圍框淹灌儀器法測定土壤田間持水量試驗研究

鐘永紅，吳 勇，杜 森，姚 麗，孟范玉，王彩絨

(1.全國農業技術推廣服務中心，北京 100125； 2.北京派得偉業科技發展有限公司，北京 100097；3.農業農村部農業信息軟硬件產品質量檢測重點實驗室，北京 100097；4.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；5.北京市農業技術推廣站，北京 100029； 6.西北農林科技大學，陜西 楊凌712100)

0 引言

田間持水量是指土壤毛管懸著水達到最大時的土壤含水量，它不是一個特定的值，大小與土壤的結構、質地、有機質含量，以及土壤所處地區氣候等有關，受多種因素的影響[1-2]。田間持水量是重要的土壤水分常數之一，是開展墑情評價和旱情分析，指導科學灌溉不可缺少的基礎信息[3]。田間持水量田間原位測定方法有天然降水法、圍框淹灌法，室內測定方法包括環刀法(威爾科克斯法)、整段標本法、壓力膜法等，目前應用較多的是天然降水法、圍框淹灌法、環刀法3種測定方法。

環刀法是實驗室內測定田間持水量最常用的方法，其不受天氣限制，易操作。羅清元等[4]利用環刀法在不同季節不同環境下測定3種不同土壤的田間持水量，得出田間持水量不受溫度環境影響的結論。但環刀法不足之處是因測定環境與實際不符，受到取樣代表性、實驗室環境、上下環刀對接的貼合程度等因素的影響。

天然降水法即飽和雨后測定法，該法較符合田間實際，不受人為因素影響，測定結果代表性好。姜波等[5]采用天然降雨法，可準確測定吉林省中西部地區土壤的田間持水量。但該方法對降水條件、監測時機要求較高，局限于待測區的降雨強度和降雨量，以及待測區在降水前期所受氣溫、風力、蒸發和地下水入滲等因子的影響，對于干旱或半干旱且常年少雨地區，此種方法的實用性不強[4]。

圍框淹灌法是在試驗地塊中建立試驗區，通過設置圍框、人工灌水、地膜覆蓋和自然滲透等一系列人工干預的技術手段，使圍框內土壤含水量達到飽和，待自然排出重力水后，測定最大毛管懸著水量即為田間持水量。該法不受降水控制，可隨時選取試驗區進行測定，由于試驗區保持了土壤的自然狀態，測定結果具有代表性。徐麗萍等[6]和鐘誠等[7]利用圍框淹灌法準確測得土壤的田間持水量。但目前的人工圍框淹灌法需要通過高頻率烘干取土法監測土壤退水過程，全部測定過程均需技術人員在野外進行，測定周期長、工作量大，在一定程度上限制了其應用推廣。

測量田間持水量的方法仍存在很多問題，隨著墑情監測自動化的發展，可以獲取大量連續的土壤含水量數據，更加密集地監測土壤含水量，為解決田間持水量測定提供了新路徑。本研究提出一種基于無線傳感器的原位測定土壤田間持水量的測定方法——圍框淹灌儀器法，并構建基于“滑動平均含水量法”和“移動平均法”的田間持水量判定方法，通過多種類型土壤試驗進一步驗證其精確性和可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗區土壤概況

試驗分別在陜西洛川黏壤土(黑壚土)、北京昌平砂質黏壤土、吉林梨樹黑土3種代表性土壤類型上進行，測定時間為2019年8—11月。陜西洛川黏壤土0～20、20～40 cm土壤容重分別為1.42和1.58 g/cm3。北京昌平砂質黏壤土0～20、20～40和40～60 cm土壤容重分別為1.43、1.65和1.55 g/cm3。吉林梨樹黑土0～20 cm土壤中砂粒、粉粒和黏粒含量分別為16.2%、46.4%和37.4%，土壤容重為1.50 g/cm3；20～40 cm土壤中砂粒、粉粒和黏粒含量分別為13.5%、49.9%和36.7%，土壤容重為1.50 g/cm3。

1.2 圍框淹灌儀器法測定田間持水量

圍框淹灌儀器法測定土壤田間持水量是在試驗地塊中建立試驗區，通過設置圍框、人工灌水、地膜覆蓋和自然滲透等一系列人工干預的技術手段，使圍框內土壤含水量達到飽和，待自然排出重力水后，測定最大毛管懸著水量即為田間持水量。試驗用到的儀器包括土壤墑情自動監測設備，分辨率≤0.1%；木框；干草、秸稈或其他墊料；塑料薄膜；分析天平；環刀；鋁盒；電熱恒溫烘箱。

(1)首先選擇代表性強、空曠平坦的地塊，平整地面，安裝土壤墑情自動監測設備，盡量減少土壤擾動，將傳感器和土壤緊密接觸，壓緊壓實。安裝完成后，測試設備數據采集、存儲和發送等功能，確保運行正常。

