高冰可，周 微，袁志華，呂太華，徐仕櫻，陳國(guó)徽

(九江農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江西 九江 332000)

土壤水分特征曲線(SWCC)是描述土壤含水量與土壤水吸力之間關(guān)系的曲線，它可以反映土壤的孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、粒徑組成和持水能力[1]，也是表示土壤基本水動(dòng)力學(xué)特性的重要指標(biāo)；因此，SWCC對(duì)研究土壤水分動(dòng)態(tài)、溶質(zhì)運(yùn)移，以及田間水分管理具有重要意義。SWCC大多通過(guò)一定的儀器直接測(cè)定，如張力計(jì)、壓力膜儀、離心機(jī)等[2]。相較于其他方法，離心法測(cè)試SWCC操作簡(jiǎn)單、省時(shí)，可獲得0～1.5 MPa范圍內(nèi)指定土壤水吸力下的土壤含水量，目前已經(jīng)被越來(lái)越多的科研院所采用。

土壤基本物理性質(zhì)對(duì)SWCC影響顯著[3-4]。對(duì)紅壤而言，成土母質(zhì)對(duì)土壤機(jī)械組成的影響較為突出[5]，會(huì)間接影響SWCC的性質(zhì)(如曲線的形狀)。我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)面積達(dá)2 100多萬(wàn)hm2，成土母質(zhì)類(lèi)型豐富。深入探析不同成土母質(zhì)發(fā)育的紅壤的SWCC對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究具有重要意義，然而相關(guān)研究鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本文以不同成土母質(zhì)的紅壤為研究對(duì)象，探討用離心法測(cè)定土壤SWCC的最佳離心時(shí)間，以期為研究南方紅壤區(qū)的土壤水提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土樣分別采自湖北省咸寧市賀勝橋(樣本1)、通城縣(樣本2)，武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校園(樣本3)，均為紅壤，成土母質(zhì)分別為第四紀(jì)紅色黏土、花崗巖和石英砂巖。用吸管法測(cè)得土樣的機(jī)械組成，依據(jù)國(guó)際土壤學(xué)會(huì)對(duì)土壤粒級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)確定土壤質(zhì)地。樣本1：顆粒組成，0.02～2 mm，12.83%，0.002～0.02 mm，21.56%，<0.002 mm，65.61%；質(zhì)地為黏土；容重1.488 7 g·cm-3。樣本2：顆粒組成，0.02～2 mm，42.24%，0.002～0.02 mm，18.64%，<0.002 mm，39.12%；質(zhì)地為黏土；容重1.462 9 g·cm-3。樣本3：顆粒組成，0.02～2 mm，29.71%，0.002～0.02 mm，46.51%，<0.002 mm，23.32%；質(zhì)地為黏土；容重1.485 6 g·cm-3。可以看出，3種母質(zhì)的紅壤容重差異不大，但各個(gè)粒級(jí)的含量差異明顯，說(shuō)明成土母質(zhì)類(lèi)型對(duì)土壤質(zhì)地的影響很大。

1.2 方法

土壤樣品的采集方法是用離心機(jī)配套的環(huán)刀(高5 cm，體積100 cm3)取得原狀樣，每種土樣取4個(gè)重復(fù)樣。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，吸水飽和48 h后，用日立高速冷凍離心機(jī)(日立，CR21G)進(jìn)行離心測(cè)定。離心機(jī)轉(zhuǎn)速與吸力的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 離心機(jī)轉(zhuǎn)速與待測(cè)樣土壤水吸力的關(guān)系

當(dāng)吸力與離心力達(dá)到平衡后，取出環(huán)刀樣，用游標(biāo)卡尺測(cè)定土樣表面到離心盒(去蓋后)的距離，進(jìn)而計(jì)算離心結(jié)束時(shí)的土壤水吸力(H)，并確定土壤密度，然后取出土樣并稱(chēng)重。待全過(guò)程完成后，將士樣烘干稱(chēng)重，計(jì)算各個(gè)轉(zhuǎn)速下的土壤質(zhì)量含水量，同時(shí)根據(jù)土壤體積含水量與質(zhì)量含水量的關(guān)系計(jì)算土壤體積含水量。

離心時(shí)間的確定。用離心法測(cè)定SWCC達(dá)到平衡所需要的時(shí)間受多種因素的影響，如土壤黏粒含量、離心力大小、土樣厚度等。本研究將最佳離心時(shí)間定義為：在特定離心力下，所測(cè)土壤質(zhì)量含水量值與前次所測(cè)數(shù)值相對(duì)誤差小于1%時(shí)的離心時(shí)間。當(dāng)最佳離心時(shí)間小于200 min時(shí)，特定離心力下的每次離心時(shí)間間隔設(shè)為10 min；當(dāng)最佳離心時(shí)間介于200～500 min時(shí)，離心時(shí)間間隔設(shè)為30 min；當(dāng)最佳離心時(shí)間大于500 min時(shí)，離心時(shí)間間隔設(shè)為50 min。這主要是考慮土樣在大吸力下的失水難易程度，以及人力、物力、時(shí)間等因素而設(shè)定的。隨著離心力增加，黏粒含量越大的土樣達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 成土母質(zhì)對(duì)土壤含水量變化的影響

