利用环刀法测定土壤水分精度的影响因素

李朝英, 郑 路,2

(1.中国林业科学研究院 热带林业实验中心, 广西 凭祥 532600;2.广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站, 广西 凭祥 532600)

土壤物理性质包括土壤结构和孔隙性、土壤水分、空气、热量和土壤耕性等。土壤水分、空气作为土壤肥力的构成要素，直接制约着土壤微生物的活动和矿质养分的转化、存在形态及其供给等。准确测定土壤物理性质对于持续培肥土壤，提高土壤生产力，实现土壤资源可持续利用等具有十分重要的意义[1-3]。目前，林业行标及国标将环刀法作为测定土壤物理性质的标准方法，用于测定土壤密度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙、总孔隙度等项目[4-6]。环刀法所需设施简单，易于操作。在国内外由土壤物理性质角度开展土壤肥力、植被生长、土壤改良等方面的诸多研究中，环刀法运用广泛[7-9]。其中，最大持水量、毛管持水量、最小持水量是土壤物理性质测定的基础项目，其测定结果用于计算毛管孔隙度、非毛管孔隙度及总孔隙度等。因此，最大持水量、毛管持水量、最小持水量的测定准确性是土壤物理性质检测的关键[10-12]。至今，有关最大持水量、毛管持水量、最小持水量测定方法方面的讨论分析未见报道，林业行标(森林土壤水分—物理性质的测定LY/1215-1999)对GB/T7835-1987进行了修订，但其方法要点陈述仍不明确，对于批量土壤样品测定缺乏指导性及可操作性。鉴于此，本试验探讨最大持水量、毛管孔隙度、最小持水量的检测条件以及环刀中滤纸及吸持水重量对测定结果的影响，以期提出适宜而明确的检测条件，为批量土壤物理性质准确检测提供参考与指导。

1 材料与方法

1.1 样地概况

试验样地位于广西友谊关森林生态系统国家定位观测站设置在中国林科院热带林业实验中心青山试验场(21°57＇—22.19°N，106°39—106°59′E)的人工林。该地区位于南亚热带季风气候区域内的西南部,日照充足,降水充沛,干湿季节明显。年均温度20.5～21.7 ℃，年降水量1 200～1 500 mm，主要地貌类型以低山丘陵为主，地带性土壤为红壤。

1.2 试验样品

2017年10月，采用环刀法于试验场人工林样地采集11个不同质地的土壤样品，各样点重复3次，测定土壤物理性质。同时取土样装入铝盒中密封，以烘干法测定土壤水分含量。另取土样风干后过10目筛，测定土壤质地[13]。

1.3 试验仪器

砂盘、水盘、环刀、烘箱、电子天平。

1.4 样品情况和试验方法

所取11个土壤样品情况详见表1。

表1 样品质地检测结果

依据林业行标方法，采样前称取空环刀重(m0)，采样后，将3组环刀土样称重得到土壤样品鲜重(m鲜)，去除上盖，放到水盘中，分别加水至低于环刀上沿1 cm处(简称半浸)、平齐环刀上沿(简称浸泡)、高于环刀上沿1 cm处(简称浸没)，分别置于水中6，12，16 h后称重(m1)。环刀取底盖放于砂上，分别在1，2，3 h后称量环刀重(m2)和滤纸重(m滤)，在砂上放置24，48，72，96 h后称量环刀重(m3)和滤纸重(m滤)。试验数据使用Excel软件统计及绘图，并进行单因素方差分析。

m干=m鲜/(1+k)

