测定土壤田间持水量的环刀滴水法探讨

成兆金,徐淑米,李长军

(1.山东省日照市气象局,山东 日照 276826;2.安徽省怀远县气象局,安徽 怀远 233040;3.山东省气象信息中心,山东 济南 250031)

引言

土壤湿度是土壤的干湿程度,即土壤的实际含水量,是土壤微生物活动和农作物生长发育的重要条件之一[1-2]。日常的业务服务中常把土壤相对湿度,即土壤重量含水率(土壤的实际含水量)与田间持水量的比值用来评价土壤墒情。

田间持水量是在地下水位较低(毛管水不与地下水相连接)情况下,土壤所能保持的毛管悬着水的最大量[3]。其测量方法一般包括降水法、小区灌水法、环刀法(威尔科克斯法)[4]、压力膜(板)法、毛细吸渗法[5]等。小区灌水法,属于野外测量,也是实际工作中常用的测量方法,其测定原理为:在作物或固定观测地段上量取2 m×2 m的平坦场地,打梗、灌水,使50 cm或100 cm深度的土壤水分达到饱和,然后用草席或薄膜覆盖土壤表面,避免水分蒸发;待土壤中的重力水“完全”下渗后,按照不同层次取土样,测定土壤重量含水率,此时的含水率即为田间持水量。该方法比较适于质地较粗的土壤[6-7],例如沙土和壤土,这类土壤的导水性能较好,在灌水后较短的时间(1～2 d)内土壤水分即可达到基本平衡,在灌水后2～3 d即可获取样本，且测量精度较好。但对于土壤质地较细的粘性土壤,这种方法的测量数据失真较大,原因是灌水后,土壤中水分移动速度非常缓慢,往往10 d甚至10 d以上也不下渗到所需的测量深度50 cm或100 cm,且土壤质地较硬,样本获取困难。

环刀法,也就是威尔科克斯法,常用于室内测定田间持水量,其方法是:将原状土样浸泡饱和后,置于风干土上,土样中的重力水在风干土吸力的作用下排出,经一段时间后即可测定土样的土壤田间持水量,简便易行,准确度较高。但该方法靠风干土的吸力和重力水的下渗两种作用完成脱水,涉及到风干土吸水时间长短问题,还要不停更换风干土与脱水土的接触面积,排水时间的长短直接影响测定结果,通常取8 h[8],时间较长,时间节点也不太容易掌握。降水法,是在一场比较大的降雨之后,在不同时间对土壤湿度进行测定,最后的稳定测定值即为田间持水量,该方法省略了小区灌水法的灌水环节,节省了人力,但降水量不能保证使土壤水分达到饱和,可信度较差。压力膜(板)法是用压力膜仪测定所有土壤具有假定相同基质势下的含水率，即为田间持水量；这个方法不仅要购买仪器,而且假定的土壤相同基质势也没有统一标准,在日常工作中基本上不能应用。毛细吸渗法是利用土壤基质势“主动”将水吸入土壤中,使土样的含水率达到土壤毛管所能吸持的最大水量而无重力水,则此时土壤重量含水率即为田间持水量；该方法测量时间短,测定值比威尔科克斯法的略小,较适于质地稍细类的土壤,但测量装置较为复杂,在实际应用上有一定的局限性。

由以上分析可知,环刀法有其独特的优势,但也有所不足。本文在此基础上提出了一种改进的环刀滴水法。

1 材料与方法

1.1 试验地点与对照样本

环刀滴水法试验于2016年9月13日在莒县气象局、日照市气象局土壤水分自动观测站进行。以小区灌水法为对照方法；测定土样深度设0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm共8个层次。

1.2 试验设计

1.2.1 样本采集 威尔科克斯法一般采用土钻法获取样本,该样本从土钻取出时宜散、不成块,况且下钻时由于挤压,改变了局部土壤结构,造成样本含水量发生变化,造成测定田间持水量失真。环刀滴水法采用铁铲取土法,用铁铲缓缓取出10 cm高的柱状土样,力求土柱不散、不变形、不挤压,并用2～3层粗棉布将土柱样本按不松散要求严密包裹起来,两头分别用细线扎紧,不留空隙。采集样本时以横向15 cm间隔为宜；每层4个样本,分别取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm共8个层次土柱样本,做好层次标记后置于木箱之内,避免挤压、碰撞。见图1。

图1 土壤样本的采集

1.2.2 样本吸水 将获取的土壤样本按照顺序依次置于盛水的平底塑料盆内浸泡,以免混淆,水的深度可与土壤样本的高度持平。浸水后每隔一段时间就把盆内的水倒出来称重,然后再把水倒回去继续浸泡,直至盆内的水重不变即达到标准浸泡时间。经试验，粘性土壤的吸水时间为4 h,壤性土壤的吸水时间为3 h,沙性土壤的吸水时间为1～2 h。土壤样本的吸水时间可视样本土柱的大小而定,土柱越大,吸水时间越长；考虑便于操作和电子天平的载荷,土柱直径以大约3 cm为宜，见图2。

图2 土壤样本的吸水

1.2.3 样本退水 在土壤样本吸水后,按照顺序轻轻拿出,依次悬挂于水平的横杆之上；待吸水后的土壤样本包裹排除重力水后(以棉布包裹不再滴水,但棉布仍还较为湿润为标准；试验表明样本退水时间比样本吸水时间略长)，除去棉布,分别置于编号的土盒之中,迅速称重，见图3。

