李朝英, 鄭 路,2

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 廣西 憑祥 532600;2.廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)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(dòng)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(cè)定土壤物理性質(zhì)對(duì)于持續(xù)培肥土壤，提高土壤生產(chǎn)力，實(shí)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(guó)標(biāo)將環(huán)刀法作為測(cè)定土壤物理性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法，用于測(cè)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(xiàng)目[4-6]。環(huán)刀法所需設(shè)施簡(jiǎn)單，易于操作。在國(guó)內(nèi)外由土壤物理性質(zhì)角度開(kāi)展土壤肥力、植被生長(zhǎng)、土壤改良等方面的諸多研究中，環(huán)刀法運(yùn)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(cè)定的基礎(chǔ)項(xiàng)目，其測(cè)定結(jié)果用于計(jì)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(cè)定準(zhǔn)確性是土壤物理性質(zhì)檢測(cè)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(cè)定方法方面的討論分析未見(jiàn)報(bào)道，林業(yè)行標(biāo)(森林土壤水分—物理性質(zhì)的測(cè)定LY/1215-1999)對(duì)GB/T7835-1987進(jìn)行了修訂，但其方法要點(diǎn)陳述仍不明確，對(duì)于批量土壤樣品測(cè)定缺乏指導(dǎo)性及可操作性。鑒于此，本試驗(yàn)探討最大持水量、毛管孔隙度、最小持水量的檢測(cè)條件以及環(huán)刀中濾紙及吸持水重量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，以期提出適宜而明確的檢測(cè)條件，為批量土壤物理性質(zhì)準(zhǔn)確檢測(cè)提供參考與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗(yàn)樣地位于廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)站設(shè)置在中國(guó)林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心青山試驗(yàn)場(chǎng)(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(yàn)樣品

2017年10月，采用環(huán)刀法于試驗(yàn)場(chǎng)人工林樣地采集11個(gè)不同質(zhì)地的土壤樣品，各樣點(diǎn)重復(fù)3次，測(cè)定土壤物理性質(zhì)。同時(shí)取土樣裝入鋁盒中密封，以烘干法測(cè)定土壤水分含量。另取土樣風(fēng)干后過(guò)10目篩，測(cè)定土壤質(zhì)地[13]。

1.3 試驗(yàn)儀器

砂盤、水盤、環(huán)刀、烘箱、電子天平。

1.4 樣品情況和試驗(yàn)方法

所取11個(gè)土壤樣品情況詳見(jiàn)表1。

表1 樣品質(zhì)地檢測(cè)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(jiǎn)稱半浸)、平齊環(huán)刀上沿(簡(jiǎn)稱浸泡)、高于環(huán)刀上沿1 cm處(簡(jiǎn)稱浸沒(méi))，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(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel軟件統(tǒng)計(jì)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(cè)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(shí)間對(duì)土壤最大持水量的影響

由圖1可見(jiàn)，半浸、浸泡、浸沒(méi)條件下所測(cè)持水量隨著時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。3種浸泡方式在環(huán)刀浸水6 h所測(cè)持水量均偏小，浸水12 h所測(cè)持水量趨于穩(wěn)定，浸水16 h時(shí)所測(cè)持水量最大，表明環(huán)刀浸水時(shí)間偏短，土壤孔隙吸持水量偏低，隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤孔隙吸持水量趨于最大。由表2可見(jiàn)，環(huán)刀浸沒(méi)與浸泡12 h后測(cè)得最大持水量隨時(shí)間變化較小，而半浸12 h后所測(cè)最大持水量隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。浸水12 h和16 h時(shí)，3種方式所測(cè)最大持水量順序大體表現(xiàn)為：浸泡>浸沒(méi)>半浸，且不同浸水方式所測(cè)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?jiàn)，環(huán)刀浸沒(méi)12 h，16 h和半浸12 h所測(cè)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(cè)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(méi)12 h，16 h，半浸16 h以及浸泡12 h，16 h所測(cè)最大持水量有顯著性差異，浸沒(méi)12 h，16 h，半浸16 h與浸泡12 h，16 h所測(cè)最大持水量有顯著性差異，浸沒(méi)12 h，16 h，半浸16 h所測(cè)最大持水量無(wú)顯著性差異，浸泡12 h與16 h所測(cè)最大持水量無(wú)顯著性差異。由此可見(jiàn)，最大持水量的測(cè)定與環(huán)刀浸泡水位及時(shí)間均有關(guān)系。水浸沒(méi)環(huán)刀，易造成土壤孔隙中空氣難以及時(shí)排出，延長(zhǎng)浸沒(méi)時(shí)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(shì)能低，水重力作用使孔隙水上升速度較慢，延長(zhǎng)半浸時(shí)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(shí)間延長(zhǎng)所測(cè)持水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(shì)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(cè)持水量趨于最大。為了避免檢測(cè)干擾，且便于操作，本試驗(yàn)提出測(cè)定最大持水量的適宜水位為平齊環(huán)刀上沿，適宜浸泡時(shí)間12～14 h。

