环刀法在干旱半干旱地区田间持水量测定的改进与应用探讨

2021-07-14郭富兴

水利技术监督 2021年7期

郭富兴

(辽宁省鞍山水文局，辽宁鞍山 114002)

田间持水量是指土壤毛管悬着水达到最大数值时的土壤含水量，即土壤束缚水达到最大数值时的土壤含水量。它是衡量田间土壤保持水分能力的重要指标，被视为对作物有效土壤水分的上限，对农田灌溉和作物水分管理具有十分重要的意义[1]。环刀法为室内测定田间持水量方法之一，利用环刀在监测地块采集原状土带回实验室，在人工干预条件下，使土样含水量达到田间持水量状态，采用人工取土烘干法测量环刀内土壤样品含水量，即为监测地块的田间持水量[2]。辽宁省人工墒情监测站无土壤田间持水量数据，不利于旱情分析预报工作[3]。按照水利部关于加强人工墒情信息报送相关文件要求，需要开展95处人工墒情站的田间持水量测定工作。实际工作中在采用传统环刀法进行土壤田间持水量测定时，过于湿润的土壤在削平环刀刃口时土壤孔隙结构会遭到破坏，从而易产生“镜面”效应，导致浸泡时水分难以进入；而处于较干燥状态的土壤在削平环刀刃口时会造成环刀内土壤脱落，影响原状土结构，对土壤田间持水量测定精度产生较大影响。为提高田间持水量测定精度，许多区域针对传统环刀法的土壤采样方法进行改进并应用[4-15]，但是在干旱半干旱地区该方式的改进还未得到应用。为此本文从提高干旱半干旱地区田间持水量测定精度的角度出发，对传统环刀法进行改进并应用，研究成果对于环刀法取样工作有积极的指导意义。

1 环刀法田间持水量测定步骤

环刀法为室内测定田间持水量方法之一，利用环刀在监测地块采集原状土带回实验室，在人工干预条件下，使土样含水量达到田间持水量状态，采用人工取土烘干法测量环刀内土壤样品含水量，即为监测地块的田间持水量，其主要测定步骤如下。

(1)田间采样。在3个土层深度分别为10、20、40cm进行均质土壤采样，每个深度采集3个土壤样本，可在一次有效降水后对土壤进行采样，采样人工浇水方式对表层土壤无积水的土样进行处理和采集。耕种层的黏土和壤土采样通过平行开挖方式进行剖面土壤的采集，垂直取土方式主要用于耕作层土壤为砂土质地的土壤采集。

(2)土样吸水。在平底盆中铺设砂子进行原状土壤环刀采集后，清水逐步向平底盆中注入，当环刀顶部高于水面1～2mm时注水逐步停止。在土样浸泡过程中不要让环刀淹没在水中，在缓慢注水过程中保持环刀上沿高于水面1～2mm稳定变幅。环刀采集的土样在水中浸泡的时间不低于24h，其中砂土、壤土在水中均匀浸泡的时间不超过1d，而黏土均匀浸泡的时间为2～3d。

(3)土样退水及称重。采用相对稳定的时间间隔进行饱和土壤样本及沙箱的称重，当不同时间间隔内质量测定重量的差距低于0.5g时可停止称重，对土壤含水率的退水变化进行过程线的绘制，其中砂土、壤土的含水量退水时间一般稳定在1～3d内，黏土的退水时间一般稳定在3～7d内。外置水箱在各土样退水过程中一直稳定在10cm变化。

(4)烘干及称重。对湿润的土壤样本进行碎片切割处理后进行总量称定和烘干处理，烘干处理温度控制在105℃之内，上下可浮动的温度为2℃，烘干时间长度一般为12h，烘干后经过冷却处理再对土壤样本进行质量称定。容器质量称重需要包含环刀、铝盒以及切土刀的总质量。

(5)计算田间持水量。不同土壤深度下的田间持水量采用算术平均方法计算，垂线平均田间持水量采用土层深度的加权平均法计算。

(6)合理性检验。按土壤质地检验、用以往成果检验、用历史旱情评价结果检验、用有关文献资料检验。若不合理，需重测。

2 仪器设备及沙箱制作方式

2.1 采样工具及设备

环刀(容积100cm3，Φ50.46×50，包含上、下盖)、环刀柄、铁锹、锤子(橡胶或实木)、厘米尺、整平尺、铝盒、削土刀、切土刀、滤纸、胶带或橡皮筋、盛水容器、石英砂(粒径小于1mm)、筛子(孔径1mm)、托盘、天平、电热恒温干燥箱、干燥器、沙箱，沙箱示意结构如图1所示。

