豫東平原地區田間持水量測定及誤差分析

張媛媛

（河南省周口水文水資源勘測局，河南 周口 466000）

1 概述

位于豫東平原的周口市，地處南北過渡地帶，四季分明。總面積11 959 km2，耕地面積7 800 km2，土地肥沃，區內盛產小麥、玉米、大豆、棉花等農作物，是全國重要的糧、棉、油生產基地，為保障國家糧食安全作出了貢獻。因此為更好指導農業生產進行田間持水量測定，具有深遠意義。

田間持水量是指在地下水較深，毛管水與地下水無聯系，在充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發，經過一定時間，土壤剖面所能維持的較穩定的土壤水含量最大值，在形式上包括：吸濕水、膜狀水、懸著毛管水。理論上講，田間持水量是一個固定值，但土壤含水量是不斷變化，包含萬千的，是一個動態過程，受土壤地質、孔隙率、耕作層深淺、地溫以及氣溫、風速、降雨、地下水埋深等因素的影響，每時每刻都在變化，只是在一定的時間段內基本穩定。另外，土壤含水量的測定本身有很多不確定因素，加上取樣、烘干、稱重等環節產生的誤差，因此，對于某一地域，采用不同的方法，計算出的田間持水量均存在一定的誤差。水在土壤中的運動有他獨有的規律，吸濕水、膜狀水、懸著毛管水達到最大后，多余的水才在重力的作用下，垂直或水平運動，在排去多余的重力水后，土層中保持的最大懸著水量在一段時間內相對穩定，這從土壤含水量過程線也可明顯看出，這個時段也是監測田間持水量的最佳時段，因此選擇合理的取樣時間是確保田間持水量數值正確與否的關鍵。

2 田間持水量的測定

2.1 原理及方法

自然降水法：在有代表性的地塊上，一場連續較大降雨過后，監測地塊土壤含水量達到飽和時，連續監測土壤水分衰退過程，在排去多余的重力水后，測定土層中保持的最大懸著水量即為田間持水量。該方法要求降雨歷時長、量級大、下滲充分，降雨過后要用塑料布和秸稈等覆蓋，以防止土表蒸發。在測試區內10、20、40 cm 取三個土樣，用稱重烘干法，測其含水率，以占干土重百分數表示。

實驗室環刀法：用環刀在欲測地段上采取原狀土帶回室內。同時在同一土層上取些散狀土，一并帶回室內。放置在裝有水的平底容器中，使土樣含水量達到飽和。后者經風干，通過孔徑為1 mm 的土篩，裝入環刀。然后將裝有濕土的環刀的有孔蓋子打開，連同濾紙一起放在盛風干土的環刀上，排出重力水后，測其含水率。經過重復測重，求出同一土層含水率的平均值，即為該層的田間持水量。

實驗室電導率法：用環刀在欲測地段上采取原狀土帶回室內。放置在裝有水的平底容器中，使土樣含水量達到飽和，然后將裝有濕土的環刀的有孔蓋子打開，測其電導率，準確記錄各時段電導率的變化，也可加裝自動記錄裝置，便于自動保存，今后研究使用，當電導率無變化或變化較小時，也就是重力水后完全排除后，其含水率即為單樣田間持水量。經過重復測量，求出同一土層含水率的平均值，即為該層的田間持水量。

移動墑情儀法：采用便攜式移動墑情監測設備，土壤水分傳感器型號HT-SMAA-CZ1，該設備發射固定頻率信號，信號到達土壤端后，由于阻抗不匹配，回傳信號形成駐波疊加，駐波疊加信號取決于土壤的介電常數，而土壤的介電常數與土壤的含水量呈一定的關系。然后采用人工烘干法與駐波疊加信號對比率定，率定關系采用三次（多次）多項式方程表示，從而用回傳信號計算出土壤含水量。

2.2 監測站點的確定

檢測站點的確定應根據當地的土壤類型、農作物種植結構和地形地貌條件，綜合確定監測位置。一是有代表性，包括地貌、土壤、氣象、水文地質以及種植作物的代表性；二是選擇坡面比降小、面積相對較大，避免溝底、低洼易積水地點；三是遠離樹林、高大建筑物，避開河流、水庫等較大水體。此次監測位置選擇三處，一處是河南省鹿邑縣玄武鎮東南200 m，東經115°16′31″，北緯33°58′23″，自動墑情監測站周圍，經現場查勘及取樣分析，該地塊土質為壤土；一處選擇在周莊水文站東北300 m，河南省商水縣袁老鄉周莊村南1 200 m，東經114°39′05″，北緯33°27′43″，自動墑情監測站周圍，經現場查勘及取樣分析，該地塊土質為黏土。另一處選擇在黃橋水文站東南700 m，河南省西華縣黃橋鄉黃橋村南200 m，東經114°27′05″，北緯33°45′43″，自動墑情監測站周圍，經現場查勘及取樣分析，該地塊土質為沙壤土。這三處監測點均在農作物種植大田地，符合上述站點選擇條件，具有代表性，附近又有雨量站，而且水文站有土壤含水量測定所需各種設備，可以隨時取樣、稱重、烘干、計算等。

2.3 監測時段

按照自然降水法的原理及方法，密切注意天氣預報，選取2020年6月11-17日的連續兩場降雨過程，11日全市普降大到暴雨，16 日全市普降大到暴雨，17 日的普降小到中雨，根據降雨情況和現場調查，田間部分地塊已有積水，說明土壤含水量已超過田間持水量，根據天氣預報，17日以后連續幾天無明顯降水過程，抓住這個時機，進行取樣監測，應該得到滿意效果。三處監測點附近雨量站11-17日降雨量這里不在列出。

