基于不同环境下的河南省典型区域土壤田间持水量研究

2019-06-24罗清元刘丽娜郭恒亮

节水灌溉 2019年6期

罗清元，杨丹，刘丽娜，郭恒亮

(1.河南省水文水资源局，郑州 450003；2. 河南省周口水文水资源勘测局，河南周口 466000；3.河南省环境监测中心，郑州 450018；4.郑州大学智慧城市研究院，郑州 450001)

0 引言

土壤田间持水量是指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或者降水后，土壤含水量达到饱和，排除重力水后，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤含水量，一般用百分数表示[1,2]。田间持水量是土壤所能保持的最高含水量，常常被用来计算灌溉定额和评估灌溉上限，对农业生产及抗旱有着重要的指导意义[3]。

河南是农业大省，全省耕地面积为792.6 万hm2，居全国第3 位，是全国重要的优质农产品生产基地。近几年，河南省连续发生了不同程度的旱灾，春旱和秋旱时有发生，影响了粮食生产。根据土壤含水量及田间持水量等成果，及时进行抗旱减灾对保障粮食安全具有重要的支撑作用。目前，研究田间持水量的内容也较多，但多是在常温条件下，没有考虑到不同土壤类型、温度和季节变化对田间持水量的影响[4,5]。本文在土壤颗粒分析试验结果的基础上，选取典型区域，在不同季节开展不同质地土壤的田间持水量测定，对全面掌握河南不同区域、不同质地的土壤田间持水量和干容重等基本土壤参数具有重要意义，可为农田灌溉、防汛抗旱决策提供更科学的依据[6]。

1 材料与方法

1.1 取土范围

根据《土壤墒情监测规范》(SL364-2015)站点布设要求，墒情站最低布设密度为：国家粮食主产区和易旱区3～5站/县，一般地区2～3站/县。目前，河南省158个县(市、区)共布设有122处人工墒情监测站点，监测覆盖率为77.2%，完全符合要求，基本可以反映全省土壤墒情情况[7]。

为了全面掌握全省土壤质地类型，同时，也为了便于试验站点的选取，本文对122处人工墒情监测站的土壤全部进行了采样，采样深度分别为10、20、40 cm。随后，根据试验需要对其中的典型站点分季节再进行取土。

1.2 研究方法

土壤质地是土壤物理性质之一，是土壤中不同大小直径的矿物质颗粒的组成状况，根据国际制土壤质地分类标准，土壤质地可以分为砂土、壤土、黏壤土、黏土4大类12级。但是，根据河南的土壤质地实际情况，一般在进行土壤质地研究时，常常将黏壤土类也归入壤土类，可分为三大类：砂土类、壤土类、黏土类，12级。本次研究首先采用土壤分类方法对土壤进行分类，然后使用颗粒分析试验来确定122个站点的土壤质地，根据各站点的土壤质地选取砂土、壤土和黏土3种类型中具有代表性的3个站点，再开展不同环境下的田间持水量研究，其实验和研究流程见图1。

图1 研究流程图Fig.1 Research flow chart

1.3 关键技术

1.3.1 颗粒分析试验

颗粒分析试验是土样在干燥状态下，测定土壤中各种颗粒所占的百分比的方法，以此确定土壤中颗粒大小的分布情况，为土壤分类和了解土壤性质提供依据。颗粒分析试验的方法一般包括筛析法、密度计法等。当土的粒径d大于0.075 mm时，可使用筛析法；粒径d小于0.075mm时，可使用密度计法；粗细兼有时，可使用筛析法并配合密度计法。鉴于本文所取土样从视觉来看粗细兼有，因此本文先使用筛析法对较大颗粒进行筛选判断，然后将较小颗粒使用密度计法进行试验。

1.3.2 田间持水量测定

田间持水量测定方法包括室外测定法和室内测定法，室外测定法即小区灌水法，在野外田间进行，但使用该方法时间长任务量大，对一些土壤类型还具有局限性，因此该方法使用较少；室内法是环刀法，该方法试验相对简单，可操作性强，被广泛应用。

在使用环刀法测定时，按照《土壤墒情监测规范》(SL364-2015)实施。但在土壤饱和时发现，如果黏土使用规范中的浸水饱和法，饱和时间过长，大大拖延试验时间，同时，由于浸泡时间太长会造成土样严重松散和变性。所以本文根据不同土壤特性，砂土和壤土类采用了浸水饱和法，而黏土类饱和则引入了土工试验中的真空饱和法，使用真空缸和抽气机，借大气压力使试样饱和，大大加快了土壤饱和的速度[8,9]。

1.4 田间持水量计算

根据记录的试验结果，各站点土壤田间持水量计算方法为：

(1)

式中：ω为田间持水量，%；m为湿土质量，g；md为干土质量，g。

土壤干容重是指土壤空隙中不含水分时的密度，即固体颗粒的质量与土的总体积之比值，它是反映土壤密实度的指标，对防汛时前期影响雨量的计算和抗旱时农田灌溉需水量的计算都有重要的意义[8,9]。其计算表达式为：

(2)

