周卓麗，張卓棟?，高曉飛，曲新苗，何恩佩,2

(1.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室 防沙治沙教育部工程研究中心, 100875, 北京; 2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心, 610213, 成都)

土壤水分特征曲線是土壤水吸力隨土壤含水率變化的關(guān)系曲線，表征土壤水?dāng)?shù)量與能量間的對應(yīng)關(guān)系[1]。該曲線可以反映土壤持水和供水能力、土壤水分有效性及孔隙狀況[2-4]，準(zhǔn)確高效地測定土壤水分特征曲線對水分入滲、產(chǎn)流過程及土壤侵蝕研究有重要意義[4-5]。國內(nèi)外關(guān)于土壤水分特征曲線的測定方法較多，這些方法基于不同的原理如水力學(xué)排干、熱力學(xué)蒸發(fā)等[2]，適用范圍也有差異。對比不同測定方法的差異性，探究其適用條件是近年來研究關(guān)注的一個重要問題[2,6]。

目前，壓力板儀法、離心機法是國內(nèi)外運用最為廣泛的直接測定土壤水分特征曲線的2種主要方法[7]，其測定范圍為0～15 300 cm。壓力板儀法的原理是通過外來壓力的增加使土壤水分流出，等待土壤內(nèi)部水吸力與氣壓平衡，以獲得不同水吸力下的土壤含水率[2]。研究[8-10]認為壓力板儀法的測定結(jié)果較符合野外實際排水，但測定步驟繁瑣、周期較長。離心機法的原理是高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心場對土壤水進行快速分離，通過調(diào)整離心機轉(zhuǎn)速改變轉(zhuǎn)子中土壤的水吸力，以獲得不同水吸力下的土壤含水率[11]，其操作方便且測定時間較短，但在測定過程中土壤密度變化和離心時間對結(jié)果有一定影響[12-14]。2種測定方法基于不同的原理各具優(yōu)勢與局限性，量化這2種方法的測定差異性有利于推薦可靠、高效的測定方法。

邵明安[15]對武功重壤土的研究表明離心機和壓力板儀的測定結(jié)果都較為符合土壤固有的特征曲線形狀，當(dāng)離心機測定考慮土壤密度變化時，準(zhǔn)確度高于壓力板儀。劉思春等[16]認為壓力板儀測定塿土的土壤水勢最為準(zhǔn)確，而離心機的測定結(jié)果偏高。Reatto等[6]對比測定巴西熱帶土壤的持水特性，認為2種方法測定結(jié)果相似，而離心機法耗時少是1種便捷高效的方法。這些研究多為用一種或多種方法對同一區(qū)域土壤進行對比測定，難以綜合反映土壤特性對儀器測定精度的影響，而關(guān)于不同性質(zhì)土壤的對比研究還鮮有報道。土壤水分特征曲線受土壤性質(zhì)的影響較為明顯[17]，不同性質(zhì)土壤的平行對比研究對深入探討測定方法間的差異性和適用性具有重要意義。

我國水蝕區(qū)覆蓋范圍廣，自然地理環(huán)境復(fù)雜，土壤類型多樣，為研究水蝕區(qū)主要土壤類型的測定差異，筆者選取黑土、黃綿土、紅壤、褐土和紫色土為研究對象，采用目前普遍應(yīng)用的離心機和壓力板儀2種方法，進行土壤水分特征曲線測定過程和結(jié)果的對比研究，系統(tǒng)對比離心機和壓力板儀測定多種土壤類型的土壤水分特征曲線的差異，為不同實驗條件下土壤水分特征曲線、土壤孔隙特征等物理性質(zhì)的測定提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品獲取

筆者選取黑土、黃綿土、紅壤、褐土和紫色土5種土壤類型，采樣地點位于北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室房山綜合實驗基地(E 115°42′30″, N 39°35′00″)的5個徑流小區(qū)。運用環(huán)刀法采集土樣，每種土壤類型為匹配離心機的四轉(zhuǎn)子平衡結(jié)構(gòu)在離心機中各做4組平行實驗，在壓力板儀中各做3組平行實驗。5個徑流小區(qū)均為人工填充小區(qū)，5種土壤類型的土壤密度、機械組成和有機質(zhì)數(shù)據(jù)[18]由表1所示。

