离心机与压力板仪测定土壤水分特征曲线比较

周卓丽，张卓栋†，高晓飞，曲新苗，何恩佩,2

(1.北京师范大学地理科学学部 地表过程与资源生态国家重点实验室 防沙治沙教育部工程研究中心, 100875, 北京; 2.国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心, 610213, 成都)

土壤水分特征曲线是土壤水吸力随土壤含水率变化的关系曲线，表征土壤水数量与能量间的对应关系[1]。该曲线可以反映土壤持水和供水能力、土壤水分有效性及孔隙状况[2-4]，准确高效地测定土壤水分特征曲线对水分入渗、产流过程及土壤侵蚀研究有重要意义[4-5]。国内外关于土壤水分特征曲线的测定方法较多，这些方法基于不同的原理如水力学排干、热力学蒸发等[2]，适用范围也有差异。对比不同测定方法的差异性，探究其适用条件是近年来研究关注的一个重要问题[2,6]。

目前，压力板仪法、离心机法是国内外运用最为广泛的直接测定土壤水分特征曲线的2种主要方法[7]，其测定范围为0～15 300 cm。压力板仪法的原理是通过外来压力的增加使土壤水分流出，等待土壤内部水吸力与气压平衡，以获得不同水吸力下的土壤含水率[2]。研究[8-10]认为压力板仪法的测定结果较符合野外实际排水，但测定步骤繁琐、周期较长。离心机法的原理是高速旋转产生的离心场对土壤水进行快速分离，通过调整离心机转速改变转子中土壤的水吸力，以获得不同水吸力下的土壤含水率[11]，其操作方便且测定时间较短，但在测定过程中土壤密度变化和离心时间对结果有一定影响[12-14]。2种测定方法基于不同的原理各具优势与局限性，量化这2种方法的测定差异性有利于推荐可靠、高效的测定方法。

邵明安[15]对武功重壤土的研究表明离心机和压力板仪的测定结果都较为符合土壤固有的特征曲线形状，当离心机测定考虑土壤密度变化时，准确度高于压力板仪。刘思春等[16]认为压力板仪测定塿土的土壤水势最为准确，而离心机的测定结果偏高。Reatto等[6]对比测定巴西热带土壤的持水特性，认为2种方法测定结果相似，而离心机法耗时少是1种便捷高效的方法。这些研究多为用一种或多种方法对同一区域土壤进行对比测定，难以综合反映土壤特性对仪器测定精度的影响，而关于不同性质土壤的对比研究还鲜有报道。土壤水分特征曲线受土壤性质的影响较为明显[17]，不同性质土壤的平行对比研究对深入探讨测定方法间的差异性和适用性具有重要意义。

我国水蚀区覆盖范围广，自然地理环境复杂，土壤类型多样，为研究水蚀区主要土壤类型的测定差异，笔者选取黑土、黄绵土、红壤、褐土和紫色土为研究对象，采用目前普遍应用的离心机和压力板仪2种方法，进行土壤水分特征曲线测定过程和结果的对比研究，系统对比离心机和压力板仪测定多种土壤类型的土壤水分特征曲线的差异，为不同实验条件下土壤水分特征曲线、土壤孔隙特征等物理性质的测定提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品获取

笔者选取黑土、黄绵土、红壤、褐土和紫色土5种土壤类型，采样地点位于北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室房山综合实验基地(E 115°42′30″, N 39°35′00″)的5个径流小区。运用环刀法采集土样，每种土壤类型为匹配离心机的四转子平衡结构在离心机中各做4组平行实验，在压力板仪中各做3组平行实验。5个径流小区均为人工填充小区，5种土壤类型的土壤密度、机械组成和有机质数据[18]由表1所示。

表1 5种土壤类型的理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of 5 soil types

1.2 实验方法

1.2.1 离心机测定实验 笔者采用Kokusan H- 1400 pF型离心机测定：样品采集后，用没过底盖深的水浸泡土壤至湿润，再加水至与环刀顶部平齐，浸泡至土壤水饱和。设定离心转速为100、400、700、1 300、1 600、2 300、4 100、5 200、6 200、7 500和9 100 r/min，分别对应土壤水吸力10、30、96、333、504、1 000、3 300、5 000、7 000、10 000和15 300 cm。测定所有转速下的含水率，从转子中取出环刀，称量、记录此时环刀和内部土壤的总质量，最后置于105 ℃烘箱中烘干，8 h后取出环刀并称量、记录烘干后环刀和内部干土的总质量，根据各吸力下土壤水质量和环刀容积计算出对应的体积含水率。