(2)以土壤墑情自動監測設備埋設探頭位置為中心，四周筑正方形(2 m×2 m)土埂(從埂外取土筑埂)，埂高約30 cm，埂底寬約30 cm。以傳感器埋設位置為中心放入正方形木框，木框入土深度約20 cm，放入木框時注意不要損壞數據傳輸線。框內面積1 m2，為測試區。若無木框，可再筑一內埂替代，埂內面積仍為1 m2。木框或內埂外的部分為保護區，防止測試區內的水外流。

(3)灌水量計算：灌水量要確保試驗區1 m深土體水分達到過飽和。灌水前，用土壤墑情自動監測設備測定1 m深土體各層的實際含水量，按照式(1)計算所需灌水量。

Q=2×(θ2-θ1)×4/100

(1)

式中Q——灌水量，m3

θ2——田間持水量，用質量含水量表示。一般砂土和砂壤土取22%，輕壤土和中壤土取28%，重壤土和黏土取35%

θ1——灌水前實測土壤含水量，用質量含水量表示

灌水量也可采用經驗值，一般砂土1.4 m3，壤土和黏土1.8 m3。

(4)灌水前在測試區和保護區地面鋪放一薄層干草、秸稈或其他墊料，避免灌水時沖擊土壤，破壞表土結構。灌水時先灌保護區，迅速建立5 cm厚的水層，然后向測試區灌水，同樣建立5 cm厚的水層。保護區灌3/4的水量，測試區灌1/4的水量，直至灌完計算的總灌水量；灌水完成后，在測試區和保護區先覆蓋一層干草或秸稈，再覆蓋塑料薄膜(避免土壤水分蒸發和雨水滲入)，保持到田間持水量測定結束。

1.3 移動平均法判斷田間持水量

(2)

θt——當前時間點所測土層土壤含水量，以體積含水量表示

t——當前時間點

精密度：同一位置前后測定值相對相差≤5%。

1.4 可行性驗證

為驗證圍框淹灌儀器法的可行性，采用環刀法室內同步測定3個地區的土壤田間持水量，以兩種方法測定的田間持水量的絕對誤差和相對誤差作為評價指標，按照式(3)和式(4)計算。

εj=θ4j-θ3j

(3)

(4)

式中ε——每層土壤田間持水量的絕對誤差，cm3/cm3

θ3——環刀法測定的田間持水量，cm3/cm3

θ4——圍框淹灌儀器法測定的田間持水量，cm3/cm3

δ——每層土壤田間持水量的相對誤差

j——土層深度，cm

2 結果分析

2.1 陜西洛川黑壚土

采用圍框淹灌儀器法和環刀法，對陜西洛川黑壚土0～40 cm土層田間持水量進行測定。采用“滑動平均含水量法”和“移動平均法”計算土壤田間持水量，田間持水量和田間持水量變化隨時間變化過程如圖1所示。

灌水后土壤含水率處于上升的狀態，當土壤含水率達到飽和后，在重力作用下，土壤含水率呈下降趨勢，當達到田間持水量時，土壤含水率下降趨勢逐漸趨于平緩，處于一個比較穩定的階段，在這個階段達到田間持水點。從圖1a中可以看出，0～20 cm土層土壤含水率歷經3個上升階段，灌水45 h后達到飽和含水率，灌水55 h后到達田間持水量。從圖1b中可以看出，20～40 cm土壤含水率灌水10 h后達到飽和含水率，灌水30 h后達到田間持水量。

圖1 陜西洛川黑壚土層土壤含水量和土壤含水量變化規律

陜西洛川黑壚土0～40 cm土層田間持水量測定結果如表1所示。采用兩種方法對0～40 cm土層，每20 cm土層田間持水量測定結果絕對誤差分別0.009 1、0.010 1 cm3/cm3，相對誤差為2.66%～3.04%，平均誤差為2.85%，隨土層深度增加，誤差略有增大。

表1 陜西洛川黑壚土田間持水量

2.2 北京昌平砂質黏壤土

采用圍框淹灌儀器法和環刀法，對北京昌平砂質黏壤土0～60 cm土層田間持水量進行測定。采用“滑動平均含水量法”和“移動平均法”計算土壤田間持水量，田間持水量和田間持水量變化隨時間變化過程如圖2所示。

從圖2a中可以看出，0～20 cm土層土壤含水率歷經兩個上升階段，灌水50 h后達到飽和含水率，灌水100 h后達到田間持水量。從圖2b中可以看出，20～40 cm土壤含水率灌水后歷經50 h達到飽和含水率，灌水80 h后達到田間持水量。從圖2c中可以看出，40～60 cm土壤含水率灌水后歷經50 h達到飽和含水率，灌水100 h后達到田間持水量。

圖2 北京昌平砂質黏壤土土壤含水量和土壤含水量變化規律

北京昌平砂質黏壤土0～60 cm土層田間持水量測定結果如表2所示。采用兩種方法對0～60 cm土層，每20 cm土層田間持水量測定結果絕對誤差分別為0.013 8、0.025 9、0.013 2 cm3/cm3，測定結果相對誤差范圍為4.25%～8.41%，平均誤差為5.73%。