表1 5種土壤類型的理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of 5 soil types

1.2 實驗方法

1.2.1 離心機測定實驗 筆者采用Kokusan H- 1400 pF型離心機測定：樣品采集后，用沒過底蓋深的水浸泡土壤至濕潤，再加水至與環(huán)刀頂部平齊，浸泡至土壤水飽和。設(shè)定離心轉(zhuǎn)速為100、400、700、1 300、1 600、2 300、4 100、5 200、6 200、7 500和9 100 r/min，分別對應(yīng)土壤水吸力10、30、96、333、504、1 000、3 300、5 000、7 000、10 000和15 300 cm。測定所有轉(zhuǎn)速下的含水率，從轉(zhuǎn)子中取出環(huán)刀，稱量、記錄此時環(huán)刀和內(nèi)部土壤的總質(zhì)量，最后置于105 ℃烘箱中烘干，8 h后取出環(huán)刀并稱量、記錄烘干后環(huán)刀和內(nèi)部干土的總質(zhì)量，根據(jù)各吸力下土壤水質(zhì)量和環(huán)刀容積計算出對應(yīng)的體積含水率。

1.2.2 壓力板儀測定實驗 筆者采用Soil Moisture 1500型壓力板儀測定：首先將環(huán)刀內(nèi)土壤浸泡至飽和，并用去離子水浸泡壓力膜板至飽和。設(shè)定氣壓為0.03、0.1、0.33、1、3、5、10、15 bar等，每級氣壓平衡至腔內(nèi)沒有水排出。將土樣分別放入鋁盒，稱量、記錄土樣和鋁盒的總質(zhì)量。最后將土樣置于105 ℃烘箱中烘干，8 h后取出量、記錄干土和鋁盒的總質(zhì)量。根據(jù)烘干前后的土壤質(zhì)量及土壤密度計算出各壓強下的土壤體積含水率。并將壓強單位轉(zhuǎn)化為厘米水柱，得到各土壤水吸力對應(yīng)的土壤體積含水率。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

對各組平行實驗的重復(fù)測定計算平均值，其中低吸力段測定的含水率標(biāo)準(zhǔn)誤差較明顯。在Origin 2017中繪制土壤水吸力和土壤體積含水率的log10h～θ曲線，對比各種土壤類型的持水特征。以1 000 cm吸力為界[19]，將數(shù)據(jù)分為低吸力段(0～1 000 cm)和高吸力段(>1 000～15 300 cm)。為判斷2種方法在不同土壤類型的測定差異的顯著性，在SPSS 21中對2種方法測定的5種土壤類型數(shù)據(jù)進行配對樣本t檢驗[20]。分析不同吸力范圍離心機和壓力板儀測定的土壤體積含水率的相關(guān)性，并繪制1∶1線對比2種方法的差異。根據(jù)土壤性質(zhì)(表1)，分析2種方法測定差異的原因。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分特征曲線測定結(jié)果

圖1為離心機和壓力板儀測定的5種土壤水分特征曲線。離心機的測定結(jié)果(圖1a)表明，紅壤的飽和含水率最高，紫色土居中，褐土最低，土壤飽和含水率主要受砂粒含量、土壤密度及孔隙分布狀況的影響[21]。土壤水吸力為10 cm時的含水率與飽和含水率相比變化不大。當(dāng)土壤水吸力為30～15 300 cm時，5種土壤的含水率隨著土壤水吸力的增加，差異逐漸增大，主要體現(xiàn)在黑土和黃綿土。黑土有機碳、黏粒含量高(表1)，黏質(zhì)土壤小孔隙多，表面能較大，在各個吸力段持水能力均最強[1]。黃綿土的含水率變化范圍最大，當(dāng)土壤水吸力上升到333 cm時，黃綿土的含水率在5種土壤中最低。紅壤、褐土、紫色土含水率大小相似，處于中等，當(dāng)土壤水吸力≤1 000 cm時，紅壤失水率最快，紫色土居中，褐土最?。煌寥浪?1 000 cm時，3條水分特征曲線幾乎平行，該吸力段土壤中的大、中孔隙均失水完畢，含水率的變化主要是由于極小的毛管失水造成的，失水量在這3種土壤間的差異不大。

圖1 離心機和壓力板儀測定的5種土壤水分特征曲線Fig. Soil water retention curve of 5 soil types determined by centrifuge and pressure plate

壓力板儀測定的結(jié)果總體規(guī)律與離心機測定的結(jié)果相似，各個吸力段黑土的土壤含水率最大，黃綿土最小，其他3種土壤類型介于之間(圖1b)。不同的是，這3種土壤在≤1 000 cm吸力段，褐土和紅壤保水能力差，失水速率較快，而紫色土最慢。此外，褐土的曲線在高吸力段出現(xiàn)了明顯的偏差，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規(guī)律，可能是由于環(huán)刀采樣區(qū)域受外界影響，土壤內(nèi)存在一些不利于排水的團塊使得雖然停止排水但土壤內(nèi)外壓強不平衡，類似的現(xiàn)象在Gee等[22]的研究中也曾指出。

2.2 土壤水分特征曲線的測定差異比較

圖2 2種方法測定不同土壤類型的水分特征曲線差異比較Fig.2 Comparison of 2 methods for determining soil water retention curve of 5 soil types