1.2.2 压力板仪测定实验 笔者采用Soil Moisture 1500型压力板仪测定：首先将环刀内土壤浸泡至饱和，并用去离子水浸泡压力膜板至饱和。设定气压为0.03、0.1、0.33、1、3、5、10、15 bar等，每级气压平衡至腔内没有水排出。将土样分别放入铝盒，称量、记录土样和铝盒的总质量。最后将土样置于105 ℃烘箱中烘干，8 h后取出量、记录干土和铝盒的总质量。根据烘干前后的土壤质量及土壤密度计算出各压强下的土壤体积含水率。并将压强单位转化为厘米水柱，得到各土壤水吸力对应的土壤体积含水率。

1.3 数据处理与分析

对各组平行实验的重复测定计算平均值，其中低吸力段测定的含水率标准误差较明显。在Origin 2017中绘制土壤水吸力和土壤体积含水率的log10h～θ曲线，对比各种土壤类型的持水特征。以1 000 cm吸力为界[19]，将数据分为低吸力段(0～1 000 cm)和高吸力段(>1 000～15 300 cm)。为判断2种方法在不同土壤类型的测定差异的显著性，在SPSS 21中对2种方法测定的5种土壤类型数据进行配对样本t检验[20]。分析不同吸力范围离心机和压力板仪测定的土壤体积含水率的相关性，并绘制1∶1线对比2种方法的差异。根据土壤性质(表1)，分析2种方法测定差异的原因。

2 结果与分析

2.1 土壤水分特征曲线测定结果

图1为离心机和压力板仪测定的5种土壤水分特征曲线。离心机的测定结果(图1a)表明，红壤的饱和含水率最高，紫色土居中，褐土最低，土壤饱和含水率主要受砂粒含量、土壤密度及孔隙分布状况的影响[21]。土壤水吸力为10 cm时的含水率与饱和含水率相比变化不大。当土壤水吸力为30～15 300 cm时，5种土壤的含水率随着土壤水吸力的增加，差异逐渐增大，主要体现在黑土和黄绵土。黑土有机碳、黏粒含量高(表1)，黏质土壤小孔隙多，表面能较大，在各个吸力段持水能力均最强[1]。黄绵土的含水率变化范围最大，当土壤水吸力上升到333 cm时，黄绵土的含水率在5种土壤中最低。红壤、褐土、紫色土含水率大小相似，处于中等，当土壤水吸力≤1 000 cm时，红壤失水率最快，紫色土居中，褐土最小；土壤水吸力>1 000 cm时，3条水分特征曲线几乎平行，该吸力段土壤中的大、中孔隙均失水完毕，含水率的变化主要是由于极小的毛管失水造成的，失水量在这3种土壤间的差异不大。

图1 离心机和压力板仪测定的5种土壤水分特征曲线Fig. Soil water retention curve of 5 soil types determined by centrifuge and pressure plate

压力板仪测定的结果总体规律与离心机测定的结果相似，各个吸力段黑土的土壤含水率最大，黄绵土最小，其他3种土壤类型介于之间(图1b)。不同的是，这3种土壤在≤1 000 cm吸力段，褐土和红壤保水能力差，失水速率较快，而紫色土最慢。此外，褐土的曲线在高吸力段出现了明显的偏差，10 000 cm吸力的含水率小于15 300 cm含水率，不符合土壤水吸力越大含水率越低的规律，可能是由于环刀采样区域受外界影响，土壤内存在一些不利于排水的团块使得虽然停止排水但土壤内外压强不平衡，类似的现象在Gee等[22]的研究中也曾指出。

2.2 土壤水分特征曲线的测定差异比较

图2 2种方法测定不同土壤类型的水分特征曲线差异比较Fig.2 Comparison of 2 methods for determining soil water retention curve of 5 soil types

