不同母質紅壤測定土壤水分特征曲線的最適離心時間探討

高冰可，周 微，袁志華，呂太華，徐仕櫻，陳國徽

(九江農業科學院，江西 九江 332000)

土壤水分特征曲線(SWCC)是描述土壤含水量與土壤水吸力之間關系的曲線，它可以反映土壤的孔隙結構特點、粒徑組成和持水能力[1]，也是表示土壤基本水動力學特性的重要指標；因此，SWCC對研究土壤水分動態、溶質運移，以及田間水分管理具有重要意義。SWCC大多通過一定的儀器直接測定，如張力計、壓力膜儀、離心機等[2]。相較于其他方法，離心法測試SWCC操作簡單、省時，可獲得0～1.5 MPa范圍內指定土壤水吸力下的土壤含水量，目前已經被越來越多的科研院所采用。

土壤基本物理性質對SWCC影響顯著[3-4]。對紅壤而言，成土母質對土壤機械組成的影響較為突出[5]，會間接影響SWCC的性質(如曲線的形狀)。我國南方紅壤丘陵區面積達2 100多萬hm2，成土母質類型豐富。深入探析不同成土母質發育的紅壤的SWCC對生產實踐和科學研究具有重要意義，然而相關研究鮮見文獻報道。本文以不同成土母質的紅壤為研究對象，探討用離心法測定土壤SWCC的最佳離心時間，以期為研究南方紅壤區的土壤水提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土樣分別采自湖北省咸寧市賀勝橋(樣本1)、通城縣(樣本2)，武漢市華中農業大學校園(樣本3)，均為紅壤，成土母質分別為第四紀紅色黏土、花崗巖和石英砂巖。用吸管法測得土樣的機械組成，依據國際土壤學會對土壤粒級的劃分標準確定土壤質地。樣本1：顆粒組成，0.02～2 mm，12.83%，0.002～0.02 mm，21.56%，<0.002 mm，65.61%；質地為黏土；容重1.488 7 g·cm-3。樣本2：顆粒組成，0.02～2 mm，42.24%，0.002～0.02 mm，18.64%，<0.002 mm，39.12%；質地為黏土；容重1.462 9 g·cm-3。樣本3：顆粒組成，0.02～2 mm，29.71%，0.002～0.02 mm，46.51%，<0.002 mm，23.32%；質地為黏土；容重1.485 6 g·cm-3?？梢钥闯?，3種母質的紅壤容重差異不大，但各個粒級的含量差異明顯，說明成土母質類型對土壤質地的影響很大。

1.2 方法

土壤樣品的采集方法是用離心機配套的環刀(高5 cm，體積100 cm3)取得原狀樣，每種土樣取4個重復樣。土樣帶回實驗室，吸水飽和48 h后，用日立高速冷凍離心機(日立，CR21G)進行離心測定。離心機轉速與吸力的關系見表1。

表1 離心機轉速與待測樣土壤水吸力的關系

當吸力與離心力達到平衡后，取出環刀樣，用游標卡尺測定土樣表面到離心盒(去蓋后)的距離，進而計算離心結束時的土壤水吸力(H)，并確定土壤密度，然后取出土樣并稱重。待全過程完成后，將士樣烘干稱重，計算各個轉速下的土壤質量含水量，同時根據土壤體積含水量與質量含水量的關系計算土壤體積含水量。

離心時間的確定。用離心法測定SWCC達到平衡所需要的時間受多種因素的影響，如土壤黏粒含量、離心力大小、土樣厚度等。本研究將最佳離心時間定義為：在特定離心力下，所測土壤質量含水量值與前次所測數值相對誤差小于1%時的離心時間。當最佳離心時間小于200 min時，特定離心力下的每次離心時間間隔設為10 min；當最佳離心時間介于200～500 min時，離心時間間隔設為30 min；當最佳離心時間大于500 min時，離心時間間隔設為50 min。這主要是考慮土樣在大吸力下的失水難易程度，以及人力、物力、時間等因素而設定的。隨著離心力增加，黏粒含量越大的土樣達到穩定所需的時間越長。

