张媛媛

（河南省周口水文水资源勘测局，河南 周口 466000）

1 概述

位于豫东平原的周口市，地处南北过渡地带，四季分明。总面积11 959 km2，耕地面积7 800 km2，土地肥沃，区内盛产小麦、玉米、大豆、棉花等农作物，是全国重要的粮、棉、油生产基地，为保障国家粮食安全作出了贡献。因此为更好指导农业生产进行田间持水量测定，具有深远意义。

田间持水量是指在地下水较深，毛管水与地下水无联系，在充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量最大值，在形式上包括：吸湿水、膜状水、悬着毛管水。理论上讲，田间持水量是一个固定值，但土壤含水量是不断变化，包含万千的，是一个动态过程，受土壤地质、孔隙率、耕作层深浅、地温以及气温、风速、降雨、地下水埋深等因素的影响，每时每刻都在变化，只是在一定的时间段内基本稳定。另外，土壤含水量的测定本身有很多不确定因素，加上取样、烘干、称重等环节产生的误差，因此，对于某一地域，采用不同的方法，计算出的田间持水量均存在一定的误差。水在土壤中的运动有他独有的规律，吸湿水、膜状水、悬着毛管水达到最大后，多余的水才在重力的作用下，垂直或水平运动，在排去多余的重力水后，土层中保持的最大悬着水量在一段时间内相对稳定，这从土壤含水量过程线也可明显看出，这个时段也是监测田间持水量的最佳时段，因此选择合理的取样时间是确保田间持水量数值正确与否的关键。

2 田间持水量的测定

2.1 原理及方法

自然降水法：在有代表性的地块上，一场连续较大降雨过后，监测地块土壤含水量达到饱和时，连续监测土壤水分衰退过程，在排去多余的重力水后，测定土层中保持的最大悬着水量即为田间持水量。该方法要求降雨历时长、量级大、下渗充分，降雨过后要用塑料布和秸秆等覆盖，以防止土表蒸发。在测试区内10、20、40 cm 取三个土样，用称重烘干法，测其含水率，以占干土重百分数表示。

实验室环刀法：用环刀在欲测地段上采取原状土带回室内。同时在同一土层上取些散状土，一并带回室内。放置在装有水的平底容器中，使土样含水量达到饱和。后者经风干，通过孔径为1 mm 的土筛，装入环刀。然后将装有湿土的环刀的有孔盖子打开，连同滤纸一起放在盛风干土的环刀上，排出重力水后，测其含水率。经过重复测重，求出同一土层含水率的平均值，即为该层的田间持水量。

实验室电导率法：用环刀在欲测地段上采取原状土带回室内。放置在装有水的平底容器中，使土样含水量达到饱和，然后将装有湿土的环刀的有孔盖子打开，测其电导率，准确记录各时段电导率的变化，也可加装自动记录装置，便于自动保存，今后研究使用，当电导率无变化或变化较小时，也就是重力水后完全排除后，其含水率即为单样田间持水量。经过重复测量，求出同一土层含水率的平均值，即为该层的田间持水量。

移动墒情仪法：采用便携式移动墒情监测设备，土壤水分传感器型号HT-SMAA-CZ1，该设备发射固定频率信号，信号到达土壤端后，由于阻抗不匹配，回传信号形成驻波叠加，驻波叠加信号取决于土壤的介电常数，而土壤的介电常数与土壤的含水量呈一定的关系。然后采用人工烘干法与驻波叠加信号对比率定，率定关系采用三次（多次）多项式方程表示，从而用回传信号计算出土壤含水量。

2.2 监测站点的确定

检测站点的确定应根据当地的土壤类型、农作物种植结构和地形地貌条件，综合确定监测位置。一是有代表性，包括地貌、土壤、气象、水文地质以及种植作物的代表性；二是选择坡面比降小、面积相对较大，避免沟底、低洼易积水地点；三是远离树林、高大建筑物，避开河流、水库等较大水体。此次监测位置选择三处，一处是河南省鹿邑县玄武镇东南200 m，东经115°16′31″，北纬33°58′23″，自动墒情监测站周围，经现场查勘及取样分析，该地块土质为壤土；一处选择在周庄水文站东北300 m，河南省商水县袁老乡周庄村南1 200 m，东经114°39′05″，北纬33°27′43″，自动墒情监测站周围，经现场查勘及取样分析，该地块土质为黏土。另一处选择在黄桥水文站东南700 m，河南省西华县黄桥乡黄桥村南200 m，东经114°27′05″，北纬33°45′43″，自动墒情监测站周围，经现场查勘及取样分析，该地块土质为沙壤土。这三处监测点均在农作物种植大田地，符合上述站点选择条件，具有代表性，附近又有雨量站，而且水文站有土壤含水量测定所需各种设备，可以随时取样、称重、烘干、计算等。

2.3 监测时段

按照自然降水法的原理及方法，密切注意天气预报，选取2020年6月11-17日的连续两场降雨过程，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，根据降雨情况和现场调查，田间部分地块已有积水，说明土壤含水量已超过田间持水量，根据天气预报，17日以后连续几天无明显降水过程，抓住这个时机，进行取样监测，应该得到满意效果。三处监测点附近雨量站11-17日降雨量这里不在列出。

