不同母质红壤测定土壤水分特征曲线的最适离心时间探讨

高冰可，周 微，袁志华，吕太华，徐仕樱，陈国徽

(九江农业科学院，江西 九江 332000)

土壤水分特征曲线(SWCC)是描述土壤含水量与土壤水吸力之间关系的曲线，它可以反映土壤的孔隙结构特点、粒径组成和持水能力[1]，也是表示土壤基本水动力学特性的重要指标；因此，SWCC对研究土壤水分动态、溶质运移，以及田间水分管理具有重要意义。SWCC大多通过一定的仪器直接测定，如张力计、压力膜仪、离心机等[2]。相较于其他方法，离心法测试SWCC操作简单、省时，可获得0～1.5 MPa范围内指定土壤水吸力下的土壤含水量，目前已经被越来越多的科研院所采用。

土壤基本物理性质对SWCC影响显著[3-4]。对红壤而言，成土母质对土壤机械组成的影响较为突出[5]，会间接影响SWCC的性质(如曲线的形状)。我国南方红壤丘陵区面积达2 100多万hm2，成土母质类型丰富。深入探析不同成土母质发育的红壤的SWCC对生产实践和科学研究具有重要意义，然而相关研究鲜见文献报道。本文以不同成土母质的红壤为研究对象，探讨用离心法测定土壤SWCC的最佳离心时间，以期为研究南方红壤区的土壤水提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土样分别采自湖北省咸宁市贺胜桥(样本1)、通城县(样本2)，武汉市华中农业大学校园(样本3)，均为红壤，成土母质分别为第四纪红色黏土、花岗岩和石英砂岩。用吸管法测得土样的机械组成，依据国际土壤学会对土壤粒级的划分标准确定土壤质地。样本1：颗粒组成，0.02～2 mm，12.83%，0.002～0.02 mm，21.56%，<0.002 mm，65.61%；质地为黏土；容重1.488 7 g·cm-3。样本2：颗粒组成，0.02～2 mm，42.24%，0.002～0.02 mm，18.64%，<0.002 mm，39.12%；质地为黏土；容重1.462 9 g·cm-3。样本3：颗粒组成，0.02～2 mm，29.71%，0.002～0.02 mm，46.51%，<0.002 mm，23.32%；质地为黏土；容重1.485 6 g·cm-3。可以看出，3种母质的红壤容重差异不大，但各个粒级的含量差异明显，说明成土母质类型对土壤质地的影响很大。

1.2 方法

土壤样品的采集方法是用离心机配套的环刀(高5 cm，体积100 cm3)取得原状样，每种土样取4个重复样。土样带回实验室，吸水饱和48 h后，用日立高速冷冻离心机(日立，CR21G)进行离心测定。离心机转速与吸力的关系见表1。

表1 离心机转速与待测样土壤水吸力的关系

当吸力与离心力达到平衡后，取出环刀样，用游标卡尺测定土样表面到离心盒(去盖后)的距离，进而计算离心结束时的土壤水吸力(H)，并确定土壤密度，然后取出土样并称重。待全过程完成后，将士样烘干称重，计算各个转速下的土壤质量含水量，同时根据土壤体积含水量与质量含水量的关系计算土壤体积含水量。

离心时间的确定。用离心法测定SWCC达到平衡所需要的时间受多种因素的影响，如土壤黏粒含量、离心力大小、土样厚度等。本研究将最佳离心时间定义为：在特定离心力下，所测土壤质量含水量值与前次所测数值相对误差小于1%时的离心时间。当最佳离心时间小于200 min时，特定离心力下的每次离心时间间隔设为10 min；当最佳离心时间介于200～500 min时，离心时间间隔设为30 min；当最佳离心时间大于500 min时，离心时间间隔设为50 min。这主要是考虑土样在大吸力下的失水难易程度，以及人力、物力、时间等因素而设定的。随着离心力增加，黏粒含量越大的土样达到稳定所需的时间越长。

