤為6 h,粘性土壤為8 h,時間都很短,且測定準確度高。所以,無論是沙性、壤性土壤，還是粘性土壤,用環(huán)刀滴水法測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量值之間的關系,擬合方程為：y壤土=1.414x-10.91,R2=0.783,R=0.885,達極顯著相關水平,兩者之間相差約9%;y沙壤土=1.002x+0.417,R2=0.302,R=0.550,相關性較差，兩者之間相差約5%。見圖5。

圖5 兩種方法對2種質地土壤田間持水量測定值之間的關系

2.3 墑情評價

墑情評價是檢驗田間持水量合理性的有效手段[9-11]。其方法是利用測定的田間持水量,根據(jù)土壤水分自動站探測的體積含水率，將其換算成土壤相對濕度，換算公式為：土壤相對濕度=體積含水率/(土壤容重×田間持水量)；再根據(jù)表3中的干旱等級標準,得出墑情評價結果；最后根據(jù)墑情評價結果是否與實時旱情(分為輕旱、中旱、重旱、特旱)一致來驗證田間持水量的合理性。

表3 土壤相對濕度與干旱等級間的關系

3 結論與討論

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

土壤樣本的吸水和退水是田間持水量測定的關鍵環(huán)節(jié)。粘性土壤的吸水時間可為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。

盡管田間持水量測量過程較為繁雜,測量數(shù)據(jù)存在不可逆性[12],尤其是對粘性土壤的測定值失真較大,但田間持水量仍是生產(chǎn)實踐和科學研究中不可或缺的一個土壤指標。所以,宜選用多種方法在不同季節(jié)進行測定，選用最合理的測量值。

田間持水量測定結果的合理性可以用墑情評價來進行檢驗。