2.4 监测结果

2.4.1 自然降水法、移动墒情仪法

为防止蒸发及后续降雨对监测数据的影响，用塑料薄膜覆盖取样区域。自6 月18-27 日共10 d，每天8 时、20 时取样两次，每次取样的同时用人工便携式移动墒情监测设备进行现场测定土壤含水量，取样后立即进行称重、烘干等程序，计算出每次样品的10、20、40 cm深的土壤含水量，并用算术平均法计算出平均土壤含水量，这样每种方法得到22组数据，绘制土壤含水量动态变化过程线，详见图1、图2。

图1 鹿邑县玄武镇自然降水法田间持水量推求图

图2 鹿邑县玄武镇移动墒情田间持水量推求图

从动态变化过程线可以看出，土壤的释水过程分为3个阶段，即重力作用的陡降段、重力与分子力同时作用的过渡段和分子力作用的缓降段。理论上，在陡降段上的土壤水分受重力作用，释水呈线性规律，添加趋势线，段下的土壤水分受分子力作用，释水亦呈线性规律，也添加趋势线。在概念上，田间持水量是分子力和重力作用的临界点，则两个趋势线交点处对应的含水量数值即为田间持水量。从图1 可得出鹿邑县玄武站自然降水量法田间持水量为27.20%；从图2可得出鹿邑县玄武站移动墒情监测得到田间持水量为29.60%。

用同样的方法得到田间持水量，限于篇幅这里不再赘述，周庄墒情站自然降水法和移动墒情法分别为32.20%、33.80%；黄桥墒情站自然降水法和移动墒情仪法田间持水量分别为20.50%、22.30%。

2.4.2 电导率法

实验室电导率法测定时，其方法按前面所述，为保证测量精度，宜采用12V电源，其电流不小于100 mA。电导率测定极片的大小要选择适当，较大时影响环刀内重力水排除，较小时电导率会产生漂移，影响测定精度，一般选择极片直径为环刀直径的1/4为宜。

当电导率无变化或变化较小时，也就是重力水被完全排除后，其含水率即为单样田间持水量。经过重复测量，求出同一土层含水率的平均值，即为该层的田间持水量。经过三次监测，数值都比较接近，取其平均值，玄武、周庄、黄桥测得的田间持水量分别为29.40%、33.50%、22.20%。

2.4.3 环刀法

实验室环刀法测定田间持水量时，除按前述的原理及方法外，为保证监测精度，一是散状土取样时要与被测土样在同一深度；二是烘箱温度控制在105 ℃±2 ℃，持续恒温8 h，避免土壤中有机质气化；三是称重天平精度不低于1‰。为节省经费，此次直接采用自动墒情站建设时河南省水利厅水科院监测成果，玄武、周庄、黄桥测得的田间持水量分别为27.50%、32%、20.30%。

3 田间持水量监测成果对比分析

3.1 监测结果对比

为了合理确定田间持水量，分别用自然降水法、移动墒情仪法、电导率法、实验室环刀法四种方法对三个站进行了田间持水量的测定。按照田间持水量的定义，自然降水法得出结果相对合理准确，尚且以自然降水法为标准，评定、分析其他方法的误差，见表1。

表1 田间持水量的测定结果对比分析表 单位：%

相关资料表明，周口市境内沙土约14%、沙壤土16%～20%、轻壤土20%～24%、中壤土22%～26%、重壤土24%～28%、黏土28%～32%。从测定结果来看，四种方法测得田间持水量基本在以上范围之内，只是精度及误差有待确定。

从表1 可以看出，移动墒情仪法、电导率法测得的田间持水量与自然降水法相比明显偏大，最小的也偏大4%，最大的偏大8.80%，而实验室环刀法与自然降水法结果比较接近，最小的也偏小1%，最大的偏大1.10%，符合《土壤墒情监测规范》误差不大于2%的规定。

3.2 监测成果误差分析

事实上，移动墒情仪法、电导率法都是将土层或土样作为一个相对整体，移动墒情仪法是输出固定频率，电导率法是输出稳定电压，其回传信号与土壤的电导率密切相关。而土壤电导率除与土壤含水量有关外，还与土壤温度、有机质、无机物含量以及耕作方式等有关，实际上变化较大，特别是近些年化肥、农药的残留，使土壤电导率的不确定性加剧。因而，用这两种方法测得的结果偏差进一步加大。

实验室环刀法是直接取样、烘干、称重等，排除了温度、有机质、无机物等因素对土壤含水量的干扰，因此结果相对合理可靠。

4 结论与建议

分别用四种方法对3 个站进行了田间持水量的测定，并进行对比分析，由于受条件及经费等方面的限制，所有方法测定田间土壤含水量，均为10、20、40 cm 深度的三点数据进行算术平均值来代表土壤垂线平均含水量，理论上来讲，代表性尚可，但由于受所选地块土壤地质条件、耕作层深度、作物种类、地形地貌以及季节等因素的影响，其代表性有待商榷。建议对全区不同土壤进行全剖面取样分析，得到更合理的监测结果。

自然降水法、移动墒情仪法、实验室电导率法以及实验室环刀法这四种方法只是常规的监测方法，其方法简单，设备价格相对较低，且测量结果基本符合实际情况，是测定土壤水分最普遍的方法，实验室环刀法是目前规范规定的标准方法。实际上田间土壤含水量的监测方法有很多种，比如：张力计法、中子水分仪法、时域反射法以及频域法等，随着科技的发展，这些仪器设备会更加成熟，价格会越来越低，测量成果也会更加合理可靠。