羅清元，楊 丹，劉麗娜，郭恒亮

(1.河南省水文水資源局，鄭州 450003；2. 河南省周口水文水資源勘測(cè)局，河南 周口 466000；3.河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，鄭州 450018；4.鄭州大學(xué)智慧城市研究院，鄭州 450001)

0 引 言

土壤田間持水量是指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或者降水后，土壤含水量達(dá)到飽和，排除重力水后，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤含水量，一般用百分?jǐn)?shù)表示[1,2]。田間持水量是土壤所能保持的最高含水量，常常被用來(lái)計(jì)算灌溉定額和評(píng)估灌溉上限，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及抗旱有著重要的指導(dǎo)意義[3]。

河南是農(nóng)業(yè)大省，全省耕地面積為792.6 萬(wàn)hm2，居全國(guó)第3 位，是全國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。近幾年，河南省連續(xù)發(fā)生了不同程度的旱災(zāi)，春旱和秋旱時(shí)有發(fā)生，影響了糧食生產(chǎn)。根據(jù)土壤含水量及田間持水量等成果，及時(shí)進(jìn)行抗旱減災(zāi)對(duì)保障糧食安全具有重要的支撐作用。目前，研究田間持水量的內(nèi)容也較多，但多是在常溫條件下，沒(méi)有考慮到不同土壤類型、溫度和季節(jié)變化對(duì)田間持水量的影響[4,5]。本文在土壤顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取典型區(qū)域，在不同季節(jié)開(kāi)展不同質(zhì)地土壤的田間持水量測(cè)定，對(duì)全面掌握河南不同區(qū)域、不同質(zhì)地的土壤田間持水量和干容重等基本土壤參數(shù)具有重要意義，可為農(nóng)田灌溉、防汛抗旱決策提供更科學(xué)的依據(jù)[6]。

1 材料與方法

1.1 取土范圍

根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL364-2015)站點(diǎn)布設(shè)要求，墑情站最低布設(shè)密度為：國(guó)家糧食主產(chǎn)區(qū)和易旱區(qū)3～5站/縣，一般地區(qū)2～3站/縣。目前，河南省158個(gè)縣(市、區(qū))共布設(shè)有122處人工墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，監(jiān)測(cè)覆蓋率為77.2%，完全符合要求，基本可以反映全省土壤墑情情況[7]。

為了全面掌握全省土壤質(zhì)地類型，同時(shí)，也為了便于試驗(yàn)站點(diǎn)的選取，本文對(duì)122處人工墑情監(jiān)測(cè)站的土壤全部進(jìn)行了采樣，采樣深度分別為10、20、40 cm。隨后，根據(jù)試驗(yàn)需要對(duì)其中的典型站點(diǎn)分季節(jié)再進(jìn)行取土。

1.2 研究方法

土壤質(zhì)地是土壤物理性質(zhì)之一，是土壤中不同大小直徑的礦物質(zhì)顆粒的組成狀況，根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，土壤質(zhì)地可以分為砂土、壤土、黏壤土、黏土4大類12級(jí)。但是，根據(jù)河南的土壤質(zhì)地實(shí)際情況，一般在進(jìn)行土壤質(zhì)地研究時(shí)，常常將黏壤土類也歸入壤土類，可分為三大類：砂土類、壤土類、黏土類，12級(jí)。本次研究首先采用土壤分類方法對(duì)土壤進(jìn)行分類，然后使用顆粒分析試驗(yàn)來(lái)確定122個(gè)站點(diǎn)的土壤質(zhì)地，根據(jù)各站點(diǎn)的土壤質(zhì)地選取砂土、壤土和黏土3種類型中具有代表性的3個(gè)站點(diǎn)，再開(kāi)展不同環(huán)境下的田間持水量研究，其實(shí)驗(yàn)和研究流程見(jiàn)圖1。

圖1 研究流程圖Fig.1 Research flow chart

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 顆粒分析試驗(yàn)

顆粒分析試驗(yàn)是土樣在干燥狀態(tài)下，測(cè)定土壤中各種顆粒所占的百分比的方法，以此確定土壤中顆粒大小的分布情況，為土壤分類和了解土壤性質(zhì)提供依據(jù)。顆粒分析試驗(yàn)的方法一般包括篩析法、密度計(jì)法等。當(dāng)土的粒徑d大于0.075 mm時(shí)，可使用篩析法；粒徑d小于0.075mm時(shí)，可使用密度計(jì)法；粗細(xì)兼有時(shí)，可使用篩析法并配合密度計(jì)法。鑒于本文所取土樣從視覺(jué)來(lái)看粗細(xì)兼有，因此本文先使用篩析法對(duì)較大顆粒進(jìn)行篩選判斷，然后將較小顆粒使用密度計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 田間持水量測(cè)定

