利用環(huán)刀法測定土壤水分精度的影響因素

李朝英, 鄭 路,2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實驗中心, 廣西 憑祥 532600;2.廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 廣西 憑祥 532600)

土壤物理性質(zhì)包括土壤結(jié)構(gòu)和孔隙性、土壤水分、空氣、熱量和土壤耕性等。土壤水分、空氣作為土壤肥力的構(gòu)成要素，直接制約著土壤微生物的活動和礦質(zhì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、存在形態(tài)及其供給等。準(zhǔn)確測定土壤物理性質(zhì)對于持續(xù)培肥土壤，提高土壤生產(chǎn)力，實現(xiàn)土壤資源可持續(xù)利用等具有十分重要的意義[1-3]。目前，林業(yè)行標(biāo)及國標(biāo)將環(huán)刀法作為測定土壤物理性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法，用于測定土壤密度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙、總孔隙度等項目[4-6]。環(huán)刀法所需設(shè)施簡單，易于操作。在國內(nèi)外由土壤物理性質(zhì)角度開展土壤肥力、植被生長、土壤改良等方面的諸多研究中，環(huán)刀法運(yùn)用廣泛[7-9]。其中，最大持水量、毛管持水量、最小持水量是土壤物理性質(zhì)測定的基礎(chǔ)項目，其測定結(jié)果用于計算毛管孔隙度、非毛管孔隙度及總孔隙度等。因此，最大持水量、毛管持水量、最小持水量的測定準(zhǔn)確性是土壤物理性質(zhì)檢測的關(guān)鍵[10-12]。至今，有關(guān)最大持水量、毛管持水量、最小持水量測定方法方面的討論分析未見報道，林業(yè)行標(biāo)(森林土壤水分—物理性質(zhì)的測定LY/1215-1999)對GB/T7835-1987進(jìn)行了修訂，但其方法要點陳述仍不明確，對于批量土壤樣品測定缺乏指導(dǎo)性及可操作性。鑒于此，本試驗探討最大持水量、毛管孔隙度、最小持水量的檢測條件以及環(huán)刀中濾紙及吸持水重量對測定結(jié)果的影響，以期提出適宜而明確的檢測條件，為批量土壤物理性質(zhì)準(zhǔn)確檢測提供參考與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗樣地位于廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站設(shè)置在中國林科院熱帶林業(yè)實驗中心青山試驗場(21°57＇—22.19°N，106°39—106°59′E)的人工林。該地區(qū)位于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域內(nèi)的西南部,日照充足,降水充沛,干濕季節(jié)明顯。年均溫度20.5～21.7 ℃，年降水量1 200～1 500 mm，主要地貌類型以低山丘陵為主，地帶性土壤為紅壤。

1.2 試驗樣品

2017年10月，采用環(huán)刀法于試驗場人工林樣地采集11個不同質(zhì)地的土壤樣品，各樣點重復(fù)3次，測定土壤物理性質(zhì)。同時取土樣裝入鋁盒中密封，以烘干法測定土壤水分含量。另取土樣風(fēng)干后過10目篩，測定土壤質(zhì)地[13]。

1.3 試驗儀器

砂盤、水盤、環(huán)刀、烘箱、電子天平。

1.4 樣品情況和試驗方法

所取11個土壤樣品情況詳見表1。

表1 樣品質(zhì)地檢測結(jié)果

依據(jù)林業(yè)行標(biāo)方法，采樣前稱取空環(huán)刀重(m0)，采樣后，將3組環(huán)刀土樣稱重得到土壤樣品鮮重(m鮮)，去除上蓋，放到水盤中，分別加水至低于環(huán)刀上沿1 cm處(簡稱半浸)、平齊環(huán)刀上沿(簡稱浸泡)、高于環(huán)刀上沿1 cm處(簡稱浸沒)，分別置于水中6，12，16 h后稱重(m1)。環(huán)刀取底蓋放于砂上，分別在1，2，3 h后稱量環(huán)刀重(m2)和濾紙重(m濾)，在砂上放置24，48，72，96 h后稱量環(huán)刀重(m3)和濾紙重(m濾)。試驗數(shù)據(jù)使用Excel軟件統(tǒng)計及繪圖，并進(jìn)行單因素方差分析。

m干=m鮮/(1+k)

