基于不同環境下的河南省典型區域土壤田間持水量研究

羅清元，楊 丹，劉麗娜，郭恒亮

(1.河南省水文水資源局，鄭州 450003；2. 河南省周口水文水資源勘測局，河南 周口 466000；3.河南省環境監測中心，鄭州 450018；4.鄭州大學智慧城市研究院，鄭州 450001)

0 引 言

土壤田間持水量是指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或者降水后，土壤含水量達到飽和，排除重力水后，土壤剖面所能維持的較穩定的土壤含水量，一般用百分數表示[1,2]。田間持水量是土壤所能保持的最高含水量，常常被用來計算灌溉定額和評估灌溉上限，對農業生產及抗旱有著重要的指導意義[3]。

河南是農業大省，全省耕地面積為792.6 萬hm2，居全國第3 位，是全國重要的優質農產品生產基地。近幾年，河南省連續發生了不同程度的旱災，春旱和秋旱時有發生，影響了糧食生產。根據土壤含水量及田間持水量等成果，及時進行抗旱減災對保障糧食安全具有重要的支撐作用。目前，研究田間持水量的內容也較多，但多是在常溫條件下，沒有考慮到不同土壤類型、溫度和季節變化對田間持水量的影響[4,5]。本文在土壤顆粒分析試驗結果的基礎上，選取典型區域，在不同季節開展不同質地土壤的田間持水量測定，對全面掌握河南不同區域、不同質地的土壤田間持水量和干容重等基本土壤參數具有重要意義，可為農田灌溉、防汛抗旱決策提供更科學的依據[6]。

1 材料與方法

1.1 取土范圍

根據《土壤墑情監測規范》(SL364-2015)站點布設要求，墑情站最低布設密度為：國家糧食主產區和易旱區3～5站/縣，一般地區2～3站/縣。目前，河南省158個縣(市、區)共布設有122處人工墑情監測站點，監測覆蓋率為77.2%，完全符合要求，基本可以反映全省土壤墑情情況[7]。

為了全面掌握全省土壤質地類型，同時，也為了便于試驗站點的選取，本文對122處人工墑情監測站的土壤全部進行了采樣，采樣深度分別為10、20、40 cm。隨后，根據試驗需要對其中的典型站點分季節再進行取土。

1.2 研究方法

土壤質地是土壤物理性質之一，是土壤中不同大小直徑的礦物質顆粒的組成狀況，根據國際制土壤質地分類標準，土壤質地可以分為砂土、壤土、黏壤土、黏土4大類12級。但是，根據河南的土壤質地實際情況，一般在進行土壤質地研究時，常常將黏壤土類也歸入壤土類，可分為三大類：砂土類、壤土類、黏土類，12級。本次研究首先采用土壤分類方法對土壤進行分類，然后使用顆粒分析試驗來確定122個站點的土壤質地，根據各站點的土壤質地選取砂土、壤土和黏土3種類型中具有代表性的3個站點，再開展不同環境下的田間持水量研究，其實驗和研究流程見圖1。

圖1 研究流程圖Fig.1 Research flow chart

1.3 關鍵技術

1.3.1 顆粒分析試驗

顆粒分析試驗是土樣在干燥狀態下，測定土壤中各種顆粒所占的百分比的方法，以此確定土壤中顆粒大小的分布情況，為土壤分類和了解土壤性質提供依據。顆粒分析試驗的方法一般包括篩析法、密度計法等。當土的粒徑d大于0.075 mm時，可使用篩析法；粒徑d小于0.075mm時，可使用密度計法；粗細兼有時，可使用篩析法并配合密度計法。鑒于本文所取土樣從視覺來看粗細兼有，因此本文先使用篩析法對較大顆粒進行篩選判斷，然后將較小顆粒使用密度計法進行試驗。

1.3.2 田間持水量測定

田間持水量測定方法包括室外測定法和室內測定法，室外測定法即小區灌水法，在野外田間進行，但使用該方法時間長任務量大，對一些土壤類型還具有局限性，因此該方法使用較少；室內法是環刀法，該方法試驗相對簡單，可操作性強，被廣泛應用。

在使用環刀法測定時，按照《土壤墑情監測規范》(SL364-2015)實施。但在土壤飽和時發現，如果黏土使用規范中的浸水飽和法，飽和時間過長，大大拖延試驗時間，同時，由于浸泡時間太長會造成土樣嚴重松散和變性。所以本文根據不同土壤特性，砂土和壤土類采用了浸水飽和法，而黏土類飽和則引入了土工試驗中的真空飽和法，使用真空缸和抽氣機，借大氣壓力使試樣飽和，大大加快了土壤飽和的速度[8,9]。

1.4 田間持水量計算

根據記錄的試驗結果，各站點土壤田間持水量計算方法為：

(1)

式中：ω為田間持水量，%；m為濕土質量，g；md為干土質量，g。

土壤干容重是指土壤空隙中不含水分時的密度，即固體顆粒的質量與土的總體積之比值，它是反映土壤密實度的指標，對防汛時前期影響雨量的計算和抗旱時農田灌溉需水量的計算都有重要的意義[8,9]。其計算表達式為：

(2)