田間持水量測(cè)定方法包括室外測(cè)定法和室內(nèi)測(cè)定法，室外測(cè)定法即小區(qū)灌水法，在野外田間進(jìn)行，但使用該方法時(shí)間長(zhǎng)任務(wù)量大，對(duì)一些土壤類型還具有局限性，因此該方法使用較少；室內(nèi)法是環(huán)刀法，該方法試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用。

在使用環(huán)刀法測(cè)定時(shí)，按照《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL364-2015)實(shí)施。但在土壤飽和時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果黏土使用規(guī)范中的浸水飽和法，飽和時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大大拖延試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)，由于浸泡時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)造成土樣嚴(yán)重松散和變性。所以本文根據(jù)不同土壤特性，砂土和壤土類采用了浸水飽和法，而黏土類飽和則引入了土工試驗(yàn)中的真空飽和法，使用真空缸和抽氣機(jī)，借大氣壓力使試樣飽和，大大加快了土壤飽和的速度[8,9]。

1.4 田間持水量計(jì)算

根據(jù)記錄的試驗(yàn)結(jié)果，各站點(diǎn)土壤田間持水量計(jì)算方法為：

(1)

式中：ω為田間持水量，%；m為濕土質(zhì)量，g；md為干土質(zhì)量，g。

土壤干容重是指土壤空隙中不含水分時(shí)的密度，即固體顆粒的質(zhì)量與土的總體積之比值，它是反映土壤密實(shí)度的指標(biāo)，對(duì)防汛時(shí)前期影響雨量的計(jì)算和抗旱時(shí)農(nóng)田灌溉需水量的計(jì)算都有重要的意義[8,9]。其計(jì)算表達(dá)式為：

(2)

式中：ρd為干容重，g/cm3；V為環(huán)刀體積，cm3。

2 成果與分析

2.1 顆粒分析成果

通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)，得到土壤顆粒級(jí)配曲線，根據(jù)黏粒(d<0.002 mm)、粉粒(d=0.002～0.02 mm)、砂粒(d=0.02～2.0 mm)它們各自所占百分比，查國(guó)際制土壤質(zhì)地分類三角坐標(biāo)圖，進(jìn)行土壤分類。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和土壤分類標(biāo)準(zhǔn)，全省122個(gè)站點(diǎn)土樣可分為4種，即：粉砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)壤土、壤土、砂壤土。其中，粉砂質(zhì)黏土有15個(gè)站，粉砂質(zhì)壤土有96個(gè)站，壤土有7個(gè)站，砂壤土有4個(gè)站，全省各類土壤所占比例見(jiàn)圖2，可見(jiàn)，壤土類在河南省所占比例最大，占84.7%，即河南省以壤土類土壤居多，其中，粉砂質(zhì)壤土占79%，壤土占5.7%。

圖2 不同質(zhì)地土壤所占百分比圖Fig.2 Map of percentage of soils with different textures

2.2 不同季節(jié)典型區(qū)域田間持水量的測(cè)定

2.2.1 典型區(qū)域的選取

由于采樣站點(diǎn)較多，顆粒分析試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，2017年完成了122個(gè)站點(diǎn)的全部顆粒分析試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本次研究在全省范圍內(nèi)選取了壤土、砂土和黏土所分布的典型區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行田間持水量的測(cè)定和分析，包括朱仙鎮(zhèn)、大王廟和南陽(yáng)三個(gè)典型站，站點(diǎn)情況見(jiàn)表1，并于2018年4月(春季)和7月(夏季)對(duì)再次進(jìn)行了采樣。

表1 選取站點(diǎn)信息一覽表Tab.1 A list of site information

2.2.2 田間持水量測(cè)定成果與分析

本次研究分別在春秋兩季，采用恒溫恒濕和常溫兩種環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，恒溫恒濕環(huán)境主要將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境維持在26 ℃左右，常溫環(huán)境溫度與季節(jié)室內(nèi)外環(huán)境基本一樣。同時(shí)，為了盡量消除試驗(yàn)樣品結(jié)果的隨機(jī)性，本文在3個(gè)土層分別取了8～10個(gè)土壤樣品，分層試驗(yàn)成果取的是該層所有樣品式樣結(jié)果的平均值，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括田間持水量和干容重[10]。試驗(yàn)得到的結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2 春季恒溫恒濕與常溫環(huán)境條件試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)表Tab.2 Comparison Results table of constant temperature&Humidity and ambient condition in Spring