最大持水量=(m1-m干-m0)/m干×100%；

毛管持水量=(m2-m干-m0)/m干×100%；

最小持水量=(m3-m干-m0)/m干×100%。

式中：k——烘干法所测得的水分含量。m干——环刀中的干土重。

2 结果与分析

2.1 不同浸水水位及浸水时间对土壤最大持水量的影响

由图1可见，半浸、浸泡、浸没条件下所测持水量随着时间延长呈增加趋势。3种浸泡方式在环刀浸水6 h所测持水量均偏小，浸水12 h所测持水量趋于稳定，浸水16 h时所测持水量最大，表明环刀浸水时间偏短，土壤孔隙吸持水量偏低，随着浸水时间的延长，土壤孔隙吸持水量趋于最大。由表2可见，环刀浸没与浸泡12 h后测得最大持水量随时间变化较小，而半浸12 h后所测最大持水量随浸泡时间延长呈增加趋势。浸水12 h和16 h时，3种方式所测最大持水量顺序大体表现为：浸泡>浸没>半浸，且不同浸水方式所测最大持水量的SD变化范围依次分别为0.23～0.91，0.11～0.74，0.21～1.77，0.09～1.57，0.44～2.49，0.29～1.13。可见，环刀浸没12 h，16 h和半浸12 h所测最大持水量离散度较大，精密度差。浸泡12 h，16 h和半浸16 h所测最大持水量离散度较小，精密度良好。由方差分析可得，环刀半浸12 h与浸没12 h，16 h，半浸16 h以及浸泡12 h，16 h所测最大持水量有显著性差异，浸没12 h，16 h，半浸16 h与浸泡12 h，16 h所测最大持水量有显著性差异，浸没12 h，16 h，半浸16 h所测最大持水量无显著性差异，浸泡12 h与16 h所测最大持水量无显著性差异。由此可见，最大持水量的测定与环刀浸泡水位及时间均有关系。水浸没环刀，易造成土壤孔隙中空气难以及时排出，延长浸没时间，持水量增加不明显，难以趋于最大。水位低于环刀上沿，土壤中毛管作用强的小孔隙能迅速充分吸持水分，毛管作用稍弱的小孔隙水因水势能低，水重力作用使孔隙水上升速度较慢，延长半浸时间，可增加部分孔隙吸持水量。但大孔隙水因水重力作用而使得水上升高度有限，难以充满孔隙，故半浸方式下随浸水时间延长所测持水量呈增长趋势，但不易趋于最大。水位平齐环刀浸泡12～16 h，不易产生憋气现象，又因水势能高，有利于孔隙水克服重力作用，保持一定的上升速度，并上升一定高度。土壤孔隙在12 h即能充满水，所测持水量趋于最大。为了避免检测干扰，且便于操作，本试验提出测定最大持水量的适宜水位为平齐环刀上沿，适宜浸泡时间12～14 h。

图1 不同浸泡方法及浸泡时间环刀所测最大持水量

表2 不同浸水方式在浸水12和16 h环刀所测最大持水量的比较(n=3)

注：表中数据为所测最大持水量+SD,行间字母相同的表示无显著性差异(p>0.05)，字母不同的表示有显著性差异(p<0.05)。

2.2 不同置砂时间对毛管持水量测定的影响

由图2可见，环刀内土样吸持最大水量后放置在细砂表面，一定时间后可测得毛管持水量。随着置砂时间的延长，毛管持水量呈现逐渐下降趋势，置砂2 h后呈稳定趋势。这是因为土壤最大持水包含重力水和毛管水，环刀置砂后，土壤失去水源支持，孔隙中的重力水不受土壤吸附力及毛管力作用，在重力作用迅速渗流。在环刀置砂1 h前，重力水渗流速度较快，随着置砂时间延长，重力水渗流速度逐渐减慢。环刀置砂上2 h后时，重力水渗流殆尽，所测毛管持水量趋于一致。本试验所用土壤置砂2 h后重力水渗流量大小依次为：砂质壤土>壤土>粉砂壤土>黏土>粉黏土。这是因为砂质壤土、壤土、黏土的孔隙依次减小，重力水渗流速度依次减慢。由表3可见，吸持最大水量的环刀土样置砂1，2，3 h后，所测毛管持水量SD波动范围分别为0.48～2.07，0.32～1.13，0.29～0.88。环刀置砂1 h所测毛管持水量的SD较高，置砂2和3 h所测毛管持水量SD降低，且趋于一致。这说明置砂2～3 h所测毛管持水量离散度较小，精密度良好。由方差分析可得，环刀置砂1 h与置砂2和3 h所测毛管持水量有显著性差异，置砂2 h与3 h所测毛管持水量无显著性差异。可见，置砂2～3 h的重力水渗流对毛管持水量测定影响较小，毛管水的移动也未对测定结果产生干扰。置砂上2 h，3 h所测毛管持水量准确稳定，且具有一定代表性。为了保证检测结果的准确性及可比性，本试验提出毛管持水量适宜测定时段在环刀置砂2～2.5 h之间。