式中：ρd為干容重，g/cm3；V為環刀體積，cm3。

2 成果與分析

2.1 顆粒分析成果

通過顆粒分析試驗，得到土壤顆粒級配曲線，根據黏粒(d<0.002 mm)、粉粒(d=0.002～0.02 mm)、砂粒(d=0.02～2.0 mm)它們各自所占百分比，查國際制土壤質地分類三角坐標圖，進行土壤分類。根據試驗結果和土壤分類標準，全省122個站點土樣可分為4種，即：粉砂質黏土、粉砂質壤土、壤土、砂壤土。其中，粉砂質黏土有15個站，粉砂質壤土有96個站，壤土有7個站，砂壤土有4個站，全省各類土壤所占比例見圖2，可見，壤土類在河南省所占比例最大，占84.7%，即河南省以壤土類土壤居多，其中，粉砂質壤土占79%，壤土占5.7%。

圖2 不同質地土壤所占百分比圖Fig.2 Map of percentage of soils with different textures

2.2 不同季節典型區域田間持水量的測定

2.2.1 典型區域的選取

由于采樣站點較多，顆粒分析試驗耗時較長，2017年完成了122個站點的全部顆粒分析試驗。根據試驗結果，本次研究在全省范圍內選取了壤土、砂土和黏土所分布的典型區域對其進行田間持水量的測定和分析，包括朱仙鎮、大王廟和南陽三個典型站，站點情況見表1，并于2018年4月(春季)和7月(夏季)對再次進行了采樣。

表1 選取站點信息一覽表Tab.1 A list of site information

2.2.2 田間持水量測定成果與分析

本次研究分別在春秋兩季，采用恒溫恒濕和常溫兩種環境進行試驗，恒溫恒濕環境主要將實驗室環境維持在26 ℃左右，常溫環境溫度與季節室內外環境基本一樣。同時，為了盡量消除試驗樣品結果的隨機性，本文在3個土層分別取了8～10個土壤樣品，分層試驗成果取的是該層所有樣品式樣結果的平均值，得到的試驗數據包括田間持水量和干容重[10]。試驗得到的結果分別見表2和表3。

表2 春季恒溫恒濕與常溫環境條件試驗結果比對表Tab.2 Comparison Results table of constant temperature&Humidity and ambient condition in Spring

表3 夏季恒溫恒濕與常溫環境條件試驗結果比對表Tab.3 Comparison Results table of constant temperature&Humidity and ambient condition in Summer

從同一站點、同一深度不同季節來分析，以南陽站(黏土類型)為例，對深度10 cm處春季和夏季的分別各10個樣品試驗數據，開展受季節溫度影響的單因素方差分析。表4是在方差分析前，對春、夏兩季田間持水量數據進行方差統計的結果。

表4 南陽站10 cm處試驗數據統計表Tab.4 Statistical test data of Nanyang station at 10 cm

在方差分析時，首先要對春夏兩組數據進行齊性檢驗。經過計算，齊性顯著性P′=0.506>0.05，說明春夏兩季的方差在置信水平α=0.05水平上沒有顯著性差異，即方差具有齊次性，可以使用單因素方差分析法。在齊性檢驗后，再進行方差分析計算，結果見表5。從表中可以看到：F=4.238，顯著性P=0.054>0.05，說明置信水平為95%，置信區間在[21.46，23.08]之間的春夏兩組數據之間沒有顯著差異。根據該方法，本文分別對其他站點的不同土層試驗數據進行了方差分析，均發現相同深度、不同季節溫度之間的兩組試驗數據之間并無較大差異。

表5 單因素方差分析結果表Tab.5 One-way ANOVA results table

從每層田間持水量數據對比看：①無論是夏季還是春季,在10、20、40 cm各土層的田間持水量都為：黏土>壤土>砂土，說明在各類土壤中黏土的田間持水量最大。②鑒于不同土壤類型的田間持水量對溫度的敏感程度略有差異，黏土類的南陽站和壤土類的大王廟站，各分層春季試驗結果基本略大于夏季成果； 砂土類型在40 cm處田間持水量，夏季大于春季，其余各層是春季大于夏季。

從單站田間持水量數據看：無論夏季還是春季，在恒溫恒濕和常溫條件下，田間持水量均是黏土>壤土>砂土，規律明顯。

從干容重數據來看，無論是各分層數據還是單站數據，季節和溫度變化對干容重基本沒有影響。

3 結 論

通過本次試驗可以得到以下結論：

(1)從圖3中不難看出，在不同溫度下除了個別土樣的田間持水量差別較大外，大部分試驗數據基本相同，而且南陽站黏土的田間持水量數據整體大于大王廟壤土和朱仙鎮砂土，大王廟壤土又大于朱仙鎮砂土。在春夏兩季田間持水量，恒溫狀態下略大于常溫；春季田間持水量略大于夏季。在同一站點不同溫度條件下，田間持水量大致相同，并無明顯規律和較大差別。因此，可以說明季節和溫度對田間持水量并無較大影響。

圖3 不同溫度條件下田間持水量對比圖Fig.3 Contrast chart of field water holding under different temperature condition

(2)通過本次試驗，還得到了干容重與田間持水量的關系。利用試驗數據，建立土壤田間持水量與土壤干容重關系曲線。通過分析，可以得出以下結論：干容重越大田間持水量越小，干容重越小田間持水量越大，田間持水量與干容重呈反比關系，其規律較為明顯。這也反映了一個物理現象，當干容重較大時，土壤孔隙較小，自然田間持水量也較??；當干容重較小時，土壤孔隙較大，自然田間持水量也大。同時，可以得到田間持水量與干容重的關系為線性函數 ，詳見圖4，其中參數a(a>0)和b需要根據單站的實際情況率定求得。

圖4 田間持水量與干容重關系圖Fig.4 Relation diagram between field water holding capacity and dry volume weight