蚌埠地区土壤田间持水量实验分析

呼雷

蚌埠地区土壤田间持水量实验分析

呼雷

一、概述

田间持水量指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量（土水势或土壤水吸力达到一定数值）。田间持水量是一个理想化的概念，严格说不是一个常数。虽在田间可以测定，但却不易再现，且因测定条件和排水时间不同有相当的出入，故至今尚无精确的仪器测定方法。土壤田间持水量的测定，较常用的方法有围框淹灌法、威尔科克斯法（土壤环刀法）、压力膜（板）法（压力膜法和压力板法）、天然降水法等。本文采用土壤环刀法测定田间持水量。为了测定蚌埠地区的田间持水量资料,分别在皇庙站、西坝口闸站、固镇闸站、仲兴站、五道沟站、河溜站、何巷闸站、鲍集、夏集站、桂集站10个代表性地块中开展田间持水量实验。

二、实验方法

1.测定方法要点

取原状土后，用水浸泡一定时间，使其达到水饱和，然后在砂箱中放置一定时间（本次测量从饱和含水量开始测试起），使其达到平衡时，测出的土壤含水量即为土壤田间持水量。

所用环刀的体积为 100 cm3（Φ50.46mm×50mm）的标准土壤环刀。测定土壤田间持水量，必须采取土壤结构不破坏的原状土壤。

2.主要仪器

不锈钢土壤环刀（体积100 cm3）；电子天平（感量0.01g，最大称量2000g）；烘箱；铝盒；不锈钢土壤刀；土铲；干燥器；砂箱；滤纸（Φ110mm）等。

3.测定步骤

（1）用天平称空环刀重量（带孔的底盖、滤纸、上盖）。

（2）选定代表性的测定地点，挖掘土壤剖面，用环刀取不同深度的土样（必须保持环刀内土壤的结构不受破坏），用不锈钢土壤刀削平环刀表面（不要使环刀中土表面产生镜面，以使浸泡时水分难以进入），在刀刃一端垫上滤纸并盖好有孔底盖和上盖，带回待测定。

（3）用天平称连同垫上滤纸并盖好底盖和上盖的取原状土样的环刀重量。

（4）去掉称量过的环刀上盖，将装有原状土样并垫有滤纸的带网眼的底盖的环刀放入铺有砂子（砂子粒径在1mm左右，厚度1cm以上）的平底盆中，注入清水，并保持盆中水的高度低于环刀上沿约1～2mm（不可淹没环刀），使环刀内土壤浸泡达24 h以上（质地粘重的土壤放置时间3d左右），使环刀中土壤所有非毛管孔隙和毛管孔隙都充满了水分（此时可以看到环刀中土壤表面的空隙中都充满了水）。盖上上盖以防蒸发，取出环刀，立即在天平上称重（注意天平的防水，可在天平上放置已知重量的塑料垫盘），此时得到的土壤含水量为土壤饱和含水量。

（5）将已称重的环刀移去底盖、盖上顶盖，连同滤纸放置在砂箱中石英砂上（石英砂表层放一层大张滤纸），盖上砂箱盖，保持一定时间（沙土1～3d，壤土2～4d，粘土3～5d。在此过程中，使砂箱外圈水位始终保持在10cm处），分时段称重，点绘退水曲线，直至环刀中土壤的水分达到平衡。

（6）提前将大铝盒和切土刀编号称重。湿土称重前应用抹布将浸泡好的环刀外壁擦干，去掉土样环刀顶盖、滤纸和橡皮筋，在大铝盒中将环刀内湿土用切土刀取出并切碎，注意不能漏损土样至大铝盒之外，如果发现土样中含有大的植物根系和石块等杂物，则放弃该土样。将合格土样整体（湿土+环刀+铝盒+切土刀）进行称重记录，之后进行烘干操作，应在（105±2）℃条件下持续恒温12h。烘干后取出，放入干燥器内冷却至室温后，将烘干土样整体（干土+环刀+铝盒+切土刀）称重。计算干土质量、水分质量。

（7）同一采集深度的3个土样，田持的最大值与最小值之差值≤1.5%，则取3个的平均值；田持的最大值与最小值之差大于1.5%，且中间值与最大、最小值之差绝对值≤1.0%，则取相近的2个取均值；否则该样本作废。

三、测定成果

1.退水曲线分析

选取固镇闸作为代表站分析不同土层深度的退水曲线（见图1、2、3）。

从退水曲线可以看出，所取同一土层深度退水过程基本一致，当所取环刀中的土样质量接近相等时，其退水曲线基本重合，反之则接近平行。所有土样在控水开始3h内，退水速度最快，往后趋于平缓，在48～72h之间重量变化逐渐趋于稳定，最后12h的重量变化除少数达到0.15g外，大部分集中在0～0.07g，基本上可以视为恒定（此次实验规定最后12h前后两次称重之差小于0.2g即为恒定）。同一监测点，随着深度的增加，退水曲线相对平缓，这是因为表面土壤大部分被耕作过，比较松散，透水性较好，吸水性较强；而40cm处基本没有被耕作过，土壤比较密实，透水性较差，吸水性较弱。另外，粘土的退水变化过程比壤土的要平缓。