表2為3種土樣在不同離心時(shí)間(t)下土壤質(zhì)量含水量(θm)與土壤水吸力的對(duì)應(yīng)表，其中Er代表與前次含水量的相對(duì)誤差，ε*代表與前次離心穩(wěn)定時(shí)含水量的絕對(duì)誤差。以花崗巖母質(zhì)紅壤(樣本2)和石英砂巖母質(zhì)紅壤(樣本3)為例，不同母質(zhì)紅壤的飽和含水量(H=0)相差較大，石英砂巖母質(zhì)紅壤為28.79%，花崗巖母質(zhì)紅壤為37.07%。當(dāng)H為5 kPa時(shí)，花崗巖母質(zhì)紅壤的含水量由開(kāi)始測(cè)定時(shí)的37.07%減為穩(wěn)定時(shí)的36.06%，變化幅度僅為1.01百分點(diǎn)，而石英砂巖母質(zhì)紅壤則由28.79%減為穩(wěn)定時(shí)的24.08%，變化幅度達(dá)到4.71百分點(diǎn)；當(dāng)吸力為500 kPa時(shí)，花崗巖母質(zhì)紅壤與前次離心穩(wěn)定時(shí)含水量的絕對(duì)誤差增大到4.88百分點(diǎn)，而石英砂巖母質(zhì)紅壤與前次離心穩(wěn)定時(shí)含水量的絕對(duì)誤差為3.99百分點(diǎn)。隨著H進(jìn)一步加大，土壤失水量逐漸變小，在萎蔫點(diǎn)1 500 kPa時(shí)，花崗巖母質(zhì)紅壤的質(zhì)量含水量由前次測(cè)定時(shí)的21.35%減為穩(wěn)定時(shí)的19.85%，而石英砂巖母質(zhì)紅壤則由前次測(cè)定時(shí)的6.85%減為穩(wěn)定時(shí)的6.28%?？梢?jiàn)，在同等土壤水吸力下，不同母質(zhì)紅壤的ε*值相差較大。

2.2 最佳離心時(shí)間的確定

由表3可以看出，當(dāng)土壤水吸力在0～30 kPa范圍內(nèi)，3種母質(zhì)土樣的離心時(shí)間相差不大。隨著吸力增大，離心達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間逐漸增加，其中，石英砂巖母質(zhì)紅壤(樣本3)的離心時(shí)間增加較緩慢，而第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)紅壤增加最快。

由于0～0.3 kPa土壤水吸力范圍內(nèi)，相同成土母質(zhì)土樣的離心時(shí)間一致，僅將表3中30～1 500 kPa土壤水吸力條件下所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)用冪函數(shù)來(lái)表示，如圖1所示。

圖1 不同質(zhì)地土壤的最佳離心時(shí)間

從表4可以看出，所構(gòu)建的冪函數(shù)的R2均在0.95以上，說(shuō)明冪函數(shù)模擬SWCC最佳離心時(shí)間與轉(zhuǎn)速關(guān)系的效果較好。

表2 被試土樣在不同離心時(shí)間下的土壤質(zhì)量含水量與土壤水吸力

表3 不同成土母質(zhì)紅壤SWCC的最佳離心時(shí)間 min

表4 冪函數(shù)模擬SWCC最佳離心時(shí)間與土壤水吸力的參數(shù)

3 小結(jié)與討論

本研究表明：1)當(dāng)土壤水吸力小于100 kPa時(shí)，同等吸力下花崗巖母質(zhì)紅壤含水量變化幅度明顯小于石英砂巖母質(zhì)紅壤的變幅。當(dāng)土壤水吸力在100～1 500 kPa時(shí)，隨著土壤水吸力增大，土壤迅速失水，同等吸力下花崗巖母質(zhì)紅壤含水量變化幅度要大于石英砂巖母質(zhì)紅壤的變幅。2)土壤水分特征曲線測(cè)定過(guò)程中最佳離心時(shí)間與吸力的關(guān)系可以用冪函數(shù)來(lái)描述。3)黏粒含量越高的土樣，土壤水吸力越大，達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

在本試驗(yàn)中，當(dāng)土壤水吸力大于30 kPa，隨著離心力的增大，3種母質(zhì)土樣的離心時(shí)間差別較大。原因主要是不同土樣的黏粒含量差異較大。土壤黏粒含量高、細(xì)小孔隙較多時(shí)，土樣易于持水，離心達(dá)到平衡所需要的時(shí)間亦較長(zhǎng)；反之則短。

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