最大持水量=(m1-m干-m0)/m干×100%；

毛管持水量=(m2-m干-m0)/m干×100%；

最小持水量=(m3-m干-m0)/m干×100%。

式中：k——烘干法所測得的水分含量。m干——環(huán)刀中的干土重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸水水位及浸水時間對土壤最大持水量的影響

由圖1可見，半浸、浸泡、浸沒條件下所測持水量隨著時間延長呈增加趨勢。3種浸泡方式在環(huán)刀浸水6 h所測持水量均偏小，浸水12 h所測持水量趨于穩(wěn)定，浸水16 h時所測持水量最大，表明環(huán)刀浸水時間偏短，土壤孔隙吸持水量偏低，隨著浸水時間的延長，土壤孔隙吸持水量趨于最大。由表2可見，環(huán)刀浸沒與浸泡12 h后測得最大持水量隨時間變化較小，而半浸12 h后所測最大持水量隨浸泡時間延長呈增加趨勢。浸水12 h和16 h時，3種方式所測最大持水量順序大體表現(xiàn)為：浸泡>浸沒>半浸，且不同浸水方式所測最大持水量的SD變化范圍依次分別為0.23～0.91，0.11～0.74，0.21～1.77，0.09～1.57，0.44～2.49，0.29～1.13?？梢?，環(huán)刀浸沒12 h，16 h和半浸12 h所測最大持水量離散度較大，精密度差。浸泡12 h，16 h和半浸16 h所測最大持水量離散度較小，精密度良好。由方差分析可得，環(huán)刀半浸12 h與浸沒12 h，16 h，半浸16 h以及浸泡12 h，16 h所測最大持水量有顯著性差異，浸沒12 h，16 h，半浸16 h與浸泡12 h，16 h所測最大持水量有顯著性差異，浸沒12 h，16 h，半浸16 h所測最大持水量無顯著性差異，浸泡12 h與16 h所測最大持水量無顯著性差異。由此可見，最大持水量的測定與環(huán)刀浸泡水位及時間均有關(guān)系。水浸沒環(huán)刀，易造成土壤孔隙中空氣難以及時排出，延長浸沒時間，持水量增加不明顯，難以趨于最大。水位低于環(huán)刀上沿，土壤中毛管作用強(qiáng)的小孔隙能迅速充分吸持水分，毛管作用稍弱的小孔隙水因水勢能低，水重力作用使孔隙水上升速度較慢，延長半浸時間，可增加部分孔隙吸持水量。但大孔隙水因水重力作用而使得水上升高度有限，難以充滿孔隙，故半浸方式下隨浸水時間延長所測持水量呈增長趨勢，但不易趨于最大。水位平齊環(huán)刀浸泡12～16 h，不易產(chǎn)生憋氣現(xiàn)象，又因水勢能高，有利于孔隙水克服重力作用，保持一定的上升速度，并上升一定高度。土壤孔隙在12 h即能充滿水，所測持水量趨于最大。為了避免檢測干擾，且便于操作，本試驗提出測定最大持水量的適宜水位為平齊環(huán)刀上沿，適宜浸泡時間12～14 h。

圖1 不同浸泡方法及浸泡時間環(huán)刀所測最大持水量

表2 不同浸水方式在浸水12和16 h環(huán)刀所測最大持水量的比較(n=3)