圖1 不同浸泡方法及浸泡時(shí)間環(huán)刀所測(cè)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(cè)最大持水量的比較(n=3)

注：表中數(shù)據(jù)為所測(cè)最大持水量+SD,行間字母相同的表示無(wú)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(shí)間對(duì)毛管持水量測(cè)定的影響

由圖2可見(jiàn)，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(shí)間后可測(cè)得毛管持水量。隨著置砂時(shí)間的延長(zhǎng)，毛管持水量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，置砂2 h后呈穩(wěn)定趨勢(shì)。這是因?yàn)橥寥雷畲蟪炙亓λ兔芩h(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(shí)間延長(zhǎng)，重力水滲流速度逐漸減慢。環(huán)刀置砂上2 h后時(shí)，重力水滲流殆盡，所測(cè)毛管持水量趨于一致。本試驗(yàn)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?yàn)樯百|(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(jiàn)，吸持最大水量的環(huán)刀土樣置砂1，2，3 h后，所測(cè)毛管持水量SD波動(dòng)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(cè)毛管持水量的SD較高，置砂2和3 h所測(cè)毛管持水量SD降低，且趨于一致。這說(shuō)明置砂2～3 h所測(cè)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(cè)毛管持水量有顯著性差異，置砂2 h與3 h所測(cè)毛管持水量無(wú)顯著性差異?？梢?jiàn)，置砂2～3 h的重力水滲流對(duì)毛管持水量測(cè)定影響較小，毛管水的移動(dòng)也未對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生干擾。置砂上2 h，3 h所測(cè)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(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性及可比性，本試驗(yàn)提出毛管持水量適宜測(cè)定時(shí)段在環(huán)刀置砂2～2.5 h之間。

圖2 不同置砂時(shí)間環(huán)刀所測(cè)毛管持水量

樣品置砂時(shí)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(cè)結(jié)果為對(duì)照組，行間數(shù)據(jù)后無(wú)字母的表示無(wú)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(cè)結(jié)果為對(duì)照組，行間數(shù)據(jù)后無(wú)字母的表示無(wú)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(shí)間對(duì)最小持水量測(cè)定的影響

將測(cè)定毛管持水量的環(huán)刀繼續(xù)置砂一定時(shí)間后可測(cè)得土壤最小持水量。由圖3可見(jiàn)，樣4在繼續(xù)置砂24 h時(shí)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(shí)所測(cè)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(wú)水源支持，毛管支持水不斷向下移動(dòng)，置砂72 h后所測(cè)持水量趨于穩(wěn)定。這說(shuō)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(dòng)速度快于其他類型土壤，環(huán)刀置砂72 h時(shí)，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(shuō)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(jiàn)，環(huán)刀置砂24，48，72，96 h所測(cè)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?jiàn)，隨著置砂時(shí)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(cè)最小持水量之間無(wú)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(cè)最小持水量之間無(wú)顯著性差異。由此可見(jiàn)，環(huán)刀置砂72 h時(shí)，砂質(zhì)壤土、壤土、黏土等不同類型土壤所測(cè)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(yàn)提出將測(cè)定毛管持水量后的環(huán)刀樣繼續(xù)置砂72～76 h為測(cè)定最小持水量的適宜時(shí)間。

圖3 不同置砂時(shí)間環(huán)刀所測(cè)土壤最小持水量

2.4 濾紙重量變化對(duì)持水量的影響

由圖4可見(jiàn)，試驗(yàn)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(shí)間延長(zhǎng)，濾紙吸持水量逐漸減輕。置砂2，24，48，72和96 h時(shí)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(jì)，濾紙及其吸持水量在浸泡12 h后并置砂2，24，48，72，96 h時(shí)，所測(cè)持水量分別為0.73%，0.61%，0.45%，0.37%，0.27%，0.24%?？梢?jiàn)，未將濾紙及吸持水量去除，所測(cè)最大持水量與毛管持水量高于真實(shí)值0.6%以上，誤差明顯。如上所述，環(huán)刀置砂72～96 h時(shí),所測(cè)最小持水量高出真實(shí)值0.3%以下，影響較小，可忽略不計(jì)。

