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        利用環(huán)刀法測定土壤水分精度的影響因素

        2019-06-03 07:22:24李朝英
        水土保持通報 2019年2期
        關(guān)鍵詞:環(huán)刀毛管水量

        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?,隨著置砂時間增加,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?,未將濾紙及吸持水量去除,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)。

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