注：表中數(shù)據(jù)為所測最大持水量+SD,行間字母相同的表示無顯著性差異(p>0.05)，字母不同的表示有顯著性差異(p<0.05)。

2.2 不同置砂時間對毛管持水量測定的影響

由圖2可見，環(huán)刀內(nèi)土樣吸持最大水量后放置在細(xì)砂表面，一定時間后可測得毛管持水量。隨著置砂時間的延長，毛管持水量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，置砂2 h后呈穩(wěn)定趨勢。這是因為土壤最大持水包含重力水和毛管水，環(huán)刀置砂后，土壤失去水源支持，孔隙中的重力水不受土壤吸附力及毛管力作用，在重力作用迅速滲流。在環(huán)刀置砂1 h前，重力水滲流速度較快，隨著置砂時間延長，重力水滲流速度逐漸減慢。環(huán)刀置砂上2 h后時，重力水滲流殆盡，所測毛管持水量趨于一致。本試驗所用土壤置砂2 h后重力水滲流量大小依次為：砂質(zhì)壤土>壤土>粉砂壤土>黏土>粉黏土。這是因為砂質(zhì)壤土、壤土、黏土的孔隙依次減小，重力水滲流速度依次減慢。由表3可見，吸持最大水量的環(huán)刀土樣置砂1，2，3 h后，所測毛管持水量SD波動范圍分別為0.48～2.07，0.32～1.13，0.29～0.88。環(huán)刀置砂1 h所測毛管持水量的SD較高，置砂2和3 h所測毛管持水量SD降低，且趨于一致。這說明置砂2～3 h所測毛管持水量離散度較小，精密度良好。由方差分析可得，環(huán)刀置砂1 h與置砂2和3 h所測毛管持水量有顯著性差異，置砂2 h與3 h所測毛管持水量無顯著性差異。可見，置砂2～3 h的重力水滲流對毛管持水量測定影響較小，毛管水的移動也未對測定結(jié)果產(chǎn)生干擾。置砂上2 h，3 h所測毛管持水量準(zhǔn)確穩(wěn)定，且具有一定代表性。為了保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性及可比性，本試驗提出毛管持水量適宜測定時段在環(huán)刀置砂2～2.5 h之間。

圖2 不同置砂時間環(huán)刀所測毛管持水量

樣品置砂時間/h123樣130.79+2.0729.76+1.1329.39+0.88樣233.98+1.3833.05+0.8932.85+0.53樣324.79+1.1324.34+0.7623.99+0.69樣423.08+1.3222.81+0.6322.59+0.55樣530.58+1.1829.50+1.0329.12+0.71樣628.84+1.5127.96+0.8627.81+0.77樣726.81+1.6825.18+1.02a24.92+0.39a樣828.62+1.0327.51+0.7527.20+0.45a樣923.00+0.9622.70+0.5222.46+0.33a樣1013.23+0.4812.38+0.3211.88+0.29a樣1116.17+0.6115.10+0.4414.98+0.38a

注：表中數(shù)據(jù)為毛管持水量+SD,以置砂1 h所測結(jié)果為對照組，行間數(shù)據(jù)后無字母的表示無顯著性差異(p>0.05)，有字母a的表示有顯著性差異(p<0.05);以置砂2 h所測結(jié)果為對照組，行間數(shù)據(jù)后無字母的表示無顯著性差異(p>0.05)，有字母b的表示有顯著性差異(p<0.05)。

2.3 不同置砂時間對最小持水量測定的影響

將測定毛管持水量的環(huán)刀繼續(xù)置砂一定時間后可測得土壤最小持水量。由圖3可見，樣4在繼續(xù)置砂24 h時持水量較高，置砂48 h后持水量趨于穩(wěn)定。其他土壤樣品置砂24 h到48 h時所測持水量逐漸降低，置砂72 h后持水量趨于穩(wěn)定。土壤毛管水包含毛管支持水及懸著水，毛管支持水借助毛管力上升并存在于土壤毛管中，且易受水位影響。毛管懸著水即最小持水量，其保持在毛管上部，不易受水位影響。因此，失去重力水的環(huán)刀再置砂上，因無水源支持，毛管支持水不斷向下移動，置砂72 h后所測持水量趨于穩(wěn)定。這說明毛管支持水流失殆盡，僅剩毛管懸著水。砂質(zhì)壤土毛管支持水向下移動速度快于其他類型土壤，環(huán)刀置砂72 h時，不同土壤毛管支持水流失量大小依次為：砂質(zhì)壤土>壤土>粉砂壤土>黏土>粉黏土。結(jié)合上文重力水流失量的比較，說明不同土壤的孔隙大小不同，其持水性也存在一定差異。