表3 夏季恒溫恒濕與常溫環(huán)境條件試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)表Tab.3 Comparison Results table of constant temperature&Humidity and ambient condition in Summer

從同一站點(diǎn)、同一深度不同季節(jié)來(lái)分析，以南陽(yáng)站(黏土類型)為例，對(duì)深度10 cm處春季和夏季的分別各10個(gè)樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)展受季節(jié)溫度影響的單因素方差分析。表4是在方差分析前，對(duì)春、夏兩季田間持水量數(shù)據(jù)進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。

表4 南陽(yáng)站10 cm處試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical test data of Nanyang station at 10 cm

在方差分析時(shí)，首先要對(duì)春夏兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行齊性檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，齊性顯著性P′=0.506>0.05，說(shuō)明春夏兩季的方差在置信水平α=0.05水平上沒(méi)有顯著性差異，即方差具有齊次性，可以使用單因素方差分析法。在齊性檢驗(yàn)后，再進(jìn)行方差分析計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。從表中可以看到：F=4.238，顯著性P=0.054>0.05，說(shuō)明置信水平為95%，置信區(qū)間在[21.46，23.08]之間的春夏兩組數(shù)據(jù)之間沒(méi)有顯著差異。根據(jù)該方法，本文分別對(duì)其他站點(diǎn)的不同土層試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了方差分析，均發(fā)現(xiàn)相同深度、不同季節(jié)溫度之間的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間并無(wú)較大差異。

表5 單因素方差分析結(jié)果表Tab.5 One-way ANOVA results table

從每層田間持水量數(shù)據(jù)對(duì)比看：①無(wú)論是夏季還是春季,在10、20、40 cm各土層的田間持水量都為：黏土>壤土>砂土，說(shuō)明在各類土壤中黏土的田間持水量最大。②鑒于不同土壤類型的田間持水量對(duì)溫度的敏感程度略有差異，黏土類的南陽(yáng)站和壤土類的大王廟站，各分層春季試驗(yàn)結(jié)果基本略大于夏季成果； 砂土類型在40 cm處田間持水量，夏季大于春季，其余各層是春季大于夏季。

從單站田間持水量數(shù)據(jù)看：無(wú)論夏季還是春季，在恒溫恒濕和常溫條件下，田間持水量均是黏土>壤土>砂土，規(guī)律明顯。

從干容重?cái)?shù)據(jù)來(lái)看，無(wú)論是各分層數(shù)據(jù)還是單站數(shù)據(jù)，季節(jié)和溫度變化對(duì)干容重基本沒(méi)有影響。

3 結(jié) 論

通過(guò)本次試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

(1)從圖3中不難看出，在不同溫度下除了個(gè)別土樣的田間持水量差別較大外，大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同，而且南陽(yáng)站黏土的田間持水量數(shù)據(jù)整體大于大王廟壤土和朱仙鎮(zhèn)砂土，大王廟壤土又大于朱仙鎮(zhèn)砂土。在春夏兩季田間持水量，恒溫狀態(tài)下略大于常溫；春季田間持水量略大于夏季。在同一站點(diǎn)不同溫度條件下，田間持水量大致相同，并無(wú)明顯規(guī)律和較大差別。因此，可以說(shuō)明季節(jié)和溫度對(duì)田間持水量并無(wú)較大影響。

圖3 不同溫度條件下田間持水量對(duì)比圖Fig.3 Contrast chart of field water holding under different temperature condition

(2)通過(guò)本次試驗(yàn)，還得到了干容重與田間持水量的關(guān)系。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立土壤田間持水量與土壤干容重關(guān)系曲線。通過(guò)分析，可以得出以下結(jié)論：干容重越大田間持水量越小，干容重越小田間持水量越大，田間持水量與干容重呈反比關(guān)系，其規(guī)律較為明顯。這也反映了一個(gè)物理現(xiàn)象，當(dāng)干容重較大時(shí)，土壤孔隙較小，自然田間持水量也較小；當(dāng)干容重較小時(shí)，土壤孔隙較大，自然田間持水量也大。同時(shí)，可以得到田間持水量與干容重的關(guān)系為線性函數(shù) ，詳見(jiàn)圖4，其中參數(shù)a(a>0)和b需要根據(jù)單站的實(shí)際情況率定求得。

圖4 田間持水量與干容重關(guān)系圖Fig.4 Relation diagram between field water holding capacity and dry volume weight