表4 不同置砂時(shí)間環(huán)刀所測(cè)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(cè)結(jié)果為對(duì)照組，行間數(shù)據(jù)后無(wú)字母的表示無(wú)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(cè)結(jié)果為對(duì)照組，行間數(shù)據(jù)后無(wú)字母的表示無(wú)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(cè)結(jié)果為對(duì)照組，行間數(shù)據(jù)后無(wú)字母的表示無(wú)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(shí)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(shí)間稍長(zhǎng))測(cè)定最大持水量，但其所述浸泡時(shí)間存在不確定性。本試驗(yàn)結(jié)果表明，黏土浸泡12 h，所測(cè)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(guò)小的孔隙因毛管作用較弱或消失，浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，吸持水量有限。有研究指出土壤浸泡時(shí)間長(zhǎng)，黏粒分散或移動(dòng)可能造成孔隙堵塞[1,14-15]。本試驗(yàn)提出測(cè)定最大持水量的適宜時(shí)間，明確指導(dǎo)檢測(cè)分析，有利于避免誤差。尤其對(duì)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(cè)定時(shí)機(jī)是一個(gè)時(shí)點(diǎn)概念，不適用于指導(dǎo)批量樣品毛管持水量的測(cè)定。本試驗(yàn)提出環(huán)刀置砂2～2.5 h所測(cè)毛管持水量不受重力水及毛管水的干擾，是測(cè)定適宜時(shí)段，這為批量樣品準(zhǔn)確檢測(cè)提出了明確可行的時(shí)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(shí)可直接測(cè)得毛管持水量，所測(cè)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(cè)定多項(xiàng)指標(biāo)，所測(cè)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(cè)干擾少，為優(yōu)選方法。為此，本試驗(yàn)未以農(nóng)業(yè)行標(biāo)方法測(cè)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(cè)定時(shí)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(cè)操作繁瑣。本試驗(yàn)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(cè)最小持水量準(zhǔn)確穩(wěn)定。本試驗(yàn)對(duì)多類型土壤最小持水量的測(cè)定時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一，有利于提高檢測(cè)效率。由于本試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室在測(cè)定砂土最小持水量時(shí)可進(jìn)行不同放置時(shí)間的預(yù)試驗(yàn)，以確定最小持水量測(cè)定的適宜時(shí)間。本試驗(yàn)提出需去除濾紙及吸持水重量，否則對(duì)最大持水量及毛管持水量的測(cè)定有干擾，尤其對(duì)容重較小的土壤樣品誤差更為明顯。而現(xiàn)有研究對(duì)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(shí)滯留在土壤大孔隙中，而毛管水在空間和時(shí)間上則相對(duì)穩(wěn)定。因此，環(huán)刀法仍然存在難以避免的誤差[1,19]。在測(cè)定過(guò)程中需準(zhǔn)確控制檢測(cè)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(cè)定動(dòng)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(cè)環(huán)境保持恒溫，減少空氣流動(dòng)，以減少環(huán)刀內(nèi)土壤水分蒸發(fā)，避免外界因素對(duì)檢測(cè)的干擾。

4 結(jié) 論

為保證準(zhǔn)確測(cè)定土壤物理性質(zhì)，本試驗(yàn)提出測(cè)定最大持水量的適宜水位為平齊環(huán)刀上沿，浸泡時(shí)間為12～14 h，測(cè)定毛管持水量的適宜時(shí)間為置砂2～2.5 h，測(cè)定最小持水量的適宜時(shí)間為持續(xù)置砂72～76 h。在測(cè)定最大持水量、毛管持水量時(shí)需去除環(huán)刀中所用濾紙及吸持水重量，提高檢測(cè)精度。上述檢測(cè)條件適用于多類型土壤，檢測(cè)準(zhǔn)確可靠，適用于指導(dǎo)批量樣品的檢測(cè)分析。

本試驗(yàn)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(yàn)對(duì)現(xiàn)有方法所述檢測(cè)條件中的不確定性進(jìn)行優(yōu)化與完善，指出檢測(cè)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(cè)批量土壤物理性質(zhì)提供了有效可行的指導(dǎo)。