呼雷

蚌埠地區(qū)土壤田間持水量實(shí)驗(yàn)分析

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一、概述

田間持水量指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其蒸發(fā)，經(jīng)過一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量（土水勢(shì)或土壤水吸力達(dá)到一定數(shù)值）。田間持水量是一個(gè)理想化的概念，嚴(yán)格說不是一個(gè)常數(shù)。雖在田間可以測(cè)定，但卻不易再現(xiàn)，且因測(cè)定條件和排水時(shí)間不同有相當(dāng)?shù)某鋈?，故至今尚無精確的儀器測(cè)定方法。土壤田間持水量的測(cè)定，較常用的方法有圍框淹灌法、威爾科克斯法（土壤環(huán)刀法）、壓力膜（板）法（壓力膜法和壓力板法）、天然降水法等。本文采用土壤環(huán)刀法測(cè)定田間持水量。為了測(cè)定蚌埠地區(qū)的田間持水量資料,分別在皇廟站、西壩口閘站、固鎮(zhèn)閘站、仲興站、五道溝站、河溜站、何巷閘站、鮑集、夏集站、桂集站10個(gè)代表性地塊中開展田間持水量實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)方法

1.測(cè)定方法要點(diǎn)

取原狀土后，用水浸泡一定時(shí)間，使其達(dá)到水飽和，然后在砂箱中放置一定時(shí)間（本次測(cè)量從飽和含水量開始測(cè)試起），使其達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)出的土壤含水量即為土壤田間持水量。

所用環(huán)刀的體積為 100 cm3（Φ50.46mm×50mm）的標(biāo)準(zhǔn)土壤環(huán)刀。測(cè)定土壤田間持水量，必須采取土壤結(jié)構(gòu)不破壞的原狀土壤。

2.主要儀器

不銹鋼土壤環(huán)刀（體積100 cm3）；電子天平（感量0.01g，最大稱量2000g）；烘箱；鋁盒；不銹鋼土壤刀；土鏟；干燥器；砂箱；濾紙（Φ110mm）等。

3.測(cè)定步驟

（1）用天平稱空環(huán)刀重量（帶孔的底蓋、濾紙、上蓋）。

（2）選定代表性的測(cè)定地點(diǎn)，挖掘土壤剖面，用環(huán)刀取不同深度的土樣（必須保持環(huán)刀內(nèi)土壤的結(jié)構(gòu)不受破壞），用不銹鋼土壤刀削平環(huán)刀表面（不要使環(huán)刀中土表面產(chǎn)生鏡面，以使浸泡時(shí)水分難以進(jìn)入），在刀刃一端墊上濾紙并蓋好有孔底蓋和上蓋，帶回待測(cè)定。

（3）用天平稱連同墊上濾紙并蓋好底蓋和上蓋的取原狀土樣的環(huán)刀重量。

（4）去掉稱量過的環(huán)刀上蓋，將裝有原狀土樣并墊有濾紙的帶網(wǎng)眼的底蓋的環(huán)刀放入鋪有砂子（砂子粒徑在1mm左右，厚度1cm以上）的平底盆中，注入清水，并保持盆中水的高度低于環(huán)刀上沿約1～2mm（不可淹沒環(huán)刀），使環(huán)刀內(nèi)土壤浸泡達(dá)24 h以上（質(zhì)地粘重的土壤放置時(shí)間3d左右），使環(huán)刀中土壤所有非毛管孔隙和毛管孔隙都充滿了水分（此時(shí)可以看到環(huán)刀中土壤表面的空隙中都充滿了水）。蓋上上蓋以防蒸發(fā)，取出環(huán)刀，立即在天平上稱重（注意天平的防水，可在天平上放置已知重量的塑料墊盤），此時(shí)得到的土壤含水量為土壤飽和含水量。

（5）將已稱重的環(huán)刀移去底蓋、蓋上頂蓋，連同濾紙放置在砂箱中石英砂上（石英砂表層放一層大張濾紙），蓋上砂箱蓋，保持一定時(shí)間（沙土1～3d，壤土2～4d，粘土3～5d。在此過程中，使砂箱外圈水位始終保持在10cm處），分時(shí)段稱重，點(diǎn)繪退水曲線，直至環(huán)刀中土壤的水分達(dá)到平衡。