圖2對比不同土壤類型下離心機和壓力板儀測定的土壤水分特征曲線。對于黑土而言，2種方法的測定結(jié)果以1 000 cm吸力為界向兩端差異逐漸增大，離心機的測定結(jié)果在330 cm吸力更接近高曉飛等[4]測定的不同程度侵蝕黑土的含水率，而在15 000 cm吸力壓力板儀的測定結(jié)果更接近。離心機測定黃綿土的體積含水率均高于壓力板儀，且2種方法測定的差異隨著吸力的增加有增強的趨勢。筆者研究低吸力段離心機測定的含水率較甘肅黃綿土的結(jié)果高[23]，孔隙分布更為均勻，當(dāng)吸力增加時含水率變化小，水分特征曲線更為平緩[1]。筆者發(fā)現(xiàn)2種方法測定的紅壤含水率在高吸力段結(jié)果相似，特別是在10 000和15 300 cm吸力結(jié)果幾乎重合，且>1 000 cm水吸力時與于元芬等[24]的結(jié)果較為接近；但在≤1 000 cm水吸力范圍本研究測定的含水率明顯高于于元芬等[24]的結(jié)果，可能原因是筆者采用的紅壤土壤密度更小，低吸力段的保持的水分更多。褐土和紫色土的測定結(jié)果以504 cm水吸力為界，>504 cm吸力段壓力板儀測定含水率小于離心機測定結(jié)果，<504 cm吸力段則正好相反。與晉西黃土區(qū)的褐土土壤水分特征曲線[25]相比，本研究中離心機的測定結(jié)果更為接近。與王紅蘭等[2]測定的紫色土的結(jié)果相比，本研究低吸力段離心機測定的紫色土的含水率與其沙箱法測定的結(jié)果較為相似。總體上，由于壓力板儀低吸力段可獲取的點較少[26]，本研究5種土壤低吸力段的離心機的測定結(jié)果與已有研究更為接近，高吸力段則不一定。

2.3 測定差異的統(tǒng)計分析

表2中總體上2種方法測定的5種土壤的總樣本在所測吸力段具有極顯著差異(P<0.01)。2種方法測定黃綿土0～15 300 cm吸力段的差異極顯著(P<0.01)，其他土壤類型均不顯著。在高吸力段，黑土、黃綿土、褐土、紫色土2種方法測定的差異極顯著(P<0.01)，而在低吸力段沒有顯著差異，表明這4種土壤類型的測定差異主要在高吸力段。紅壤與其他4種土壤類型不同，2種方法主要在低吸力段有顯著差異(P<0.05)，高吸力段無差異。

表2 2種方法測定差異的配對樣本t檢驗Tab.2 Paired samples t test of the differences between the two methods

對離心機和壓力板儀測定的土壤含水率進行比較(圖3)，2種方法測定的土壤含水率趨于一致。其中紅壤和紫色土數(shù)據(jù)點分布最接近1∶1線，黃綿土和黑土其次，而部分褐土的數(shù)據(jù)點偏離1∶1線較遠。圖3a顯示出2種方法測定的含水率數(shù)據(jù)分布具有明顯的分段特征，因此進一步將其分為不同吸力段對比。在低吸力段，大部分數(shù)據(jù)點的分布低于1∶1線(圖3b)，說明壓力板儀測定的土壤含水率高于離心機測定結(jié)果，但配對樣本t檢驗的結(jié)果表明這種差異不顯著(表2)。在高吸力段，數(shù)據(jù)點落在1∶1線上或高于1∶1線(圖3c)，表明離心機測定的土壤含水率顯著高于壓力板儀測定結(jié)果。

圖3 2種方法測定的土壤含水率比較Fig.3 Comparison of 2 methods for determining soil water contents

2.4 測定差異的原因分析

前述結(jié)果表明5種土壤類型在高吸力段和低吸力段的差異大小不同，這些差異主要與土壤性質(zhì)有關(guān)。土壤水分特征曲線受土壤質(zhì)地及孔隙分布的影響較大[11]。高吸力段的含水率主要受小孔隙影響[27]。這5種土壤由于長期侵蝕，其性質(zhì)較原始土壤發(fā)生變化。土壤機械組成的測定結(jié)果表明黑土和紫色土黏粒、粉粒含量均較高，而褐土、黃綿土的粉粒含量較高(表1)。這4種土壤質(zhì)地較細，水吸力大，中、小孔隙中保持的水分較多[17]，需要在壓力板儀中平衡的時間更長，土壤內(nèi)部排水不徹底可能導(dǎo)致高吸力段2種方法的測定結(jié)果有顯著差異。而紅壤砂粒含量明顯高于其他4種土壤類型(表1)，保持在中、小孔隙中的水分相對較少，測試土樣排水較為充分，高吸力段2種方法測定結(jié)果差異不顯著。另外，褐土、黃綿土、紫色土和黑土高吸力段，主要表現(xiàn)是離心機法測定的數(shù)值偏高，壓力板儀法偏低，可能原因是離心機法中大孔隙擠壓成小孔隙，殘留的水較多。在離心機測定過程中發(fā)現(xiàn)有少量土壤殘留在轉(zhuǎn)子內(nèi)，這也可能導(dǎo)致土樣的離心半徑較小，測定結(jié)果偏高。

