豫東平原地區(qū)田間持水量測(cè)定及誤差分析

張媛媛

（河南省周口水文水資源勘測(cè)局，河南 周口 466000）

1 概述

位于豫東平原的周口市，地處南北過渡地帶，四季分明。總面積11 959 km2，耕地面積7 800 km2，土地肥沃，區(qū)內(nèi)盛產(chǎn)小麥、玉米、大豆、棉花等農(nóng)作物，是全國(guó)重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地，為保障國(guó)家糧食安全作出了貢獻(xiàn)。因此為更好指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行田間持水量測(cè)定，具有深遠(yuǎn)意義。

田間持水量是指在地下水較深，毛管水與地下水無聯(lián)系，在充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發(fā)，經(jīng)過一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量最大值，在形式上包括：吸濕水、膜狀水、懸著毛管水。理論上講，田間持水量是一個(gè)固定值，但土壤含水量是不斷變化，包含萬千的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，受土壤地質(zhì)、孔隙率、耕作層深淺、地溫以及氣溫、風(fēng)速、降雨、地下水埋深等因素的影響，每時(shí)每刻都在變化，只是在一定的時(shí)間段內(nèi)基本穩(wěn)定。另外，土壤含水量的測(cè)定本身有很多不確定因素，加上取樣、烘干、稱重等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差，因此，對(duì)于某一地域，采用不同的方法，計(jì)算出的田間持水量均存在一定的誤差。水在土壤中的運(yùn)動(dòng)有他獨(dú)有的規(guī)律，吸濕水、膜狀水、懸著毛管水達(dá)到最大后，多余的水才在重力的作用下，垂直或水平運(yùn)動(dòng)，在排去多余的重力水后，土層中保持的最大懸著水量在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，這從土壤含水量過程線也可明顯看出，這個(gè)時(shí)段也是監(jiān)測(cè)田間持水量的最佳時(shí)段，因此選擇合理的取樣時(shí)間是確保田間持水量數(shù)值正確與否的關(guān)鍵。

2 田間持水量的測(cè)定

2.1 原理及方法

自然降水法：在有代表性的地塊上，一場(chǎng)連續(xù)較大降雨過后，監(jiān)測(cè)地塊土壤含水量達(dá)到飽和時(shí)，連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤水分衰退過程，在排去多余的重力水后，測(cè)定土層中保持的最大懸著水量即為田間持水量。該方法要求降雨歷時(shí)長(zhǎng)、量級(jí)大、下滲充分，降雨過后要用塑料布和秸稈等覆蓋，以防止土表蒸發(fā)。在測(cè)試區(qū)內(nèi)10、20、40 cm 取三個(gè)土樣，用稱重烘干法，測(cè)其含水率，以占干土重百分?jǐn)?shù)表示。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)刀法：用環(huán)刀在欲測(cè)地段上采取原狀土帶回室內(nèi)。同時(shí)在同一土層上取些散狀土，一并帶回室內(nèi)。放置在裝有水的平底容器中，使土樣含水量達(dá)到飽和。后者經(jīng)風(fēng)干，通過孔徑為1 mm 的土篩，裝入環(huán)刀。然后將裝有濕土的環(huán)刀的有孔蓋子打開，連同濾紙一起放在盛風(fēng)干土的環(huán)刀上，排出重力水后，測(cè)其含水率。經(jīng)過重復(fù)測(cè)重，求出同一土層含水率的平均值，即為該層的田間持水量。

實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率法：用環(huán)刀在欲測(cè)地段上采取原狀土帶回室內(nèi)。放置在裝有水的平底容器中，使土樣含水量達(dá)到飽和，然后將裝有濕土的環(huán)刀的有孔蓋子打開，測(cè)其電導(dǎo)率，準(zhǔn)確記錄各時(shí)段電導(dǎo)率的變化，也可加裝自動(dòng)記錄裝置，便于自動(dòng)保存，今后研究使用，當(dāng)電導(dǎo)率無變化或變化較小時(shí)，也就是重力水后完全排除后，其含水率即為單樣田間持水量。經(jīng)過重復(fù)測(cè)量，求出同一土層含水率的平均值，即為該層的田間持水量。

移動(dòng)墑情儀法：采用便攜式移動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備，土壤水分傳感器型號(hào)HT-SMAA-CZ1，該設(shè)備發(fā)射固定頻率信號(hào)，信號(hào)到達(dá)土壤端后，由于阻抗不匹配，回傳信號(hào)形成駐波疊加，駐波疊加信號(hào)取決于土壤的介電常數(shù)，而土壤的介電常數(shù)與土壤的含水量呈一定的關(guān)系。然后采用人工烘干法與駐波疊加信號(hào)對(duì)比率定，率定關(guān)系采用三次（多次）多項(xiàng)式方程表示，從而用回傳信號(hào)計(jì)算出土壤含水量。