图2对比不同土壤类型下离心机和压力板仪测定的土壤水分特征曲线。对于黑土而言，2种方法的测定结果以1 000 cm吸力为界向两端差异逐渐增大，离心机的测定结果在330 cm吸力更接近高晓飞等[4]测定的不同程度侵蚀黑土的含水率，而在15 000 cm吸力压力板仪的测定结果更接近。离心机测定黄绵土的体积含水率均高于压力板仪，且2种方法测定的差异随着吸力的增加有增强的趋势。笔者研究低吸力段离心机测定的含水率较甘肃黄绵土的结果高[23]，孔隙分布更为均匀，当吸力增加时含水率变化小，水分特征曲线更为平缓[1]。笔者发现2种方法测定的红壤含水率在高吸力段结果相似，特别是在10 000和15 300 cm吸力结果几乎重合，且>1 000 cm水吸力时与于元芬等[24]的结果较为接近；但在≤1 000 cm水吸力范围本研究测定的含水率明显高于于元芬等[24]的结果，可能原因是笔者采用的红壤土壤密度更小，低吸力段的保持的水分更多。褐土和紫色土的测定结果以504 cm水吸力为界，>504 cm吸力段压力板仪测定含水率小于离心机测定结果，<504 cm吸力段则正好相反。与晋西黄土区的褐土土壤水分特征曲线[25]相比，本研究中离心机的测定结果更为接近。与王红兰等[2]测定的紫色土的结果相比，本研究低吸力段离心机测定的紫色土的含水率与其沙箱法测定的结果较为相似。总体上，由于压力板仪低吸力段可获取的点较少[26]，本研究5种土壤低吸力段的离心机的测定结果与已有研究更为接近，高吸力段则不一定。

2.3 测定差异的统计分析

表2中总体上2种方法测定的5种土壤的总样本在所测吸力段具有极显著差异(P<0.01)。2种方法测定黄绵土0～15 300 cm吸力段的差异极显著(P<0.01)，其他土壤类型均不显著。在高吸力段，黑土、黄绵土、褐土、紫色土2种方法测定的差异极显著(P<0.01)，而在低吸力段没有显著差异，表明这4种土壤类型的测定差异主要在高吸力段。红壤与其他4种土壤类型不同，2种方法主要在低吸力段有显著差异(P<0.05)，高吸力段无差异。

表2 2种方法测定差异的配对样本t检验Tab.2 Paired samples t test of the differences between the two methods

对离心机和压力板仪测定的土壤含水率进行比较(图3)，2种方法测定的土壤含水率趋于一致。其中红壤和紫色土数据点分布最接近1∶1线，黄绵土和黑土其次，而部分褐土的数据点偏离1∶1线较远。图3a显示出2种方法测定的含水率数据分布具有明显的分段特征，因此进一步将其分为不同吸力段对比。在低吸力段，大部分数据点的分布低于1∶1线(图3b)，说明压力板仪测定的土壤含水率高于离心机测定结果，但配对样本t检验的结果表明这种差异不显著(表2)。在高吸力段，数据点落在1∶1线上或高于1∶1线(图3c)，表明离心机测定的土壤含水率显著高于压力板仪测定结果。

图3 2种方法测定的土壤含水率比较Fig.3 Comparison of 2 methods for determining soil water contents

2.4 测定差异的原因分析

前述结果表明5种土壤类型在高吸力段和低吸力段的差异大小不同，这些差异主要与土壤性质有关。土壤水分特征曲线受土壤质地及孔隙分布的影响较大[11]。高吸力段的含水率主要受小孔隙影响[27]。这5种土壤由于长期侵蚀，其性质较原始土壤发生变化。土壤机械组成的测定结果表明黑土和紫色土黏粒、粉粒含量均较高，而褐土、黄绵土的粉粒含量较高(表1)。这4种土壤质地较细，水吸力大，中、小孔隙中保持的水分较多[17]，需要在压力板仪中平衡的时间更长，土壤内部排水不彻底可能导致高吸力段2种方法的测定结果有显著差异。而红壤砂粒含量明显高于其他4种土壤类型(表1)，保持在中、小孔隙中的水分相对较少，测试土样排水较为充分，高吸力段2种方法测定结果差异不显著。另外，褐土、黄绵土、紫色土和黑土高吸力段，主要表现是离心机法测定的数值偏高，压力板仪法偏低，可能原因是离心机法中大孔隙挤压成小孔隙，残留的水较多。在离心机测定过程中发现有少量土壤残留在转子内，这也可能导致土样的离心半径较小，测定结果偏高。