（6）提前將大鋁盒和切土刀編號(hào)稱重。濕土稱重前應(yīng)用抹布將浸泡好的環(huán)刀外壁擦干，去掉土樣環(huán)刀頂蓋、濾紙和橡皮筋，在大鋁盒中將環(huán)刀內(nèi)濕土用切土刀取出并切碎，注意不能漏損土樣至大鋁盒之外，如果發(fā)現(xiàn)土樣中含有大的植物根系和石塊等雜物，則放棄該土樣。將合格土樣整體（濕土+環(huán)刀+鋁盒+切土刀）進(jìn)行稱重記錄，之后進(jìn)行烘干操作，應(yīng)在（105±2）℃條件下持續(xù)恒溫12h。烘干后取出，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后，將烘干土樣整體（干土+環(huán)刀+鋁盒+切土刀）稱重。計(jì)算干土質(zhì)量、水分質(zhì)量。

（7）同一采集深度的3個(gè)土樣，田持的最大值與最小值之差值≤1.5%，則取3個(gè)的平均值；田持的最大值與最小值之差大于1.5%，且中間值與最大、最小值之差絕對(duì)值≤1.0%，則取相近的2個(gè)取均值；否則該樣本作廢。

三、測(cè)定成果

1.退水曲線分析

選取固鎮(zhèn)閘作為代表站分析不同土層深度的退水曲線（見圖1、2、3）。

從退水曲線可以看出，所取同一土層深度退水過程基本一致，當(dāng)所取環(huán)刀中的土樣質(zhì)量接近相等時(shí)，其退水曲線基本重合，反之則接近平行。所有土樣在控水開始3h內(nèi)，退水速度最快，往后趨于平緩，在48～72h之間重量變化逐漸趨于穩(wěn)定，最后12h的重量變化除少數(shù)達(dá)到0.15g外，大部分集中在0～0.07g，基本上可以視為恒定（此次實(shí)驗(yàn)規(guī)定最后12h前后兩次稱重之差小于0.2g即為恒定）。同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，隨著深度的增加，退水曲線相對(duì)平緩，這是因?yàn)楸砻嫱寥来蟛糠直桓鬟^，比較松散，透水性較好，吸水性較強(qiáng)；而40cm處基本沒有被耕作過，土壤比較密實(shí)，透水性較差，吸水性較弱。另外，粘土的退水變化過程比壤土的要平緩。

圖1　固鎮(zhèn)閘站10cm退水曲線圖

圖2　固鎮(zhèn)閘站20cm退水曲線圖　

圖3　固鎮(zhèn)閘站40cm退水曲線圖

2.田間持水量測(cè)定成果

土壤重量含水量按式（1）計(jì)算：

式中：w—土壤重量含水量（%）；

w1—濕土+容器的重量（g）；

w2—干土+容器的重量（g）；

w0—容器的重量（容器為編號(hào)對(duì)應(yīng)的環(huán)刀+大鋁盒+切土刀）（g）。

土壤容重按式（2）計(jì)算：

式中：r0—干容重（g/cm3）；

wg—干土質(zhì)量（g）；

v—原狀土樣體積即環(huán)刀體積（cm3）。

單站垂向平均田間持水量按式（3）計(jì)算：

從理論上講，經(jīng)過浸泡、控水、烘干處理所得的10cm、20cm、40cm深度的土壤含水率應(yīng)該是相等的。但在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，由于10~20cm深度的土壤長(zhǎng)期被耕作、施肥、灌溉、風(fēng)化等因素的影響，土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，而40cm以下的土壤很難被耕作到，土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)相對(duì)比表層土壤穩(wěn)定些。這就導(dǎo)致表層的田間持水量與下層的相比可能會(huì)有一定的偏差。