图2 不同置砂时间环刀所测毛管持水量

样品置砂时间/h123样130.79+2.0729.76+1.1329.39+0.88样233.98+1.3833.05+0.8932.85+0.53样324.79+1.1324.34+0.7623.99+0.69样423.08+1.3222.81+0.6322.59+0.55样530.58+1.1829.50+1.0329.12+0.71样628.84+1.5127.96+0.8627.81+0.77样726.81+1.6825.18+1.02a24.92+0.39a样828.62+1.0327.51+0.7527.20+0.45a样923.00+0.9622.70+0.5222.46+0.33a样1013.23+0.4812.38+0.3211.88+0.29a样1116.17+0.6115.10+0.4414.98+0.38a

注：表中数据为毛管持水量+SD,以置砂1 h所测结果为对照组，行间数据后无字母的表示无显著性差异(p>0.05)，有字母a的表示有显著性差异(p<0.05);以置砂2 h所测结果为对照组，行间数据后无字母的表示无显著性差异(p>0.05)，有字母b的表示有显著性差异(p<0.05)。

2.3 不同置砂时间对最小持水量测定的影响

将测定毛管持水量的环刀继续置砂一定时间后可测得土壤最小持水量。由图3可见，样4在继续置砂24 h时持水量较高，置砂48 h后持水量趋于稳定。其他土壤样品置砂24 h到48 h时所测持水量逐渐降低，置砂72 h后持水量趋于稳定。土壤毛管水包含毛管支持水及悬着水，毛管支持水借助毛管力上升并存在于土壤毛管中，且易受水位影响。毛管悬着水即最小持水量，其保持在毛管上部，不易受水位影响。因此，失去重力水的环刀再置砂上，因无水源支持，毛管支持水不断向下移动，置砂72 h后所测持水量趋于稳定。这说明毛管支持水流失殆尽，仅剩毛管悬着水。砂质壤土毛管支持水向下移动速度快于其他类型土壤，环刀置砂72 h时，不同土壤毛管支持水流失量大小依次为：砂质壤土>壤土>粉砂壤土>黏土>粉黏土。结合上文重力水流失量的比较，说明不同土壤的孔隙大小不同，其持水性也存在一定差异。

由表4可见，环刀置砂24，48，72，96 h所测最小持水量的SD变化范围分别为0.21～0.76，0.23～0.51，0.23～0.45，0.15～0.39。可见，随着置砂时间增加，土壤最小持水量SD逐渐减小，且置砂48 h后的SD趋于稳定，精密度良好。由方差分析可得，环刀置砂24 h土壤最小持水量与置砂48，72，96 h均存在显著性差异；置砂48与72 h所测最小持水量之间无显著性差异；置砂48与96 h土壤最小持水量间存在显著性差异；置砂72与96 h所测最小持水量之间无显著性差异。由此可见，环刀置砂72 h时，砂质壤土、壤土、黏土等不同类型土壤所测得的最小持水量准确稳定，且有代表性。为了保证批量土壤样品最小持水量的可比性及可操作性，本试验提出将测定毛管持水量后的环刀样继续置砂72～76 h为测定最小持水量的适宜时间。

图3 不同置砂时间环刀所测土壤最小持水量

2.4 滤纸重量变化对持水量的影响

由图4可见，试验所用7 cm滤纸干重0.31 g,浸泡12 h后滤纸及其吸持水量达1.11 g，随着置砂时间延长，滤纸吸持水量逐渐减轻。置砂2，24，48，72和96 h时重量分别为0.92，0.68，0.55，0.41，0.36 g。按常规样品的干土重150 g计，滤纸及其吸持水量在浸泡12 h后并置砂2，24，48，72，96 h时，所测持水量分别为0.73%，0.61%，0.45%，0.37%，0.27%，0.24%。可见，未将滤纸及吸持水量去除，所测最大持水量与毛管持水量高于真实值0.6%以上，误差明显。如上所述，环刀置砂72～96 h时,所测最小持水量高出真实值0.3%以下，影响较小，可忽略不计。

表4 不同置砂时间环刀所测土壤最小持水量比较(n=3)