2.2 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的確定

檢測(cè)站點(diǎn)的確定應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥李愋汀⑥r(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和地形地貌條件，綜合確定監(jiān)測(cè)位置。一是有代表性，包括地貌、土壤、氣象、水文地質(zhì)以及種植作物的代表性；二是選擇坡面比降小、面積相對(duì)較大，避免溝底、低洼易積水地點(diǎn)；三是遠(yuǎn)離樹林、高大建筑物，避開河流、水庫等較大水體。此次監(jiān)測(cè)位置選擇三處，一處是河南省鹿邑縣玄武鎮(zhèn)東南200 m，東經(jīng)115°16′31″，北緯33°58′23″，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站周圍，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘及取樣分析，該地塊土質(zhì)為壤土；一處選擇在周莊水文站東北300 m，河南省商水縣袁老鄉(xiāng)周莊村南1 200 m，東經(jīng)114°39′05″，北緯33°27′43″，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站周圍，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘及取樣分析，該地塊土質(zhì)為黏土。另一處選擇在黃橋水文站東南700 m，河南省西華縣黃橋鄉(xiāng)黃橋村南200 m，東經(jīng)114°27′05″，北緯33°45′43″，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站周圍，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘及取樣分析，該地塊土質(zhì)為沙壤土。這三處監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在農(nóng)作物種植大田地，符合上述站點(diǎn)選擇條件，具有代表性，附近又有雨量站，而且水文站有土壤含水量測(cè)定所需各種設(shè)備，可以隨時(shí)取樣、稱重、烘干、計(jì)算等。

2.3 監(jiān)測(cè)時(shí)段

按照自然降水法的原理及方法，密切注意天氣預(yù)報(bào)，選取2020年6月11-17日的連續(xù)兩場(chǎng)降雨過程，11日全市普降大到暴雨，16 日全市普降大到暴雨，17 日的普降小到中雨，根據(jù)降雨情況和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，田間部分地塊已有積水，說明土壤含水量已超過田間持水量，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，17日以后連續(xù)幾天無明顯降水過程，抓住這個(gè)時(shí)機(jī)，進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)，應(yīng)該得到滿意效果。三處監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近雨量站11-17日降雨量這里不在列出。

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.4.1 自然降水法、移動(dòng)墑情儀法

為防止蒸發(fā)及后續(xù)降雨對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，用塑料薄膜覆蓋取樣區(qū)域。自6 月18-27 日共10 d，每天8 時(shí)、20 時(shí)取樣兩次，每次取樣的同時(shí)用人工便攜式移動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤含水量，取樣后立即進(jìn)行稱重、烘干等程序，計(jì)算出每次樣品的10、20、40 cm深的土壤含水量，并用算術(shù)平均法計(jì)算出平均土壤含水量，這樣每種方法得到22組數(shù)據(jù)，繪制土壤含水量動(dòng)態(tài)變化過程線，詳見圖1、圖2。

圖1 鹿邑縣玄武鎮(zhèn)自然降水法田間持水量推求圖

圖2 鹿邑縣玄武鎮(zhèn)移動(dòng)墑情田間持水量推求圖

從動(dòng)態(tài)變化過程線可以看出，土壤的釋水過程分為3個(gè)階段，即重力作用的陡降段、重力與分子力同時(shí)作用的過渡段和分子力作用的緩降段。理論上，在陡降段上的土壤水分受重力作用，釋水呈線性規(guī)律，添加趨勢(shì)線，段下的土壤水分受分子力作用，釋水亦呈線性規(guī)律，也添加趨勢(shì)線。在概念上，田間持水量是分子力和重力作用的臨界點(diǎn)，則兩個(gè)趨勢(shì)線交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的含水量數(shù)值即為田間持水量。從圖1 可得出鹿邑縣玄武站自然降水量法田間持水量為27.20%；從圖2可得出鹿邑縣玄武站移動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)得到田間持水量為29.60%。

用同樣的方法得到田間持水量，限于篇幅這里不再贅述，周莊墑情站自然降水法和移動(dòng)墑情法分別為32.20%、33.80%；黃橋墑情站自然降水法和移動(dòng)墑情儀法田間持水量分別為20.50%、22.30%。

2.4.2 電導(dǎo)率法

實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率法測(cè)定時(shí)，其方法按前面所述，為保證測(cè)量精度，宜采用12V電源，其電流不小于100 mA。電導(dǎo)率測(cè)定極片的大小要選擇適當(dāng)，較大時(shí)影響環(huán)刀內(nèi)重力水排除，較小時(shí)電導(dǎo)率會(huì)產(chǎn)生漂移，影響測(cè)定精度，一般選擇極片直徑為環(huán)刀直徑的1/4為宜。