1.2.4 样本烘烤 样本烘烤可根据《农业气象观测规范》的规定进行,见图4。待烘箱内温度稍冷后取出土样,依次称量。

1.2.5 土壤重量含水率的计算 根据公式W=(g2-g3)/(g3-g1)×100%,计算样本土壤的重量含水率,此时计算的土壤重量含水率W即为田间持水量。式中：W为土壤重量含水率(%)；g1为盒重(g)；g2为盒与湿土的共重(g)；g3为盒与干土的共重(g)。计算结果见表1。

图3 土壤样本的退水

图4 土壤样本的烘干

表1 不同质地的土壤田间持水量(重量含水率) %

2 结果与分析

2.1 实验结果

分别用小区灌水法和环刀滴水法测定2种不同质地土壤的田间持水量,结果如表2所示。由表2可以看出,对同一地段的相同土壤,用环刀滴水法测量所得的田间持水量值大多比用小区灌水法所得的测量值略大或者非常接近。

从表2还可以看出，熟土层(0～30 cm)的田间持水量从上往下依次下降。究其原因,田间持水量与土壤干容重呈负相关，农民在收获作物后常常对土壤进行翻耕、风化、熟化,翻耕后的土壤松散,密度小,孔性好,土壤持水能力大,田间持水量大；越接近土壤表面,中耕越频繁,土壤越松散,因此田间持水量越大。相反，生土层(30 cm以下)的田间持水量自上往下依次递增,这是因为受降水、灌溉、沉淀等的影响, 生土层土壤的紧密度从上往下逐渐变小,土壤的孔性也逐渐变好,持水能力也逐渐变大,因此田间持水量呈递增趋势。小区灌水法和环刀滴水法的田间持水量测定数据接近,趋势吻合,表明利用环刀滴水法测定田间持水量所得的结果是合理的,用该方法测定田间持水量是可行的。

表2 用不同方法测定不同质地土壤田间持水量(重量含水率)的结果%

2.2 环刀滴水法和小区灌水法的比较

通过环刀滴水法和小区灌水法实验发现,对不同质地土壤采用不同的测定方法,土壤达到饱和所需的退水时间不同，采用小区灌水法时一般沙性土壤的退水时间为1～2 d,壤性土壤为2～3 d,粘性土壤为3～4 d；采用环刀滴水法时，一般沙性土壤的退水时间为1～2 h,壤性土壤为3 h,粘性土壤为4 h。因此，与常用的小区灌水法相比,采用环刀滴水法测定土壤田间持水量可以大幅度地缩短测定时间以及人力成本。对于沙、壤类土壤,颗粒较粗,中小孔隙多,土壤导水性较好,比较容易达到土壤水分平衡,因此采用环刀滴水法和小区灌水法的测量结果都是有效的。而对于粘性土壤,由于土壤颗粒较小,土壤孔隙细密,土壤水分达到平衡所需的时间较长,往往需要240 h以上甚至更久,因此采用小区灌水法测定粘性土壤的田间持水量是不适合的；而采用环刀滴水法时，从吸水到脱水的时间一般沙性土壤为2～4 h,壤性土壤为6 h,粘性土壤为8 h,时间都很短,且测定准确度高。所以,无论是沙性、壤性土壤，还是粘性土壤,用环刀滴水法测定田间持水量都是比较适用的。

用线性方程拟合两种方法测量值之间的关系,拟合方程为：y壤土=1.414x-10.91,R2=0.783,R=0.885,达极显著相关水平,两者之间相差约9%;y沙壤土=1.002x+0.417,R2=0.302,R=0.550,相关性较差，两者之间相差约5%。见图5。

图5 两种方法对2种质地土壤田间持水量测定值之间的关系

2.3 墒情评价

墒情评价是检验田间持水量合理性的有效手段[9-11]。其方法是利用测定的田间持水量,根据土壤水分自动站探测的体积含水率，将其换算成土壤相对湿度，换算公式为：土壤相对湿度=体积含水率/(土壤容重×田间持水量)；再根据表3中的干旱等级标准,得出墒情评价结果；最后根据墒情评价结果是否与实时旱情(分为轻旱、中旱、重旱、特旱)一致来验证田间持水量的合理性。

表3 土壤相对湿度与干旱等级间的关系

3 结论与讨论

环刀滴水法是为自动土壤水分观测站每5～10年进行一次的田间持水量测定提出的一种新方法。本试验结果表明：采用该方法测定田间持水量是可行的；与小区灌水法相比,环刀滴水法的测量值略大,壤土两者测量值之间相差约9%，沙壤土两者测量值之间相差约5%。经综合考虑,环刀滴水法的测量结果更接近实际。

土壤样本的吸水和退水是田间持水量测定的关键环节。粘性土壤的吸水时间可为4 h,壤性土壤可为3 h,沙性土壤可为1～2 h;粘性土壤的退水时间可为4～5 h,壤性土壤可为3～4 h,沙性土壤可为2～3 h。

尽管田间持水量测量过程较为繁杂,测量数据存在不可逆性[12],尤其是对粘性土壤的测定值失真较大,但田间持水量仍是生产实践和科学研究中不可或缺的一个土壤指标。所以,宜选用多种方法在不同季节进行测定，选用最合理的测量值。

田间持水量测定结果的合理性可以用墒情评价来进行检验。