环刀法在干旱半干旱地区田间持水量测定的改进与应用探讨

郭富兴

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114002)

田间持水量是指土壤毛管悬着水达到最大数值时的土壤含水量，即土壤束缚水达到最大数值时的土壤含水量。它是衡量田间土壤保持水分能力的重要指标，被视为对作物有效土壤水分的上限，对农田灌溉和作物水分管理具有十分重要的意义[1]。环刀法为室内测定田间持水量方法之一，利用环刀在监测地块采集原状土带回实验室，在人工干预条件下，使土样含水量达到田间持水量状态，采用人工取土烘干法测量环刀内土壤样品含水量，即为监测地块的田间持水量[2]。辽宁省人工墒情监测站无土壤田间持水量数据，不利于旱情分析预报工作[3]。按照水利部关于加强人工墒情信息报送相关文件要求，需要开展95处人工墒情站的田间持水量测定工作。实际工作中在采用传统环刀法进行土壤田间持水量测定时，过于湿润的土壤在削平环刀刃口时土壤孔隙结构会遭到破坏，从而易产生“镜面”效应，导致浸泡时水分难以进入；而处于较干燥状态的土壤在削平环刀刃口时会造成环刀内土壤脱落，影响原状土结构，对土壤田间持水量测定精度产生较大影响。为提高田间持水量测定精度，许多区域针对传统环刀法的土壤采样方法进行改进并应用[4-15]，但是在干旱半干旱地区该方式的改进还未得到应用。为此本文从提高干旱半干旱地区田间持水量测定精度的角度出发，对传统环刀法进行改进并应用，研究成果对于环刀法取样工作有积极的指导意义。

1 环刀法田间持水量测定步骤

环刀法为室内测定田间持水量方法之一，利用环刀在监测地块采集原状土带回实验室，在人工干预条件下，使土样含水量达到田间持水量状态，采用人工取土烘干法测量环刀内土壤样品含水量，即为监测地块的田间持水量，其主要测定步骤如下。

(1)田间采样。在3个土层深度分别为10、20、40cm进行均质土壤采样，每个深度采集3个土壤样本，可在一次有效降水后对土壤进行采样，采样人工浇水方式对表层土壤无积水的土样进行处理和采集。耕种层的黏土和壤土采样通过平行开挖方式进行剖面土壤的采集，垂直取土方式主要用于耕作层土壤为砂土质地的土壤采集。

(2)土样吸水。在平底盆中铺设砂子进行原状土壤环刀采集后，清水逐步向平底盆中注入，当环刀顶部高于水面1～2mm时注水逐步停止。在土样浸泡过程中不要让环刀淹没在水中，在缓慢注水过程中保持环刀上沿高于水面1～2mm稳定变幅。环刀采集的土样在水中浸泡的时间不低于24h，其中砂土、壤土在水中均匀浸泡的时间不超过1d，而黏土均匀浸泡的时间为2～3d。

(3)土样退水及称重。采用相对稳定的时间间隔进行饱和土壤样本及沙箱的称重，当不同时间间隔内质量测定重量的差距低于0.5g时可停止称重，对土壤含水率的退水变化进行过程线的绘制，其中砂土、壤土的含水量退水时间一般稳定在1～3d内，黏土的退水时间一般稳定在3～7d内。外置水箱在各土样退水过程中一直稳定在10cm变化。

(4)烘干及称重。对湿润的土壤样本进行碎片切割处理后进行总量称定和烘干处理，烘干处理温度控制在105℃之内，上下可浮动的温度为2℃，烘干时间长度一般为12h，烘干后经过冷却处理再对土壤样本进行质量称定。容器质量称重需要包含环刀、铝盒以及切土刀的总质量。

(5)计算田间持水量。不同土壤深度下的田间持水量采用算术平均方法计算，垂线平均田间持水量采用土层深度的加权平均法计算。

(6)合理性检验。按土壤质地检验、用以往成果检验、用历史旱情评价结果检验、用有关文献资料检验。若不合理，需重测。

2 仪器设备及沙箱制作方式

2.1 采样工具及设备

环刀(容积100cm3，Φ50.46×50，包含上、下盖)、环刀柄、铁锹、锤子(橡胶或实木)、厘米尺、整平尺、铝盒、削土刀、切土刀、滤纸、胶带或橡皮筋、盛水容器、石英砂(粒径小于1mm)、筛子(孔径1mm)、托盘、天平、电热恒温干燥箱、干燥器、沙箱，沙箱示意结构如图1所示。