由表4可見，環(huán)刀置砂24，48，72，96 h所測最小持水量的SD變化范圍分別為0.21～0.76，0.23～0.51，0.23～0.45，0.15～0.39?？梢姡S著置砂時間增加，土壤最小持水量SD逐漸減小，且置砂48 h后的SD趨于穩(wěn)定，精密度良好。由方差分析可得，環(huán)刀置砂24 h土壤最小持水量與置砂48，72，96 h均存在顯著性差異；置砂48與72 h所測最小持水量之間無顯著性差異；置砂48與96 h土壤最小持水量間存在顯著性差異；置砂72與96 h所測最小持水量之間無顯著性差異。由此可見，環(huán)刀置砂72 h時，砂質(zhì)壤土、壤土、黏土等不同類型土壤所測得的最小持水量準(zhǔn)確穩(wěn)定，且有代表性。為了保證批量土壤樣品最小持水量的可比性及可操作性，本試驗提出將測定毛管持水量后的環(huán)刀樣繼續(xù)置砂72～76 h為測定最小持水量的適宜時間。

圖3 不同置砂時間環(huán)刀所測土壤最小持水量

2.4 濾紙重量變化對持水量的影響

由圖4可見，試驗所用7 cm濾紙干重0.31 g,浸泡12 h后濾紙及其吸持水量達(dá)1.11 g，隨著置砂時間延長，濾紙吸持水量逐漸減輕。置砂2，24，48，72和96 h時重量分別為0.92，0.68，0.55，0.41，0.36 g。按常規(guī)樣品的干土重150 g計，濾紙及其吸持水量在浸泡12 h后并置砂2，24，48，72，96 h時，所測持水量分別為0.73%，0.61%，0.45%，0.37%，0.27%，0.24%?？梢姡磳V紙及吸持水量去除，所測最大持水量與毛管持水量高于真實值0.6%以上，誤差明顯。如上所述，環(huán)刀置砂72～96 h時,所測最小持水量高出真實值0.3%以下，影響較小，可忽略不計。

表4 不同置砂時間環(huán)刀所測土壤最小持水量比較(n=3)

注：表中數(shù)據(jù)為最小持水量+SD,以再置砂上24 h所測結(jié)果為對照組，行間數(shù)據(jù)后無字母的表示無顯著性差異(p>0.05)，有字母a的表示有顯著性差異(p<0.05);以再置砂上48 h所測結(jié)果為對照組，行間數(shù)據(jù)后無字母的表示無顯著性差異(p>0.05)，有字母b的表示有顯著性差異(p<0.05).以再置砂上72 h所測結(jié)果為對照組，行間數(shù)據(jù)后無字母的表示無顯著性差異(p>0.05)，有字母c的表示有顯著性差異(p<0.05)。

圖4 濾紙放置不同時間的重量變化

3 討 論

林業(yè)行標(biāo)指出浸泡12 h(黏重土壤浸泡時間稍長)測定最大持水量，但其所述浸泡時間存在不確定性。本試驗結(jié)果表明，黏土浸泡12 h，所測最大持水量準(zhǔn)確穩(wěn)定。黏土的小孔隙較多，其中毛管作用強(qiáng)的孔隙在12 h內(nèi)充滿水，管徑過小的孔隙因毛管作用較弱或消失，浸泡時間延長，吸持水量有限。有研究指出土壤浸泡時間長，黏粒分散或移動可能造成孔隙堵塞[1,14-15]。本試驗提出測定最大持水量的適宜時間，明確指導(dǎo)檢測分析，有利于避免誤差。尤其對未知質(zhì)地的批量樣品，有較強(qiáng)的可操作性及適用性。