低吸力段的含水率主要受大孔隙影響[27]。離心機測定的過程中，低吸力段土壤體積可以觀察到有明顯的壓縮，大孔隙受到容重增大的影響比小孔隙更明顯，體積被壓縮會造成大孔隙中的水被擠壓排出，離心機測定的含水率偏低；因此，砂粒含量較大的紅壤，低吸力段離心機的測定顯著小于壓力板儀的測定結(jié)果，而其他土壤類型2種方法的測定差異不顯著。邵明安[15]、呂殿青等[28]在研究中也指出，在低吸力范圍內(nèi)隨離心機轉(zhuǎn)速增加土壤密度明顯增大，對土壤含水率的測定產(chǎn)生影響。另外，壓力板儀測定過程中土壤收縮造成土樣與壓力板貼合不緊密或?qū)ǖ辣煌寥滥z體堵塞，影響水分排出[2,26,29]，均可能造成壓力板儀測定的含水率較離心機偏高。

2種方法測定差異受土壤性質(zhì)的影響明顯，尤其是在不同吸力段。壓力板儀測定黏粒含量高的土壤，高吸力段因小孔隙排水不夠充分，與離心機測定結(jié)果存在差異。離心機測定砂粒含量高的土壤，低吸力段土壤體積被壓縮，大孔隙失水快，含水率顯著低于壓力板儀測定結(jié)果。不同方法對比測定多種土壤類型的水分特征曲線，能為高效、準(zhǔn)確地選擇適合的測定儀器提供科學(xué)依據(jù)。

2.5 離心機和壓力板儀的應(yīng)用建議

在儀器成本上壓力板儀較離心機低，更易普及。在操作上離心機更為簡單，測定耗時較短，測定1種土壤類型0～15 300 cm吸力段的土壤含水率約1 d；而壓力板儀操作難度較高且具有一定危險性，測定耗時長，穩(wěn)定1個壓力值至少3 d。在測定精度上，離心機的測定誤差主要來源于體積壓縮導(dǎo)致土壤密度變化，以及土壤在離心過程中隨水分一起排出環(huán)刀導(dǎo)致土樣的離心半徑較小等。已有研究認為壓力板儀的測定對土壤密度的改變小，因而更符合田間排水實際[2,16]，但其測得的低吸力段數(shù)據(jù)較少，不能準(zhǔn)確反映低吸力段的持水特性[26]，其測定誤差主要來源于平衡時間不足或其他原因?qū)е碌乃治闯浞峙懦觯约盁o法針對同一土樣進行連續(xù)測定導(dǎo)致土樣間存在個體差異等。

在選擇合適的方法測定土壤水分特征曲線時，應(yīng)考慮到土壤質(zhì)地與孔隙分布特征。2種方法測定黏粒、粉粒含量高的土壤在高吸力段存在顯著差異，而測定砂粒含量較大、大孔隙較多的土壤類型，2種方法的測定結(jié)果具有較好的一致性。當(dāng)2種方法的測定結(jié)果無顯著差異時，有測定條件的情況下，為提高效率，離心機法是一種較為合適的選擇，但需要注意土壤體積壓縮問題。如果選擇壓力板儀，需要注意其平衡時間，尤其是存在小孔隙較多的土壤類型。由于質(zhì)地不同的土壤，不同吸力段的排水特征也不同，在測定土壤水分特征曲線時綜合考慮效率和精度，低吸力段和高吸力段可分別采用不同的方法測定。

3 結(jié)論

在低吸力段壓力板儀可獲取的點較少，離心機測定的精度相對較高，但質(zhì)地較粗的土壤類型受密度變化的影響明顯導(dǎo)致離心機測定結(jié)果偏低；在高吸力段，對于黏粒、粉粒含量高的土壤類型，壓力板儀測定過程中排水不充分導(dǎo)致測定結(jié)果不精確，離心機法相對更為適用。本研究中離心機和壓力板儀的測定結(jié)果存在一些規(guī)律性的差異，可以考慮分高、低吸力段測定，根據(jù)土壤性質(zhì)選擇適合的方法。然而，哪種測定方法更接近真值難以斷定，后續(xù)研究可增加其他儀器測定，以提供多組數(shù)據(jù)參考，更準(zhǔn)確地分析誤差來源并推斷真值。

感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部張科利教授對本研究的指導(dǎo)，感謝王絲桐、帥許紅、程卓等在采樣及實驗過程中的協(xié)助。