當(dāng)電導(dǎo)率無變化或變化較小時(shí)，也就是重力水被完全排除后，其含水率即為單樣田間持水量。經(jīng)過重復(fù)測(cè)量，求出同一土層含水率的平均值，即為該層的田間持水量。經(jīng)過三次監(jiān)測(cè)，數(shù)值都比較接近，取其平均值，玄武、周莊、黃橋測(cè)得的田間持水量分別為29.40%、33.50%、22.20%。

2.4.3 環(huán)刀法

實(shí)驗(yàn)室環(huán)刀法測(cè)定田間持水量時(shí)，除按前述的原理及方法外，為保證監(jiān)測(cè)精度，一是散狀土取樣時(shí)要與被測(cè)土樣在同一深度；二是烘箱溫度控制在105 ℃±2 ℃，持續(xù)恒溫8 h，避免土壤中有機(jī)質(zhì)氣化；三是稱重天平精度不低于1‰。為節(jié)省經(jīng)費(fèi)，此次直接采用自動(dòng)墑情站建設(shè)時(shí)河南省水利廳水科院監(jiān)測(cè)成果，玄武、周莊、黃橋測(cè)得的田間持水量分別為27.50%、32%、20.30%。

3 田間持水量監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分析

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為了合理確定田間持水量，分別用自然降水法、移動(dòng)墑情儀法、電導(dǎo)率法、實(shí)驗(yàn)室環(huán)刀法四種方法對(duì)三個(gè)站進(jìn)行了田間持水量的測(cè)定。按照田間持水量的定義，自然降水法得出結(jié)果相對(duì)合理準(zhǔn)確，尚且以自然降水法為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定、分析其他方法的誤差，見表1。

表1 田間持水量的測(cè)定結(jié)果對(duì)比分析表 單位：%

相關(guān)資料表明，周口市境內(nèi)沙土約14%、沙壤土16%～20%、輕壤土20%～24%、中壤土22%～26%、重壤土24%～28%、黏土28%～32%。從測(cè)定結(jié)果來看，四種方法測(cè)得田間持水量基本在以上范圍之內(nèi)，只是精度及誤差有待確定。

從表1 可以看出，移動(dòng)墑情儀法、電導(dǎo)率法測(cè)得的田間持水量與自然降水法相比明顯偏大，最小的也偏大4%，最大的偏大8.80%，而實(shí)驗(yàn)室環(huán)刀法與自然降水法結(jié)果比較接近，最小的也偏小1%，最大的偏大1.10%，符合《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》誤差不大于2%的規(guī)定。

3.2 監(jiān)測(cè)成果誤差分析

事實(shí)上，移動(dòng)墑情儀法、電導(dǎo)率法都是將土層或土樣作為一個(gè)相對(duì)整體，移動(dòng)墑情儀法是輸出固定頻率，電導(dǎo)率法是輸出穩(wěn)定電壓，其回傳信號(hào)與土壤的電導(dǎo)率密切相關(guān)。而土壤電導(dǎo)率除與土壤含水量有關(guān)外，還與土壤溫度、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)物含量以及耕作方式等有關(guān)，實(shí)際上變化較大，特別是近些年化肥、農(nóng)藥的殘留，使土壤電導(dǎo)率的不確定性加劇。因而，用這兩種方法測(cè)得的結(jié)果偏差進(jìn)一步加大。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)刀法是直接取樣、烘干、稱重等，排除了溫度、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)物等因素對(duì)土壤含水量的干擾，因此結(jié)果相對(duì)合理可靠。

4 結(jié)論與建議

分別用四種方法對(duì)3 個(gè)站進(jìn)行了田間持水量的測(cè)定，并進(jìn)行對(duì)比分析，由于受條件及經(jīng)費(fèi)等方面的限制，所有方法測(cè)定田間土壤含水量，均為10、20、40 cm 深度的三點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均值來代表土壤垂線平均含水量，理論上來講，代表性尚可，但由于受所選地塊土壤地質(zhì)條件、耕作層深度、作物種類、地形地貌以及季節(jié)等因素的影響，其代表性有待商榷。建議對(duì)全區(qū)不同土壤進(jìn)行全剖面取樣分析，得到更合理的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

自然降水法、移動(dòng)墑情儀法、實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率法以及實(shí)驗(yàn)室環(huán)刀法這四種方法只是常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法，其方法簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低，且測(cè)量結(jié)果基本符合實(shí)際情況，是測(cè)定土壤水分最普遍的方法，實(shí)驗(yàn)室環(huán)刀法是目前規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。實(shí)際上田間土壤含水量的監(jiān)測(cè)方法有很多種，比如：張力計(jì)法、中子水分儀法、時(shí)域反射法以及頻域法等，隨著科技的發(fā)展，這些儀器設(shè)備會(huì)更加成熟，價(jià)格會(huì)越來越低，測(cè)量成果也會(huì)更加合理可靠。