式中：ρd为干容重，g/cm3；V为环刀体积，cm3。

2 成果与分析

2.1 颗粒分析成果

通过颗粒分析试验，得到土壤颗粒级配曲线，根据黏粒(d<0.002 mm)、粉粒(d=0.002～0.02 mm)、砂粒(d=0.02～2.0 mm)它们各自所占百分比，查国际制土壤质地分类三角坐标图，进行土壤分类。根据试验结果和土壤分类标准，全省122个站点土样可分为4种，即：粉砂质黏土、粉砂质壤土、壤土、砂壤土。其中，粉砂质黏土有15个站，粉砂质壤土有96个站，壤土有7个站，砂壤土有4个站，全省各类土壤所占比例见图2，可见，壤土类在河南省所占比例最大，占84.7%，即河南省以壤土类土壤居多，其中，粉砂质壤土占79%，壤土占5.7%。

图2 不同质地土壤所占百分比图Fig.2 Map of percentage of soils with different textures

2.2 不同季节典型区域田间持水量的测定

2.2.1 典型区域的选取

由于采样站点较多，颗粒分析试验耗时较长，2017年完成了122个站点的全部颗粒分析试验。根据试验结果，本次研究在全省范围内选取了壤土、砂土和黏土所分布的典型区域对其进行田间持水量的测定和分析，包括朱仙镇、大王庙和南阳三个典型站，站点情况见表1，并于2018年4月(春季)和7月(夏季)对再次进行了采样。

表1 选取站点信息一览表Tab.1 A list of site information

2.2.2 田间持水量测定成果与分析

本次研究分别在春秋两季，采用恒温恒湿和常温两种环境进行试验，恒温恒湿环境主要将实验室环境维持在26 ℃左右，常温环境温度与季节室内外环境基本一样。同时，为了尽量消除试验样品结果的随机性，本文在3个土层分别取了8～10个土壤样品，分层试验成果取的是该层所有样品式样结果的平均值，得到的试验数据包括田间持水量和干容重[10]。试验得到的结果分别见表2和表3。

表2 春季恒温恒湿与常温环境条件试验结果比对表Tab.2 Comparison Results table of constant temperature&Humidity and ambient condition in Spring

表3 夏季恒温恒湿与常温环境条件试验结果比对表Tab.3 Comparison Results table of constant temperature&Humidity and ambient condition in Summer

从同一站点、同一深度不同季节来分析，以南阳站(黏土类型)为例，对深度10 cm处春季和夏季的分别各10个样品试验数据，开展受季节温度影响的单因素方差分析。表4是在方差分析前，对春、夏两季田间持水量数据进行方差统计的结果。

表4 南阳站10 cm处试验数据统计表Tab.4 Statistical test data of Nanyang station at 10 cm

在方差分析时，首先要对春夏两组数据进行齐性检验。经过计算，齐性显著性P′=0.506>0.05，说明春夏两季的方差在置信水平α=0.05水平上没有显著性差异，即方差具有齐次性，可以使用单因素方差分析法。在齐性检验后，再进行方差分析计算，结果见表5。从表中可以看到：F=4.238，显著性P=0.054>0.05，说明置信水平为95%，置信区间在[21.46，23.08]之间的春夏两组数据之间没有显著差异。根据该方法，本文分别对其他站点的不同土层试验数据进行了方差分析，均发现相同深度、不同季节温度之间的两组试验数据之间并无较大差异。

表5 单因素方差分析结果表Tab.5 One-way ANOVA results table

从每层田间持水量数据对比看：①无论是夏季还是春季,在10、20、40 cm各土层的田间持水量都为：黏土>壤土>砂土，说明在各类土壤中黏土的田间持水量最大。②鉴于不同土壤类型的田间持水量对温度的敏感程度略有差异，黏土类的南阳站和壤土类的大王庙站，各分层春季试验结果基本略大于夏季成果；砂土类型在40 cm处田间持水量，夏季大于春季，其余各层是春季大于夏季。

从单站田间持水量数据看：无论夏季还是春季，在恒温恒湿和常温条件下，田间持水量均是黏土>壤土>砂土，规律明显。

从干容重数据来看，无论是各分层数据还是单站数据，季节和温度变化对干容重基本没有影响。

3 结论

通过本次试验可以得到以下结论：

(1)从图3中不难看出，在不同温度下除了个别土样的田间持水量差别较大外，大部分试验数据基本相同，而且南阳站黏土的田间持水量数据整体大于大王庙壤土和朱仙镇砂土，大王庙壤土又大于朱仙镇砂土。在春夏两季田间持水量，恒温状态下略大于常温；春季田间持水量略大于夏季。在同一站点不同温度条件下，田间持水量大致相同，并无明显规律和较大差别。因此，可以说明季节和温度对田间持水量并无较大影响。

图3 不同温度条件下田间持水量对比图Fig.3 Contrast chart of field water holding under different temperature condition

(2)通过本次试验，还得到了干容重与田间持水量的关系。利用试验数据，建立土壤田间持水量与土壤干容重关系曲线。通过分析，可以得出以下结论：干容重越大田间持水量越小，干容重越小田间持水量越大，田间持水量与干容重呈反比关系，其规律较为明显。这也反映了一个物理现象，当干容重较大时，土壤孔隙较小，自然田间持水量也较小；当干容重较小时，土壤孔隙较大，自然田间持水量也大。同时，可以得到田间持水量与干容重的关系为线性函数，详见图4，其中参数a(a>0)和b需要根据单站的实际情况率定求得。