图1 沙箱结构示意图

2.2 沙箱制作

为提高土壤田间持水量的测定精度，土壤样本的退水采用统一的沙箱进行处理。石英砂毛管在1个标准大气压下的粒径需要低于1mm并保持60cm的浸润高度。因此，石英砂层在沙箱内以及外置水箱补水高度分别为70和10cm，毛管水在石英砂补水层的高度为60cm。上部石英砂补水层高度超过60cm则会对采样土壤外部水分进行吸收，从而降低田间持水量的测定精度。反之会使得其土壤下渗水分减少，使得田间持水量测定误差加大。

(1)沙箱构件。采样不锈钢材质对沙箱的分沙桶和外置水箱进行圆筒立式架构。沙箱的高度一般为80cm，分沙桶的直径在40～60cm之间，内壁厚度大于1mm。底部设置4～8个直径不大于1cm的通水口。沙箱在外部放置的水箱高度一般为10cm，水箱内部宽度为50～70cm较为适宜，内壁宽度大于1mm。

(2)筛砂。筛子采用1mm的孔径进行石英砂的筛选，去除颗粒的直径高于1mm，石英砂毛管只有在粒径低于1mm时浸润高度才可以达到60cm。

(3)洗砂。对砂粉和灰尘混杂在石英砂中的颗粒采用清水冲洗的方式进行去除。

(4)装箱。石英砂采用水夯压实法进行不同深度的充填。沙箱中装入洗砂，至少按照2个分层进行充填，采用砂面以上注水的方式进行不同分层的石英砂充填，使得各分层石英砂在自然过滤状态下逐步下渗，当沙面低于水面高度时，再进行下一层石英砂的铺设，这主要是为了将空气和孔隙置于石英砂间隔中进行有效去除，对毛管孔隙结构在田间持水状态下进行模拟并满足试验需求。采用整平方式对最后一层铺设的石英砂进行注水后的砂面处理，砂面干燥后需要进行2h以上的静置处理，完成沙箱成品的处理，其实物结构如图2所示。

图2 沙箱实物

3 采样方法

3.1 土壤开挖

土壤开挖有2种方法：主要分为垂直和水平2种剖面开挖取土的方式。水平开挖取土主要应用于耕作层为黏土和壤土的土壤采集。砂土耕作层采用水平开挖垂直取土法。剖面开挖水平取土法：取土坑尺寸不小于60cm*40cm*50cm(长*宽*深)，按土壤剖面层次，自上至下用环刀在每层的中部采样，如图3所示。

图3 剖面开挖水平取土法采集土样开挖深度及环刀位置示意图

采集10、20、40cm深度的土样时，将环刀轴心位置分别对准土层10、20、40cm处即可。根据采集深度以及环刀高度对水平开挖剖面进行综合确定，其深度计算方程为：

h=H-L/2

(1)

式中，h—开挖深度，cm；H—采集深度，cm；L—环刀高度，cm。

以Φ50.46mm×50mm的环刀为例，当土壤采集深度为10cm时，采集深度H以及环刀高度分别为10和5cm，则开挖深度按方程(1)计算为7.5cm。对土壤表面按照此深度进行整平处理，将环刀下压充分没入土壤，环刀中心线在此时的深度为10cm，如图4所示。

图4 水平开挖垂直取土法采集土样开挖深度及环刀位置示意图

3.2 环刀切入

在采样前对采土层进行铲平处理，提前将编号以及重量称定完成的环刀刀刃缓缓切入到采集土样中。在土样切取时应尽量避免环刀歪斜。从而保证切入垂向均匀受力，环刀手柄选用橡皮锤，敲击的力度和落点适宜，震动幅度尽量降低，使得土壤内部孔隙结构不被破坏。当土壤内部充满环刀时切入停止，以免土壤结构因受土壤挤压而被破坏。

3.3 挖取土样

采用水平开挖方式取土时，应尽量在环刀全部切入后统一挖取土样，垂直进行土样开挖后，环刀切入应保持在同一深度进行，周围土壤采样用铁锹统一开挖，将环刀采样土裹在刀刃口段整体取出，从而避免刀刃口段取出时将端口的土壤连带取出，破坏原有土层结构。削土刀应尽量不采用环刀，在土样装满后取出环刀，环刀外壁土壤采样用削土刀削平，多余土壤从两端削去，环刀容积恰好和环刀内土壤体积相似。环刀刃口端面与削土刀侧面呈现10°左右的倾角，避免环刀土壤表面被削土刀侧面抹平，出现“镜面”影响，使得水分在浸泡时很难渗透。环刀采样现场如图5所示。

图5 环刀取样示意图

3.4 土样保存与运输

孔底盖在环刀刀刃端覆盖的滤纸上部，不能破坏底部滤纸，从而影响土壤样本的排水效果，顶端盖在环刀刀刃的另一端，外壁附土需要擦拭干净，如图6所示。顶盖的环刀和底盖需要使用橡皮筋或者胶带进行密封处理，以免出现脱落现象，在纸箱带有减震措施的内部放置环刀，尽量降低环刀在运输过程中对原状土壤样本的破坏影响。过于潮湿或者干燥的环境不适合存放采用环刀进行采集的土壤样本。需要尽快进行室内试验测定从而避免土壤结构受到不同程度改变。