注：表中数据为最小持水量+SD,以再置砂上24 h所测结果为对照组，行间数据后无字母的表示无显著性差异(p>0.05)，有字母a的表示有显著性差异(p<0.05);以再置砂上48 h所测结果为对照组，行间数据后无字母的表示无显著性差异(p>0.05)，有字母b的表示有显著性差异(p<0.05).以再置砂上72 h所测结果为对照组，行间数据后无字母的表示无显著性差异(p>0.05)，有字母c的表示有显著性差异(p<0.05)。

图4 滤纸放置不同时间的重量变化

3 讨 论

林业行标指出浸泡12 h(黏重土壤浸泡时间稍长)测定最大持水量，但其所述浸泡时间存在不确定性。本试验结果表明，黏土浸泡12 h，所测最大持水量准确稳定。黏土的小孔隙较多，其中毛管作用强的孔隙在12 h内充满水，管径过小的孔隙因毛管作用较弱或消失，浸泡时间延长，吸持水量有限。有研究指出土壤浸泡时间长，黏粒分散或移动可能造成孔隙堵塞[1,14-15]。本试验提出测定最大持水量的适宜时间，明确指导检测分析，有利于避免误差。尤其对未知质地的批量样品，有较强的可操作性及适用性。

林业行标方法提出毛管持水量测定时机是一个时点概念，不适用于指导批量样品毛管持水量的测定。本试验提出环刀置砂2～2.5 h所测毛管持水量不受重力水及毛管水的干扰，是测定适宜时段，这为批量样品准确检测提出了明确可行的时限，可操作性强。农业行标提出将环刀浸放于水位1～2 cm的容器中，待吸持水量充分时可直接测得毛管持水量，所测结果具有代表性。但农业行标方法不便于连续测定多项指标，所测结果易受土壤结构及物质组成干扰，与其相比，林业行标方法的检测干扰少，为优选方法。为此，本试验未以农业行标方法测定毛管水量[16-18]。

林业行标方法指出砂土、壤土、黏土最小持水量的测定时间分别是置砂24 h，48～72 h，4～5 d(96～120 h)。这使得最小持水量的检测操作繁琐。本试验结果表明壤土、黏土等多类型土壤置砂72 h后，毛管支持水已流失殆尽，所测最小持水量准确稳定。本试验对多类型土壤最小持水量的测定时间进行统一，有利于提高检测效率。由于本试验未采集到典型砂土，所用的砂质壤土与砂土有一定区别，建议实验室在测定砂土最小持水量时可进行不同放置时间的预试验，以确定最小持水量测定的适宜时间。本试验提出需去除滤纸及吸持水重量，否则对最大持水量及毛管持水量的测定有干扰，尤其对容重较小的土壤样品误差更为明显。而现有研究对此误差常有忽略。

土壤是一种具有复杂孔隙系统的自然体，土壤水受到重力、土粒表面分子引力及水分子引力等各种力的作用，并表现出不同的物理性质，各类土壤水之间的界限很难清晰划分。研究表明，若土壤质地粘紧，则重力水不易排出，甚至会暂时滞留在土壤大孔隙中，而毛管水在空间和时间上则相对稳定。因此，环刀法仍然存在难以避免的误差[1,19]。在测定过程中需准确控制检测条件及操作细节，降低人为误差。例如，为避免重力水迅速流失，测定动作应迅速；称量前务必将滤纸上粘附的砂粒清除干净；环刀置砂期间不剔除其上盖，检测环境保持恒温，减少空气流动，以减少环刀内土壤水分蒸发，避免外界因素对检测的干扰。

4 结 论

为保证准确测定土壤物理性质，本试验提出测定最大持水量的适宜水位为平齐环刀上沿，浸泡时间为12～14 h，测定毛管持水量的适宜时间为置砂2～2.5 h，测定最小持水量的适宜时间为持续置砂72～76 h。在测定最大持水量、毛管持水量时需去除环刀中所用滤纸及吸持水重量，提高检测精度。上述检测条件适用于多类型土壤，检测准确可靠，适用于指导批量样品的检测分析。

本试验所用不同类型土壤在保水性、孔隙性等方面表现出明显的物理特性，具有一定代表性。本试验对现有方法所述检测条件中的不确定性进行优化与完善，指出检测误差产生原因，提高了环刀法的可操作性及准确性，为检测批量土壤物理性质提供了有效可行的指导。