在實(shí)驗(yàn)中，因人為操作和實(shí)驗(yàn)條件有限，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得到的田間土壤持水量也有一定的影響。在實(shí)驗(yàn)取土現(xiàn)場(chǎng)中，取土樣人員在打環(huán)刀和銷土壤時(shí)如果控制不當(dāng)就會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤持水結(jié)果。土樣取回后，同一站點(diǎn)在泡土的過程中，不同的土層深度同時(shí)泡土，有的土層可能先泡好，有的后泡好，就是同一土層深度有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)不同時(shí)泡好的現(xiàn)象。而往砂箱里面放的時(shí)候，因?qū)嶒?yàn)條件有限，不能達(dá)到每個(gè)土層一個(gè)砂箱，通常同一站點(diǎn)的不同土層是同時(shí)放入一個(gè)砂箱，這也會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。有時(shí)候?yàn)榱斯?jié)約時(shí)間，甚至幾個(gè)不同的站點(diǎn)都同時(shí)泡，同時(shí)放入一個(gè)砂箱。在控水稱重過程中，稱重時(shí)間的紀(jì)錄不準(zhǔn)確對(duì)退水過程是有影響的。在砂箱中控水時(shí)，同一站點(diǎn)不同土層的樣本，有的可能先到達(dá)平衡，有的后達(dá)到平衡，按照理論到達(dá)平衡后就要立即稱重、烘干，但是在實(shí)際操作中，同一站點(diǎn)不同土層都是同時(shí)烘干，甚至有時(shí)幾個(gè)站點(diǎn)同時(shí)烘干，這對(duì)結(jié)果也是有影響的。

根據(jù)土壤的物理性質(zhì)，顆粒越細(xì)，其表面積越大，壘結(jié)后形成的空隙也就越小，對(duì)水的吸持能力就越大，田間持水量相對(duì)較高，也就是沙土、壤土、粘土田間持水量依次增大。一般情況下，沙土田間持水量為14%~20%，壤土為20%~28%，粘土為25%以上。干容重指單位容積土壤中（包括孔隙）固體顆粒的重量，單位為g/cm3。除用于計(jì)算土壤孔隙度外，在土壤調(diào)查、土壤分析和施肥及農(nóng)田基本建設(shè)和水利設(shè)計(jì)中均會(huì)使用。其大小受質(zhì)地結(jié)構(gòu)的影響很大。沙土中的孔隙粗大，但數(shù)目較少，總的孔隙容積較小，故容重較大；反之粘土孔隙容積較大，容重較?。蝗劳两橛诙咧g。如果壤土和粘土的團(tuán)聚化良好，形成具有多級(jí)孔隙團(tuán)粒，則孔隙度顯著增大，容重相應(yīng)減小。土壤疏松（特別是在耕翻后）或土壤中有大量有機(jī)質(zhì)、根孔、動(dòng)物洞穴或裂隙，則孔隙度大而容重??；反之土壤愈緊實(shí)，容重愈大。故表土層的容重往往比心土層和底土層小。沙質(zhì)土壤容重一般為1.2~1.8g/cm3,粘質(zhì)土壤容重為1.0~1.5g/cm3。

從表1可以看出，蚌埠地區(qū)10個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的單站田持量均在允許范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求，每層干容重和單站干容重也基本符合或者接近理論數(shù)值。

表1　蚌埠地區(qū)各站點(diǎn)田間持水量測(cè)定成果統(tǒng)計(jì)表

四、結(jié)語

影響土壤田間持水量的因素有很多，如人為操作的影響，實(shí)驗(yàn)條件的限制，溫度的影響，季節(jié)的影響，地下水位的影響，氣候、地形、地貌等因素的影響。這些因素都會(huì)影響田間持水量的測(cè)定，所以說田間持水量在理論上是定值，但在實(shí)際操作中很難測(cè)得定值，而且不可再現(xiàn)。采用環(huán)刀法對(duì)蚌埠區(qū)域的土壤進(jìn)行田間持水量實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)所測(cè)定的數(shù)據(jù)分析，可以看出所測(cè)得田間持水量相對(duì)比較穩(wěn)定，基本符合常規(guī)的土壤田間持水量，在可以使用的范圍內(nèi)。因此環(huán)刀法測(cè)定土壤田間持水量相比其他方法是比較簡(jiǎn)便實(shí)用的■

（作者單位：安徽蚌埠水文水資源局233000）

（專欄編輯：張婷）