图1　固镇闸站10cm退水曲线图

图2　固镇闸站20cm退水曲线图　

图3　固镇闸站40cm退水曲线图

2.田间持水量测定成果

土壤重量含水量按式（1）计算：

式中：w—土壤重量含水量（%）；

w1—湿土+容器的重量（g）；

w2—干土+容器的重量（g）；

w0—容器的重量（容器为编号对应的环刀+大铝盒+切土刀）（g）。

土壤容重按式（2）计算：

式中：r0—干容重（g/cm3）；

wg—干土质量（g）；

v—原状土样体积即环刀体积（cm3）。

单站垂向平均田间持水量按式（3）计算：

从理论上讲，经过浸泡、控水、烘干处理所得的10cm、20cm、40cm深度的土壤含水率应该是相等的。但在现实当中，由于10~20cm深度的土壤长期被耕作、施肥、灌溉、风化等因素的影响，土壤质地结构可能发生变化，而40cm以下的土壤很难被耕作到，土壤的质地和结构相对比表层土壤稳定些。这就导致表层的田间持水量与下层的相比可能会有一定的偏差。

在实验中，因人为操作和实验条件有限，对实验所得到的田间土壤持水量也有一定的影响。在实验取土现场中，取土样人员在打环刀和销土壤时如果控制不当就会破坏土壤结构，影响土壤持水结果。土样取回后，同一站点在泡土的过程中，不同的土层深度同时泡土，有的土层可能先泡好，有的后泡好，就是同一土层深度有时也会出现不同时泡好的现象。而往砂箱里面放的时候，因实验条件有限，不能达到每个土层一个砂箱，通常同一站点的不同土层是同时放入一个砂箱，这也会影响监测结果。有时候为了节约时间，甚至几个不同的站点都同时泡，同时放入一个砂箱。在控水称重过程中，称重时间的纪录不准确对退水过程是有影响的。在砂箱中控水时，同一站点不同土层的样本，有的可能先到达平衡，有的后达到平衡，按照理论到达平衡后就要立即称重、烘干，但是在实际操作中，同一站点不同土层都是同时烘干，甚至有时几个站点同时烘干，这对结果也是有影响的。

根据土壤的物理性质，颗粒越细，其表面积越大，垒结后形成的空隙也就越小，对水的吸持能力就越大，田间持水量相对较高，也就是沙土、壤土、粘土田间持水量依次增大。一般情况下，沙土田间持水量为14%~20%，壤土为20%~28%，粘土为25%以上。干容重指单位容积土壤中（包括孔隙）固体颗粒的重量，单位为g/cm3。除用于计算土壤孔隙度外，在土壤调查、土壤分析和施肥及农田基本建设和水利设计中均会使用。其大小受质地结构的影响很大。沙土中的孔隙粗大，但数目较少，总的孔隙容积较小，故容重较大；反之粘土孔隙容积较大，容重较小；壤土介于二者之间。如果壤土和粘土的团聚化良好，形成具有多级孔隙团粒，则孔隙度显著增大，容重相应减小。土壤疏松（特别是在耕翻后）或土壤中有大量有机质、根孔、动物洞穴或裂隙，则孔隙度大而容重小；反之土壤愈紧实，容重愈大。故表土层的容重往往比心土层和底土层小。沙质土壤容重一般为1.2~1.8g/cm3,粘质土壤容重为1.0~1.5g/cm3。

从表1可以看出，蚌埠地区10个监测站点的单站田持量均在允许范围内，符合规范要求，每层干容重和单站干容重也基本符合或者接近理论数值。

表1　蚌埠地区各站点田间持水量测定成果统计表

四、结语

影响土壤田间持水量的因素有很多，如人为操作的影响，实验条件的限制，温度的影响，季节的影响，地下水位的影响，气候、地形、地貌等因素的影响。这些因素都会影响田间持水量的测定，所以说田间持水量在理论上是定值，但在实际操作中很难测得定值，而且不可再现。采用环刀法对蚌埠区域的土壤进行田间持水量实验，通过对所测定的数据分析，可以看出所测得田间持水量相对比较稳定，基本符合常规的土壤田间持水量，在可以使用的范围内。因此环刀法测定土壤田间持水量相比其他方法是比较简便实用的■

（作者单位：安徽蚌埠水文水资源局233000）

（专栏编辑：张婷）