图1 沙箱结构示意图

2.2 沙箱制作

为提高土壤田间持水量的测定精度，土壤样本的退水采用统一的沙箱进行处理。石英砂毛管在1个标准大气压下的粒径需要低于1mm并保持60cm的浸润高度。因此，石英砂层在沙箱内以及外置水箱补水高度分别为70和10cm，毛管水在石英砂补水层的高度为60cm。上部石英砂补水层高度超过60cm则会对采样土壤外部水分进行吸收，从而降低田间持水量的测定精度。反之会使得其土壤下渗水分减少，使得田间持水量测定误差加大。

(1)沙箱构件。采样不锈钢材质对沙箱的分沙桶和外置水箱进行圆筒立式架构。沙箱的高度一般为80cm，分沙桶的直径在40～60cm之间，内壁厚度大于1mm。底部设置4～8个直径不大于1cm的通水口。沙箱在外部放置的水箱高度一般为10cm，水箱内部宽度为50～70cm较为适宜，内壁宽度大于1mm。

(2)筛砂。筛子采用1mm的孔径进行石英砂的筛选，去除颗粒的直径高于1mm，石英砂毛管只有在粒径低于1mm时浸润高度才可以达到60cm。

(3)洗砂。对砂粉和灰尘混杂在石英砂中的颗粒采用清水冲洗的方式进行去除。

(4)装箱。石英砂采用水夯压实法进行不同深度的充填。沙箱中装入洗砂，至少按照2个分层进行充填，采用砂面以上注水的方式进行不同分层的石英砂充填，使得各分层石英砂在自然过滤状态下逐步下渗，当沙面低于水面高度时，再进行下一层石英砂的铺设，这主要是为了将空气和孔隙置于石英砂间隔中进行有效去除，对毛管孔隙结构在田间持水状态下进行模拟并满足试验需求。采用整平方式对最后一层铺设的石英砂进行注水后的砂面处理，砂面干燥后需要进行2h以上的静置处理，完成沙箱成品的处理，其实物结构如图2所示。

图2 沙箱实物

3 采样方法

3.1 土壤开挖

土壤开挖有2种方法：主要分为垂直和水平2种剖面开挖取土的方式。水平开挖取土主要应用于耕作层为黏土和壤土的土壤采集。砂土耕作层采用水平开挖垂直取土法。剖面开挖水平取土法：取土坑尺寸不小于60cm*40cm*50cm(长*宽*深)，按土壤剖面层次，自上至下用环刀在每层的中部采样，如图3所示。

图3 剖面开挖水平取土法采集土样开挖深度及环刀位置示意图

采集10、20、40cm深度的土样时，将环刀轴心位置分别对准土层10、20、40cm处即可。根据采集深度以及环刀高度对水平开挖剖面进行综合确定，其深度计算方程为：

h=H-L/2

(1)

式中，h—开挖深度，cm；H—采集深度，cm；L—环刀高度，cm。

以Φ50.46mm×50mm的环刀为例，当土壤采集深度为10cm时，采集深度H以及环刀高度分别为10和5cm，则开挖深度按方程(1)计算为7.5cm。对土壤表面按照此深度进行整平处理，将环刀下压充分没入土壤，环刀中心线在此时的深度为10cm，如图4所示。

图4 水平开挖垂直取土法采集土样开挖深度及环刀位置示意图

3.2 环刀切入

在采样前对采土层进行铲平处理，提前将编号以及重量称定完成的环刀刀刃缓缓切入到采集土样中。在土样切取时应尽量避免环刀歪斜。从而保证切入垂向均匀受力，环刀手柄选用橡皮锤，敲击的力度和落点适宜，震动幅度尽量降低，使得土壤内部孔隙结构不被破坏。当土壤内部充满环刀时切入停止，以免土壤结构因受土壤挤压而被破坏。