2 結果與分析

2.1 成土母質對土壤含水量變化的影響

表2為3種土樣在不同離心時間(t)下土壤質量含水量(θm)與土壤水吸力的對應表，其中Er代表與前次含水量的相對誤差，ε*代表與前次離心穩定時含水量的絕對誤差。以花崗巖母質紅壤(樣本2)和石英砂巖母質紅壤(樣本3)為例，不同母質紅壤的飽和含水量(H=0)相差較大，石英砂巖母質紅壤為28.79%，花崗巖母質紅壤為37.07%。當H為5 kPa時，花崗巖母質紅壤的含水量由開始測定時的37.07%減為穩定時的36.06%，變化幅度僅為1.01百分點，而石英砂巖母質紅壤則由28.79%減為穩定時的24.08%，變化幅度達到4.71百分點；當吸力為500 kPa時，花崗巖母質紅壤與前次離心穩定時含水量的絕對誤差增大到4.88百分點，而石英砂巖母質紅壤與前次離心穩定時含水量的絕對誤差為3.99百分點。隨著H進一步加大，土壤失水量逐漸變小，在萎蔫點1 500 kPa時，花崗巖母質紅壤的質量含水量由前次測定時的21.35%減為穩定時的19.85%，而石英砂巖母質紅壤則由前次測定時的6.85%減為穩定時的6.28%?？梢?，在同等土壤水吸力下，不同母質紅壤的ε*值相差較大。

2.2 最佳離心時間的確定

由表3可以看出，當土壤水吸力在0～30 kPa范圍內，3種母質土樣的離心時間相差不大。隨著吸力增大，離心達到穩定所需的時間逐漸增加，其中，石英砂巖母質紅壤(樣本3)的離心時間增加較緩慢，而第四紀紅色黏土母質紅壤增加最快。

由于0～0.3 kPa土壤水吸力范圍內，相同成土母質土樣的離心時間一致，僅將表3中30～1 500 kPa土壤水吸力條件下所對應的數據用冪函數來表示，如圖1所示。

圖1 不同質地土壤的最佳離心時間

從表4可以看出，所構建的冪函數的R2均在0.95以上，說明冪函數模擬SWCC最佳離心時間與轉速關系的效果較好。

表2 被試土樣在不同離心時間下的土壤質量含水量與土壤水吸力

表3 不同成土母質紅壤SWCC的最佳離心時間 min

表4 冪函數模擬SWCC最佳離心時間與土壤水吸力的參數

3 小結與討論

本研究表明：1)當土壤水吸力小于100 kPa時，同等吸力下花崗巖母質紅壤含水量變化幅度明顯小于石英砂巖母質紅壤的變幅。當土壤水吸力在100～1 500 kPa時，隨著土壤水吸力增大，土壤迅速失水，同等吸力下花崗巖母質紅壤含水量變化幅度要大于石英砂巖母質紅壤的變幅。2)土壤水分特征曲線測定過程中最佳離心時間與吸力的關系可以用冪函數來描述。3)黏粒含量越高的土樣，土壤水吸力越大，達到穩定所需的時間越長。

在本試驗中，當土壤水吸力大于30 kPa，隨著離心力的增大，3種母質土樣的離心時間差別較大。原因主要是不同土樣的黏粒含量差異較大。土壤黏粒含量高、細小孔隙較多時，土樣易于持水，離心達到平衡所需要的時間亦較長；反之則短。

[1] 李開元, 李玉山. 土壤水分特征曲線的意義及其應用[J]. 陜西農業科學, 1991(4):47-48.

[2] 來劍斌, 王全九. 土壤水分特征曲線模型比較分析[J]. 水土保持學報, 2003, 17(1):137-140.

[3] 馮杰, 郝振純, 劉方貴. 大孔隙對土壤水分特征曲線的影響[J]. 灌溉排水學報, 2002, 21(3):4-7.

[4] 趙雅瓊, 王周鋒, 王文科,等. 不同粒徑下土壤水分特征曲線的測定與擬合模型的研究[J]. 中國科技論文, 2015, 10(3):287-290.

[5] 孫佳佳, 王培, 王志剛,等. 不同成土母質及土地利用對紅壤機械組成的影響[J]. 長江科學院院報, 2015(3):54-58.