图6 环刀结构及刀刃口覆盖滤纸示意图

4 田间持水量测定

4.1 土样吸水

土样吸水的目的是让土壤含水量达到饱和状态。同一测站样本土壤质地大致相同，最好同时一起浸泡，以便提高工作效率。打开顶盖后将原状土样的环刀在厚度为1cm以上的砂子层进行铺设，而后缓慢注入清水，当环刀顶部高于水面1～2mm时停止注入清水。在这个过程中土壤样本的浸泡时间不小于24h，确保壤土和砂土的土壤样本的浸泡时间不低于1d，黏土类型土壤样本的浸泡时间在2～3d，土壤在环刀内水分区域饱和，这个时候可以看见水分在土壤表层孔隙之间均匀充满，水膜覆盖在土壤表层。浸泡时间过短土壤毛细管不能完全吸收水分。浸泡时间过长会使土壤表面出现“液化”现象，土壤表面涨出或塌落，改变原有孔隙度，如图7所示。

图7 试验土样吸水

4.2 退水及称重

保持沙盖附着一段时间后，使得各类采样土壤水分达到田间持水的状态，总量测定需要分不同时段进行，环刀质量与监测时间的变化过程为退水过程，在天平称重前进行调整和校准。每隔3h对沙箱进行一次称重，第2d每间隔6h进行一次称重，第3d每间隔12h进行一次称重，当质量差低于0.5时停止称重。不同类型土壤田间持水量退水节点出现时间不同，砂土以及壤土一般在3d以内，黏土一般在3～7d内达到退水节点。外置水箱在退水过程的深度稳定在10cm，目的是使沙箱中的石英砂保持毛细悬着水，不从土样中吸取除重力水以外的多余水分，使环刀中土壤垂向运动的水分达到平衡。土样环刀重量包括环刀、环刀顶盖、湿土、环刀自带滤纸、橡皮筋和托盘的重量；为防止饱和土壤渗水影响天平(尤其是电子天平)称量精度，不能将环刀直接放在天平上称重，需放置在同一托盘上一起称重。每次称重前，均需要拿抹布擦干环刀顶盖及环刀壁水分和托盘水分，托盘不能随意变更，要固定同一个，以免因变更而影响称重质量。

4.3 烘干及称重

需要提前对切土刀和大铝盒进行编号和重量的称定。在湿土称重前用抹布擦拭浸泡好的环刀外壁。在环刀顶盖去除滤纸和橡皮筋，用切土刀在大铝盒中将湿土从环刀内取出切碎，不能将土样放到大铝盒外部以免影响质量称定，去除大石块以及包含在土壤中的植物，将处理合格的土样进行整体称重，并将温度控制在105±2℃进行烘干处理。烘干后需要进行室温冷却处理，并整体称重。对土壤水分以及土壤质量进行计算。部分田间持水量测定计算见表1。

表1 辽宁省部分站点田间持水量测定计算结果

4.4 合理性检查

田间持水量的合理性检查可以从4个方面进行。

(1)砂土田间持水量一般在15%～21%之间，壤土在22%～29%之间，黏土的田间持水量一般高于25%，相同质地类型的土壤其田间持水量的差异度一般较低。

(2)复测成果应与现有田持成果进行比较，若差距较大应查明原因，经论证后采用。

(3)利用该站历史旱情资料检验，即利用复测成果评价历史旱情等级，评价结果符合生产实际即为合理。

(4)利用有关文献资料、成果(如农业部门的田持成果)进行对照检验。

经检验，若田间持水量测定结果不合理，需重新测定。

5 结语

(1)同一深度的3个采样点土壤田间持水量最大和最低值之差应在±1.5%以内，若高于±1.5%，而中间值与高低差之间的绝对差值低于1.0%，则建议取中间值作为测定的田间持水量测定值。

(2)每层深度采集的3个土样土壤重量含水量监测结果最大值与最小值之差的绝对值应小于1.5%；若绝对值大于1.5%，且中间值与最大、最小值之差绝对值小于等于1.0%，则取中间值；否则，土样不具有代表性，建议重新采样。

(3)在沙箱样品浸泡过程中，若有个别样品浸泡时间特别长，建议采取用针在环刀土壤表面刺孔的措施，通过实际应用这种处理方式效果较为显著。

(4)对于部分样品中含有石子和植物根系的土壤，在数据处理时发现这类样品数据偏差较大，对于此类型土质田间持水量的测定还需进一步深入探讨。