2.4 監測結果

2.4.1 自然降水法、移動墑情儀法

為防止蒸發及后續降雨對監測數據的影響，用塑料薄膜覆蓋取樣區域。自6 月18-27 日共10 d，每天8 時、20 時取樣兩次，每次取樣的同時用人工便攜式移動墑情監測設備進行現場測定土壤含水量，取樣后立即進行稱重、烘干等程序，計算出每次樣品的10、20、40 cm深的土壤含水量，并用算術平均法計算出平均土壤含水量，這樣每種方法得到22組數據，繪制土壤含水量動態變化過程線，詳見圖1、圖2。

圖1 鹿邑縣玄武鎮自然降水法田間持水量推求圖

圖2 鹿邑縣玄武鎮移動墑情田間持水量推求圖

從動態變化過程線可以看出，土壤的釋水過程分為3個階段，即重力作用的陡降段、重力與分子力同時作用的過渡段和分子力作用的緩降段。理論上，在陡降段上的土壤水分受重力作用，釋水呈線性規律，添加趨勢線，段下的土壤水分受分子力作用，釋水亦呈線性規律，也添加趨勢線。在概念上，田間持水量是分子力和重力作用的臨界點，則兩個趨勢線交點處對應的含水量數值即為田間持水量。從圖1 可得出鹿邑縣玄武站自然降水量法田間持水量為27.20%；從圖2可得出鹿邑縣玄武站移動墑情監測得到田間持水量為29.60%。

用同樣的方法得到田間持水量，限于篇幅這里不再贅述，周莊墑情站自然降水法和移動墑情法分別為32.20%、33.80%；黃橋墑情站自然降水法和移動墑情儀法田間持水量分別為20.50%、22.30%。

2.4.2 電導率法

實驗室電導率法測定時，其方法按前面所述，為保證測量精度，宜采用12V電源，其電流不小于100 mA。電導率測定極片的大小要選擇適當，較大時影響環刀內重力水排除，較小時電導率會產生漂移，影響測定精度，一般選擇極片直徑為環刀直徑的1/4為宜。

當電導率無變化或變化較小時，也就是重力水被完全排除后，其含水率即為單樣田間持水量。經過重復測量，求出同一土層含水率的平均值，即為該層的田間持水量。經過三次監測，數值都比較接近，取其平均值，玄武、周莊、黃橋測得的田間持水量分別為29.40%、33.50%、22.20%。

2.4.3 環刀法

實驗室環刀法測定田間持水量時，除按前述的原理及方法外，為保證監測精度，一是散狀土取樣時要與被測土樣在同一深度；二是烘箱溫度控制在105 ℃±2 ℃，持續恒溫8 h，避免土壤中有機質氣化；三是稱重天平精度不低于1‰。為節省經費，此次直接采用自動墑情站建設時河南省水利廳水科院監測成果，玄武、周莊、黃橋測得的田間持水量分別為27.50%、32%、20.30%。

3 田間持水量監測成果對比分析

3.1 監測結果對比

為了合理確定田間持水量，分別用自然降水法、移動墑情儀法、電導率法、實驗室環刀法四種方法對三個站進行了田間持水量的測定。按照田間持水量的定義，自然降水法得出結果相對合理準確，尚且以自然降水法為標準，評定、分析其他方法的誤差，見表1。

表1 田間持水量的測定結果對比分析表 單位：%

相關資料表明，周口市境內沙土約14%、沙壤土16%～20%、輕壤土20%～24%、中壤土22%～26%、重壤土24%～28%、黏土28%～32%。從測定結果來看，四種方法測得田間持水量基本在以上范圍之內，只是精度及誤差有待確定。

從表1 可以看出，移動墑情儀法、電導率法測得的田間持水量與自然降水法相比明顯偏大，最小的也偏大4%，最大的偏大8.80%，而實驗室環刀法與自然降水法結果比較接近，最小的也偏小1%，最大的偏大1.10%，符合《土壤墑情監測規范》誤差不大于2%的規定。

3.2 監測成果誤差分析

事實上，移動墑情儀法、電導率法都是將土層或土樣作為一個相對整體，移動墑情儀法是輸出固定頻率，電導率法是輸出穩定電壓，其回傳信號與土壤的電導率密切相關。而土壤電導率除與土壤含水量有關外，還與土壤溫度、有機質、無機物含量以及耕作方式等有關，實際上變化較大，特別是近些年化肥、農藥的殘留，使土壤電導率的不確定性加劇。因而，用這兩種方法測得的結果偏差進一步加大。

實驗室環刀法是直接取樣、烘干、稱重等，排除了溫度、有機質、無機物等因素對土壤含水量的干擾，因此結果相對合理可靠。

4 結論與建議

分別用四種方法對3 個站進行了田間持水量的測定，并進行對比分析，由于受條件及經費等方面的限制，所有方法測定田間土壤含水量，均為10、20、40 cm 深度的三點數據進行算術平均值來代表土壤垂線平均含水量，理論上來講，代表性尚可，但由于受所選地塊土壤地質條件、耕作層深度、作物種類、地形地貌以及季節等因素的影響，其代表性有待商榷。建議對全區不同土壤進行全剖面取樣分析，得到更合理的監測結果。

自然降水法、移動墑情儀法、實驗室電導率法以及實驗室環刀法這四種方法只是常規的監測方法，其方法簡單，設備價格相對較低，且測量結果基本符合實際情況，是測定土壤水分最普遍的方法，實驗室環刀法是目前規范規定的標準方法。實際上田間土壤含水量的監測方法有很多種，比如：張力計法、中子水分儀法、時域反射法以及頻域法等，隨著科技的發展，這些儀器設備會更加成熟，價格會越來越低，測量成果也會更加合理可靠。