2 结果与分析

2.1 成土母质对土壤含水量变化的影响

表2为3种土样在不同离心时间(t)下土壤质量含水量(θm)与土壤水吸力的对应表，其中Er代表与前次含水量的相对误差，ε*代表与前次离心稳定时含水量的绝对误差。以花岗岩母质红壤(样本2)和石英砂岩母质红壤(样本3)为例，不同母质红壤的饱和含水量(H=0)相差较大，石英砂岩母质红壤为28.79%，花岗岩母质红壤为37.07%。当H为5 kPa时，花岗岩母质红壤的含水量由开始测定时的37.07%减为稳定时的36.06%，变化幅度仅为1.01百分点，而石英砂岩母质红壤则由28.79%减为稳定时的24.08%，变化幅度达到4.71百分点；当吸力为500 kPa时，花岗岩母质红壤与前次离心稳定时含水量的绝对误差增大到4.88百分点，而石英砂岩母质红壤与前次离心稳定时含水量的绝对误差为3.99百分点。随着H进一步加大，土壤失水量逐渐变小，在萎蔫点1 500 kPa时，花岗岩母质红壤的质量含水量由前次测定时的21.35%减为稳定时的19.85%，而石英砂岩母质红壤则由前次测定时的6.85%减为稳定时的6.28%。可见，在同等土壤水吸力下，不同母质红壤的ε*值相差较大。

2.2 最佳离心时间的确定

由表3可以看出，当土壤水吸力在0～30 kPa范围内，3种母质土样的离心时间相差不大。随着吸力增大，离心达到稳定所需的时间逐渐增加，其中，石英砂岩母质红壤(样本3)的离心时间增加较缓慢，而第四纪红色黏土母质红壤增加最快。

由于0～0.3 kPa土壤水吸力范围内，相同成土母质土样的离心时间一致，仅将表3中30～1 500 kPa土壤水吸力条件下所对应的数据用幂函数来表示，如图1所示。

图1 不同质地土壤的最佳离心时间

从表4可以看出，所构建的幂函数的R2均在0.95以上，说明幂函数模拟SWCC最佳离心时间与转速关系的效果较好。

表2 被试土样在不同离心时间下的土壤质量含水量与土壤水吸力

表3 不同成土母质红壤SWCC的最佳离心时间 min

表4 幂函数模拟SWCC最佳离心时间与土壤水吸力的参数

3 小结与讨论

本研究表明：1)当土壤水吸力小于100 kPa时，同等吸力下花岗岩母质红壤含水量变化幅度明显小于石英砂岩母质红壤的变幅。当土壤水吸力在100～1 500 kPa时，随着土壤水吸力增大，土壤迅速失水，同等吸力下花岗岩母质红壤含水量变化幅度要大于石英砂岩母质红壤的变幅。2)土壤水分特征曲线测定过程中最佳离心时间与吸力的关系可以用幂函数来描述。3)黏粒含量越高的土样，土壤水吸力越大，达到稳定所需的时间越长。

在本试验中，当土壤水吸力大于30 kPa，随着离心力的增大，3种母质土样的离心时间差别较大。原因主要是不同土样的黏粒含量差异较大。土壤黏粒含量高、细小孔隙较多时，土样易于持水，离心达到平衡所需要的时间亦较长；反之则短。

[1] 李开元, 李玉山. 土壤水分特征曲线的意义及其应用[J]. 陕西农业科学, 1991(4):47-48.

[2] 来剑斌, 王全九. 土壤水分特征曲线模型比较分析[J]. 水土保持学报, 2003, 17(1):137-140.

[3] 冯杰, 郝振纯, 刘方贵. 大孔隙对土壤水分特征曲线的影响[J]. 灌溉排水学报, 2002, 21(3):4-7.

[4] 赵雅琼, 王周锋, 王文科,等. 不同粒径下土壤水分特征曲线的测定与拟合模型的研究[J]. 中国科技论文, 2015, 10(3):287-290.

[5] 孙佳佳, 王培, 王志刚,等. 不同成土母质及土地利用对红壤机械组成的影响[J]. 长江科学院院报, 2015(3):54-58.