表2 北京昌平砂質黏壤土土壤田間持水量

2.3 吉林梨樹黑土

采用圍框淹灌儀器法和環刀法對吉林梨樹黑土10～30 cm土壤田間持水量進行測定，采用“滑動平均含水量法”和“移動平均法”計算土壤田間持水量，田間持水量和田間持水量變化隨時間變化過程如圖3所示。

從圖3中可以看出，10～30 cm土層土壤含水率歷經兩個上升階段，灌水2 h后達到飽和含水率，灌水11 h后達到田間持水量。

圖3 吉林梨樹黑土土壤含水量和土壤含水量變化規律

吉林梨樹黑土10～30 cm土層田間持水量測定結果如表3所示。采用兩種方法對30 cm土層田間持水量測定結果絕對誤差分別為0.02 cm3/cm3，測定結果相對誤差范圍為6.5%。

3 討論

圍框淹灌儀器法測量田間持水量與環刀法測得結果相比較，相對誤差為2.66%～8.41%，平均值為4.89%。高肖彥[8]采用圍框淹灌法測得的田間持水量結果是環刀法的0.38倍，二者結果相關系數R2=0.238 6。許靜[9]以吉林中西部地區3種典型土壤墑情監測點為研究對象，采用圍框淹灌法、環刀法測定田間持水量，結果表明，圍框淹灌法適用于不同土壤質地田間持水量測定，測定結果合理，對于砂土，圍框淹灌法測定的田間持水量與環刀法測定的結果相比，相對誤差為17%；對于壤土，相對誤差為11%；對于黏土，相對誤差為7%。江培福等[10]提出新型毛細吸滲法測量田間持水量，并與環刀法測得的田間持水量進行比較，兩種測量結果相關性很好，相對誤差約為9%。對比眾多學者的研究結果，本研究測量精度有所提高，因此采用圍框淹灌儀器法測得原位土壤田間持水量的結果是可行的。

為進一步驗證上述結果的可重復性，本研究在河北衡水河北省農林科學院旱作農業研究所實驗站，于2019年8月27日、9月8日和9月25日分3次灌水，在同一畦田進行了田間持水量的測定試驗。設備安裝畦的面積81 m2(9 m×9 m)。20、40、60和80 cm土壤容重分別為1.47、1.49、1.28和1.35 g/cm3。采用土壤墑情監測設備測得的8月27日、9月8日和9月25日3次灌溉前后20、40、60和80 cm土壤含水量的變化動態如圖4所示。不同時期測得的田間持水量數值比較如表4所示，同一層次不同時間測定的田間持水量相對穩定，相差較小。

表4 河北衡水土壤水分監測儀田間持水量測定結果

圖4 河北衡水3次灌水土壤含水率動態變化

從圖4中可以看出，20 cm土層8月27日、9月8日和9月25日3次測定從灌溉到達到田間持水量的時間分別為35、48和53 h；40 cm土層3次測定到達田間持水量的時間分別為54、31和57 h；60 cm土層3次測定到達田間持水量的時間分別為40、39和61 h；80 cm土層3次測定到達田間持水量的時間分別為39、34和58 h。從土壤含水量到達田間持水量的時間來看，總體上出現時間在31～61 h。

試驗進一步表明，獲得土壤田間持水量參數的時間段必須保證從土壤水分達到田間持水量以上開始，確定水分平衡點是關鍵。JABRO J D等[11]利用土壤水分保持曲線來估算原位土壤田間持水量，結果表明，Water Mark和TDR傳感器提供了精確的土壤水分原位保持數據，可用于農業和環境應用，包括灌溉管理和調度。辛玉琛[12]提出儀器法測量田間持水量，用儀器法測定田間持水量的同時，進行人工法測定田間持水量，結果表明，儀器法測定土壤田間持水量不會錯過出現田間持水量的時間點。本文在構建圍框淹灌儀器法測定田間持水量的方法基礎上，提出了利用土壤含水量及其變化量的動態曲線和滑動平均曲線確定土壤水分最高點和下降平衡點位置的方法是可行的。相較于前人的經驗判斷，進一步提高了精準度。同時隨著云計算的發展，該算法可內置到傳感器或云端平臺，通過自動捕捉退水曲線，在線自動測定計算田間持水量，進一步提高測定田間持水量的效率。

4 結論

采用圍框淹灌儀器法對不同質地土壤測定的田間持水量均保持穩定，且隨土層深度的變化符合常規土壤層次田間持水量的變化趨勢。與常規標準方法環刀法相比，相對誤差平均值為4.89%，在可接受范圍內。圍框淹灌儀器法測定土壤田間持水量，具有真實反映土體原狀和代表性強的優點，還可以利用儀器獲取土壤退水曲線，避免人工取土工作量大、破壞原狀土體、測定不準確和錯過田間持水量的時間等缺點。因此，圍框淹灌儀器法測定土壤田間持水量方法可靠，操作簡便快捷，可廣泛應用于野外土壤墑情監測。