田間持水量的測定與旱情分析

□郝金梅

田間持水量是指在地下水較深和排水良好的土地上降水或充分灌水后，經(jīng)過一定時間，土壤所能維持的較穩(wěn)定的土壤含水量。田間持水量測定與干旱分析，方便我們了解土壤水分和干旱變化，田間持水量測定的數(shù)值反映土壤保水能力大小，對田間持水量數(shù)據(jù)和干旱的研究，可以為抗旱對策的制定提供依據(jù)，可以為早期減災(zāi)、安全生產(chǎn)和科學(xué)耕作提供依據(jù)，可以為農(nóng)業(yè)水資源利用效益評價提供幫助，為篩選高效農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)、提高水資源利用效率、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻，對于我們的工作有一定指導(dǎo)意義。

1.土壤結(jié)構(gòu)與水分常數(shù)

1.1 土壤剖面

土壤剖面一般指從地表面層垂直向下，縱向挖掘截至出現(xiàn)變化較小的基巖或母質(zhì)，其厚度在2m左右，土壤在其運動發(fā)展形成的過程中，會呈現(xiàn)出一定的層次。土壤剖面包含3個典型層次：從地表開始的第1層被稱作淋溶層或表土層，該層土壤一般較為疏松且富含腐殖物質(zhì)；第2層土壤質(zhì)地較為緊實黏稠，被稱作淀積層或心土層；第3層被稱作底土層，結(jié)構(gòu)主要以成土母質(zhì)為主；另外，3個典型土壤層次還可分為若干亞土層。從土壤剖面的相關(guān)特征可以看出土壤的性狀、形成過程和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，這為選取合適的排灌方法改良土壤特性提供了科學(xué)依據(jù)。

1.2 土壤孔隙

土壤孔隙指土壤中的間隙和孔道，常用大小和數(shù)量（孔隙率）表達。按大小可將土壤孔隙分為：大孔隙，又名非毛管孔隙或通氣孔隙，可進行通氣、排水；中孔隙，對毛管水的導(dǎo)水性好；小孔隙，毛管水在其內(nèi)的運動速率慢。土壤孔隙的決定條件主要有：機質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、土質(zhì)團?；潭?、水分含量等。

1.3 土壤水分常數(shù)

土壤中含水量大小、土壤水分性質(zhì)、土壤能量狀態(tài)與農(nóng)作物生長的關(guān)系可以用土壤水分常數(shù)來表述，具體有：田間持水量、毛管破裂含水量、吸濕系數(shù)、飽和含水量等，用含水量、吸力值來表示土壤水分狀況最為普遍。不同的土質(zhì)環(huán)境下，相關(guān)土壤狀況表示數(shù)值差別較大，比如粉黏土的田間持水量高達23.8%，而細砂土則只有4.5%。

2.田間持水量測定實驗方法

2.1 天然降水法

天然降水法常用于野外田間持水量的測定，該方法的顯著特點是：直接、簡便、高效。其測定的數(shù)值反映的是天然降水使預(yù)測土層水分達到飽和時，去除重力水后的土壤含水量。

2.1.1 實驗條件

采用該方法的前提條件：降水時長、降水量滿足測量要求；選擇符合農(nóng)作物耕種、土壤地質(zhì)條件優(yōu)良的地塊作為實驗地塊；實驗地點選擇在靠近水文站或墑情監(jiān)測站附近，監(jiān)測人員能迅速達到實驗地點；監(jiān)測地點要避開植物根系發(fā)達土層，目的是減少測定數(shù)據(jù)因植物蒸騰作用影響；測定地點的地下水水位要適中。

2.1.2 實驗方法

表1 降水量級及降水歷時統(tǒng)計表

表2 2015年石家莊市各站點田間持水量測定成果表

選取多個有代表性的測定點及實驗地塊（實驗地塊應(yīng)與墑情監(jiān)測站結(jié)合），制定降水量級表。對不同土壤質(zhì)地監(jiān)測點制定天然降水量級表，并制定天然降水法飽和土壤所需的降水量級及降水歷時，降水量級及降水歷時統(tǒng)計表見表1。

2.1.3 實驗地塊現(xiàn)場保護及地膜覆蓋

當(dāng)實驗地塊達到天然降水法測量所需的降水條件時，應(yīng)組織實驗監(jiān)測人員對實驗地塊進行迅速的地膜覆蓋現(xiàn)場保護，避免再次降水和水分蒸發(fā)對測定數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

2.2 圍框淹灌法

選用圍框淹灌法時，需首先在代表性測量地塊中建立實驗區(qū)圍框結(jié)構(gòu)，并確保實驗區(qū)內(nèi)的農(nóng)作物耕種面積大于1.3m2，再對圍框?qū)嶒瀰^(qū)進行地膜覆蓋、人工灌水、自然滲透操作，對最大毛管懸著水量進行測量，該含水量數(shù)值即為土壤田間持水量。