3.3 挖取土样

采用水平开挖方式取土时，应尽量在环刀全部切入后统一挖取土样，垂直进行土样开挖后，环刀切入应保持在同一深度进行，周围土壤采样用铁锹统一开挖，将环刀采样土裹在刀刃口段整体取出，从而避免刀刃口段取出时将端口的土壤连带取出，破坏原有土层结构。削土刀应尽量不采用环刀，在土样装满后取出环刀，环刀外壁土壤采样用削土刀削平，多余土壤从两端削去，环刀容积恰好和环刀内土壤体积相似。环刀刃口端面与削土刀侧面呈现10°左右的倾角，避免环刀土壤表面被削土刀侧面抹平，出现“镜面”影响，使得水分在浸泡时很难渗透。环刀采样现场如图5所示。

图5 环刀取样示意图

3.4 土样保存与运输

孔底盖在环刀刀刃端覆盖的滤纸上部，不能破坏底部滤纸，从而影响土壤样本的排水效果，顶端盖在环刀刀刃的另一端，外壁附土需要擦拭干净，如图6所示。顶盖的环刀和底盖需要使用橡皮筋或者胶带进行密封处理，以免出现脱落现象，在纸箱带有减震措施的内部放置环刀，尽量降低环刀在运输过程中对原状土壤样本的破坏影响。过于潮湿或者干燥的环境不适合存放采用环刀进行采集的土壤样本。需要尽快进行室内试验测定从而避免土壤结构受到不同程度改变。

图6 环刀结构及刀刃口覆盖滤纸示意图

4 田间持水量测定

4.1 土样吸水

土样吸水的目的是让土壤含水量达到饱和状态。同一测站样本土壤质地大致相同，最好同时一起浸泡，以便提高工作效率。打开顶盖后将原状土样的环刀在厚度为1cm以上的砂子层进行铺设，而后缓慢注入清水，当环刀顶部高于水面1～2mm时停止注入清水。在这个过程中土壤样本的浸泡时间不小于24h，确保壤土和砂土的土壤样本的浸泡时间不低于1d，黏土类型土壤样本的浸泡时间在2～3d，土壤在环刀内水分区域饱和，这个时候可以看见水分在土壤表层孔隙之间均匀充满，水膜覆盖在土壤表层。浸泡时间过短土壤毛细管不能完全吸收水分。浸泡时间过长会使土壤表面出现“液化”现象，土壤表面涨出或塌落，改变原有孔隙度，如图7所示。

图7 试验土样吸水

4.2 退水及称重

保持沙盖附着一段时间后，使得各类采样土壤水分达到田间持水的状态，总量测定需要分不同时段进行，环刀质量与监测时间的变化过程为退水过程，在天平称重前进行调整和校准。每隔3h对沙箱进行一次称重，第2d每间隔6h进行一次称重，第3d每间隔12h进行一次称重，当质量差低于0.5时停止称重。不同类型土壤田间持水量退水节点出现时间不同，砂土以及壤土一般在3d以内，黏土一般在3～7d内达到退水节点。外置水箱在退水过程的深度稳定在10cm，目的是使沙箱中的石英砂保持毛细悬着水，不从土样中吸取除重力水以外的多余水分，使环刀中土壤垂向运动的水分达到平衡。土样环刀重量包括环刀、环刀顶盖、湿土、环刀自带滤纸、橡皮筋和托盘的重量；为防止饱和土壤渗水影响天平(尤其是电子天平)称量精度，不能将环刀直接放在天平上称重，需放置在同一托盘上一起称重。每次称重前，均需要拿抹布擦干环刀顶盖及环刀壁水分和托盘水分，托盘不能随意变更，要固定同一个，以免因变更而影响称重质量。

4.3 烘干及称重

需要提前对切土刀和大铝盒进行编号和重量的称定。在湿土称重前用抹布擦拭浸泡好的环刀外壁。在环刀顶盖去除滤纸和橡皮筋，用切土刀在大铝盒中将湿土从环刀内取出切碎，不能将土样放到大铝盒外部以免影响质量称定，去除大石块以及包含在土壤中的植物，将处理合格的土样进行整体称重，并将温度控制在105±2℃进行烘干处理。烘干后需要进行室温冷却处理，并整体称重。对土壤水分以及土壤质量进行计算。部分田间持水量测定计算见表1。