林業(yè)行標(biāo)方法提出毛管持水量測定時機(jī)是一個時點概念，不適用于指導(dǎo)批量樣品毛管持水量的測定。本試驗提出環(huán)刀置砂2～2.5 h所測毛管持水量不受重力水及毛管水的干擾，是測定適宜時段，這為批量樣品準(zhǔn)確檢測提出了明確可行的時限，可操作性強(qiáng)。農(nóng)業(yè)行標(biāo)提出將環(huán)刀浸放于水位1～2 cm的容器中，待吸持水量充分時可直接測得毛管持水量，所測結(jié)果具有代表性。但農(nóng)業(yè)行標(biāo)方法不便于連續(xù)測定多項指標(biāo)，所測結(jié)果易受土壤結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成干擾，與其相比，林業(yè)行標(biāo)方法的檢測干擾少，為優(yōu)選方法。為此，本試驗未以農(nóng)業(yè)行標(biāo)方法測定毛管水量[16-18]。

林業(yè)行標(biāo)方法指出砂土、壤土、黏土最小持水量的測定時間分別是置砂24 h，48～72 h，4～5 d(96～120 h)。這使得最小持水量的檢測操作繁瑣。本試驗結(jié)果表明壤土、黏土等多類型土壤置砂72 h后，毛管支持水已流失殆盡，所測最小持水量準(zhǔn)確穩(wěn)定。本試驗對多類型土壤最小持水量的測定時間進(jìn)行統(tǒng)一，有利于提高檢測效率。由于本試驗未采集到典型砂土，所用的砂質(zhì)壤土與砂土有一定區(qū)別，建議實驗室在測定砂土最小持水量時可進(jìn)行不同放置時間的預(yù)試驗，以確定最小持水量測定的適宜時間。本試驗提出需去除濾紙及吸持水重量，否則對最大持水量及毛管持水量的測定有干擾，尤其對容重較小的土壤樣品誤差更為明顯。而現(xiàn)有研究對此誤差常有忽略。

土壤是一種具有復(fù)雜孔隙系統(tǒng)的自然體，土壤水受到重力、土粒表面分子引力及水分子引力等各種力的作用，并表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，各類土壤水之間的界限很難清晰劃分。研究表明，若土壤質(zhì)地粘緊，則重力水不易排出，甚至?xí)簳r滯留在土壤大孔隙中，而毛管水在空間和時間上則相對穩(wěn)定。因此，環(huán)刀法仍然存在難以避免的誤差[1,19]。在測定過程中需準(zhǔn)確控制檢測條件及操作細(xì)節(jié)，降低人為誤差。例如，為避免重力水迅速流失，測定動作應(yīng)迅速；稱量前務(wù)必將濾紙上粘附的砂粒清除干凈；環(huán)刀置砂期間不剔除其上蓋，檢測環(huán)境保持恒溫，減少空氣流動，以減少環(huán)刀內(nèi)土壤水分蒸發(fā)，避免外界因素對檢測的干擾。

4 結(jié) 論

為保證準(zhǔn)確測定土壤物理性質(zhì)，本試驗提出測定最大持水量的適宜水位為平齊環(huán)刀上沿，浸泡時間為12～14 h，測定毛管持水量的適宜時間為置砂2～2.5 h，測定最小持水量的適宜時間為持續(xù)置砂72～76 h。在測定最大持水量、毛管持水量時需去除環(huán)刀中所用濾紙及吸持水重量，提高檢測精度。上述檢測條件適用于多類型土壤，檢測準(zhǔn)確可靠，適用于指導(dǎo)批量樣品的檢測分析。

本試驗所用不同類型土壤在保水性、孔隙性等方面表現(xiàn)出明顯的物理特性，具有一定代表性。本試驗對現(xiàn)有方法所述檢測條件中的不確定性進(jìn)行優(yōu)化與完善，指出檢測誤差產(chǎn)生原因，提高了環(huán)刀法的可操作性及準(zhǔn)確性，為檢測批量土壤物理性質(zhì)提供了有效可行的指導(dǎo)。