2.2.1 實驗條件

選取當(dāng)?shù)氐湫娃r(nóng)作物生長和典型土壤地質(zhì)的大田作為實驗地塊，不宜選在地崗地；選擇方便給水的地區(qū)地塊進行淹灌實驗；對實驗土壤進行圍框?qū)嶒灂r，保證水量的均勻入滲和足夠的實驗時長，切勿一次性灌注水分；保證圍框?qū)嶒炌馏w維持原狀，不得隨意踩壓、翻動。

2.2.2 實驗區(qū)處理

實驗區(qū)標準面積為2×2m2，將鐵皮框楔入在實驗區(qū)中心部位，框體標準面積為1×1m2，框體嵌入深度范圍為40~50cm；鐵皮框周圍用原土壤填實，確保鐵皮框密實接觸土壤，從而保障灌注水分不流失。

2.2.3 灌水量計算

實驗區(qū)灌水量計算的根據(jù)是土壤實時含水量和預(yù)測土層深度。土壤蓄水量計算，要在實驗地點附近區(qū)域選取土壤進行土壤實時含水量和土壤干容重測定。

2.3 環(huán)刀法

環(huán)刀法又叫室內(nèi)測定法，通常是用環(huán)形刀具采集預(yù)測地塊原狀土壤。在實驗室中對土壤進行排水、吸水、烘干后再進行土壤田間持水量測定。

2.3.1 實驗條件

土壤樣本應(yīng)選擇典型具有代表性的地塊土壤，保證土質(zhì)均勻和土壤質(zhì)地相同，采樣過程中防止石塊雜物等混入環(huán)形刀具內(nèi)；防止采樣過程中意外的發(fā)生，需準備足夠量的環(huán)形刀具進行多件采樣，備用土樣也應(yīng)保持完整性。

2.3.2 實驗步驟

取土樣：用鐵鏟先將田間采樣點土面處理平整，切取土樣過程中應(yīng)保持環(huán)形將刀刃端平穩(wěn)向下壓入采樣點土層中，將取土成功的環(huán)形刀刀刃一端墊上濾紙并加底蓋、另一端加頂蓋，將環(huán)刀外側(cè)土壤除盡，取少量同一土層散土一并帶回實驗室。

土樣吸水：將土樣環(huán)形刀具底端向下置入水中，保證環(huán)刀頂蓋高于水面1～2mm，土樣浸水時間需大于24h，至土樣吸收達到水分飽狀態(tài)。

干土樣本制作：干土樣本的作用是用于吸收實驗土樣的剩余水分。對帶回的實驗地散土進行風(fēng)干磨細處理，用孔徑1mm篩子篩選后裝入容器中，拍實處理后以備用于吸收土樣水分，也可用石英砂代替干土。

目前，我省大部分采用環(huán)刀法來測定田間持水量，2015年石家莊水文勘測研究中心對石家莊市7個站點測定的田間持水量成果見表2。

3.實驗方法結(jié)果分析

天然降水量法測量的基本條件是自然降水量和降水歷時下達到土壤的飽和狀態(tài)，這種方法獲取的測定數(shù)據(jù)是最接近田間持水量實際數(shù)值的。因而，該方法具有顯著代表性、便捷性和準確性，但實際測定的要求相對很高。不僅要求監(jiān)測人員對降水情況進行實時準確把握，還要求監(jiān)測人員對降水條件迅速做出反應(yīng)，防止錯過最佳監(jiān)測點。

圍框淹灌法是通過人工淹灌手段模仿土壤的天然降水飽和狀態(tài)，再測定的田間持水量數(shù)值，該方法在操作中易出現(xiàn)諸多問題，如灌注水分不均勻、水分滲透不充分和黏土淹灌困難等。

環(huán)刀法是唯一的實驗室室內(nèi)測定方法，該方法的主要優(yōu)點是易操作、不受外界自然條件限制、測量實驗成本低、測定數(shù)據(jù)比較準確，缺點是操作程序嚴格、測量步驟繁瑣、測量精度要求高、需要較多的輔助實驗等。

4.結(jié)語

以上分析了土壤剖面及水分常數(shù)，介紹了田間持水量的測定方法。田間持水量是旱情評估的重要指標，針對近年來北方地區(qū)的旱情，石家莊水文中心一直對轄區(qū)內(nèi)各站點土壤含水量變化進行觀測，通過比較土壤含水量和田間持水量的關(guān)系來分析是否有旱情發(fā)生及旱災(zāi)程度，并及時上報給有關(guān)部門，提供決策依據(jù)。