低吸力段的含水率主要受大孔隙影响[27]。离心机测定的过程中，低吸力段土壤体积可以观察到有明显的压缩，大孔隙受到容重增大的影响比小孔隙更明显，体积被压缩会造成大孔隙中的水被挤压排出，离心机测定的含水率偏低；因此，砂粒含量较大的红壤，低吸力段离心机的测定显著小于压力板仪的测定结果，而其他土壤类型2种方法的测定差异不显著。邵明安[15]、吕殿青等[28]在研究中也指出，在低吸力范围内随离心机转速增加土壤密度明显增大，对土壤含水率的测定产生影响。另外，压力板仪测定过程中土壤收缩造成土样与压力板贴合不紧密或导水通道被土壤胶体堵塞，影响水分排出[2,26,29]，均可能造成压力板仪测定的含水率较离心机偏高。

2种方法测定差异受土壤性质的影响明显，尤其是在不同吸力段。压力板仪测定黏粒含量高的土壤，高吸力段因小孔隙排水不够充分，与离心机测定结果存在差异。离心机测定砂粒含量高的土壤，低吸力段土壤体积被压缩，大孔隙失水快，含水率显著低于压力板仪测定结果。不同方法对比测定多种土壤类型的水分特征曲线，能为高效、准确地选择适合的测定仪器提供科学依据。

2.5 离心机和压力板仪的应用建议

在仪器成本上压力板仪较离心机低，更易普及。在操作上离心机更为简单，测定耗时较短，测定1种土壤类型0～15 300 cm吸力段的土壤含水率约1 d；而压力板仪操作难度较高且具有一定危险性，测定耗时长，稳定1个压力值至少3 d。在测定精度上，离心机的测定误差主要来源于体积压缩导致土壤密度变化，以及土壤在离心过程中随水分一起排出环刀导致土样的离心半径较小等。已有研究认为压力板仪的测定对土壤密度的改变小，因而更符合田间排水实际[2,16]，但其测得的低吸力段数据较少，不能准确反映低吸力段的持水特性[26]，其测定误差主要来源于平衡时间不足或其他原因导致的水分未充分排出，以及无法针对同一土样进行连续测定导致土样间存在个体差异等。

在选择合适的方法测定土壤水分特征曲线时，应考虑到土壤质地与孔隙分布特征。2种方法测定黏粒、粉粒含量高的土壤在高吸力段存在显著差异，而测定砂粒含量较大、大孔隙较多的土壤类型，2种方法的测定结果具有较好的一致性。当2种方法的测定结果无显著差异时，有测定条件的情况下，为提高效率，离心机法是一种较为合适的选择，但需要注意土壤体积压缩问题。如果选择压力板仪，需要注意其平衡时间，尤其是存在小孔隙较多的土壤类型。由于质地不同的土壤，不同吸力段的排水特征也不同，在测定土壤水分特征曲线时综合考虑效率和精度，低吸力段和高吸力段可分别采用不同的方法测定。

3 结论

在低吸力段压力板仪可获取的点较少，离心机测定的精度相对较高，但质地较粗的土壤类型受密度变化的影响明显导致离心机测定结果偏低；在高吸力段，对于黏粒、粉粒含量高的土壤类型，压力板仪测定过程中排水不充分导致测定结果不精确，离心机法相对更为适用。本研究中离心机和压力板仪的测定结果存在一些规律性的差异，可以考虑分高、低吸力段测定，根据土壤性质选择适合的方法。然而，哪种测定方法更接近真值难以断定，后续研究可增加其他仪器测定，以提供多组数据参考，更准确地分析误差来源并推断真值。

感谢北京师范大学地理科学学部张科利教授对本研究的指导，感谢王丝桐、帅许红、程卓等在采样及实验过程中的协助。