土壤水分 - 物理性质的测定｜茁彩生物

土壤水分 - 物理性质涵盖土壤容重、孔隙度、含水量、田间持水量等关键指标，环刀法测定的核心原理是利用已知容积的环刀采集未受扰动的森林原状土样，通过称量、烘干等操作，结合物理公式推导各指标。其中，土壤容重计算逻辑与农业土壤一致（基于烘干土质量与环刀容积比值），但森林土壤因根系密集、腐殖质层厚、土层分化明显等特点，需针对性优化取样策略 —— 例如，通过分层取样捕捉不同林型（针叶林、阔叶林）土壤的孔隙结构差异，通过根系清理确保土样纯度，最终实现对森林土壤保水能力、通气性能等水分 - 物理特性的精准表征。

根据 LY/T 1215-1999《森林土壤水分 - 物理性质的测定》标准，环刀法适用于森林土壤的腐殖质层（A 层）、淀积层（B 层）及母质层（C 层）中结构相对完整的土壤，尤其适合温带、亚热带地区的针叶林、阔叶林、针阔混交林土壤。与农业土壤相比，森林土壤取样需重点适配三大特殊性：

根系干扰处理：森林土壤（尤其是表层）含有大量乔木、灌木及草本根系，直径＞2mm 的根系会破坏土样完整性，需在取样前清理表层根系，取样后剔除环刀内可见根系（并记录根系体积用于容重校正）；

腐殖质层疏松性：腐殖质层（厚度通常 5-20cm）有机质含量高、结构松散，易在取样时发生崩解，需选用刃口更锋利的环刀，且下压速度放缓至 1-2cm/min；

坡地取样难度：森林多分布于山地、丘陵，坡地土壤易因重力作用导致取样歪斜，需采用 “水平校正法"—— 通过水平仪调整环刀角度，确保取样过程中环刀始终垂直于坡面切线方向，避免土样压实或松散。

对于特殊森林土壤（如含大量石砾的山地粗骨土、常年积水的沼泽森林土），环刀法适用性受限：粗骨土需先筛分去除石砾（记录石砾含量）后补测，沼泽森林土需采用 “环刀 - 铝盒联合取样法" 防止水分流失，具体操作需参照标准附录补充条款。

环刀：根据 LY/T 1215-1999 要求，森林土壤取样优先选用 100cm³（Φ50.46×50mm）或 200cm³（Φ70×52mm）不锈钢环刀，刃口硬度需达到 HRC50 以上（应对腐殖质层中粗纤维的切割需求）。针对根系密集区域，可备用 50cm³ 小容积环刀（Φ35×50mm），减少根系对土样完整性的破坏。环刀内壁需进行抛光处理（粗糙度 Ra≤0.8μm），降低腐殖质与内壁的粘连概率。

辅助工具：除常规天平（感量 0.01g）、烘箱（控温 105±2℃）外，需增加森林土壤专属工具：

根系筛（孔径 2mm，用于分离土样中的根系）；

水平仪（精度 0.02mm/m，用于坡地取样时校正环刀垂直度）；

土壤剖面刀（带刻度，用于划分森林土壤发生层）；

防水标记笔（用于在环刀外壁标注取样深度与土层类型）；

保温采样箱（带泡沫夹层，用于野外取样后防止土样水分剧烈变化）。

环刀校验与森林场景标定：除常规容积（排水法）与质量标定外，需额外进行 “根系切割测试"—— 用环刀模拟切割含 2mm 根系的土样，若刃口出现卷边需立即打磨，确保切割后根系断面平整，无土壤颗粒剥落。同时，在环刀外壁沿高度方向每隔 10mm 标注刻度，便于记录取样土层的具体位置（如腐殖质层中下部、淀积层上部）。

取样点布设原则：根据 LY/T 1215-1999，森林土壤取样需遵循 “林分代表性" 原则：

按林型划分取样单元（如马尾松林、杉木林、常绿阔叶林），每个单元设置 3 个以上取样小区（面积≥20m×20m）；

每个小区内采用 “对角线法" 布设 5 个取样点，避开林窗、林缘及枯木腐朽区；

分层取样时，按土壤发生层（A、B、C 层）分别取样，每层至少 3 次重复，若土层厚度＜10cm，可合并相邻土层（需在记录中注明）。

环刀预处理：除内壁涂抹薄层凡士林（厚度≤0.1mm）外，针对腐殖质层的高有机质含量，可在凡士林表面喷洒少量硅油（体积比 1:100 稀释），进一步减少腐殖质粘连。取样前需将环刀在 50℃烘箱中预热 30 分钟（避免低温环刀导致土壤水分凝结，影响含水量测定）。

操作步骤（基于 LY/T 1215-1999 标准）

（一）森林土壤剖面挖掘与取样层划分

在选定的取样点，用铁锹挖掘 1m×1.2m×0.8m（长 × 宽 × 深）的土壤剖面，剖面朝向需避开阳光直射（防止表层土壤水分蒸发），并在剖面上方搭建临时遮阳棚。

用土壤剖面刀清理剖面壁，按 LY/T 1215-1999 规定划分土壤发生层：

腐殖质层（A 层）：颜色较深（棕黑色至暗棕色），有机质含量高，厚度通常 5-20cm；

淀积层（B 层）：颜色较浅（棕黄色至黄褐色），质地较紧实，含少量铁锰结核；

母质层（C 层）：颜色接近母岩，质地粗糙，含较多石砾。

用防水标记笔在剖面壁标注各层深度，确保取样位置处于每层中部（避免层间过渡带土壤）。

（二）环刀取样与根系处理（森林土壤关键步骤）

取样前，用小铁铲清理取样层表面的枯枝落叶与浮土，露出平整的土壤层面。若土层中存在直径＞2mm 的根系，用剪刀沿土壤表面剪断根系，避免拉扯导致土壤结构破坏。

将预热后的环刀（刃口向下）放置于取样位置，通过水平仪校正环刀垂直度（坡地取样时需使环刀垂直于坡面切线）。一手扶住环刀，另一手用木锤沿环刀托顶部均匀敲击，敲击力度控制在 5-10N（腐殖质层）或 10-15N（淀积层），使环刀缓慢压入土中，直至环刀顶部与土壤表面齐平（避免过度下压导致土壤压实）。

用削土刀沿环刀周围切开土壤，小心取出环刀，立即用保鲜膜包裹环刀两端（防止腐殖质层水分快速蒸发）。若环刀内存在可见根系（直径≤2mm），用镊子轻轻拔除，记录根系数量与大致体积（用于容重计算时的体积校正：若根系体积占环刀容积＜5%，可忽略；＞5% 需用排水法测定根系体积，从环刀容积中扣除）。

（三）土样修整、称量与含水量测定

去除保鲜膜，用削土刀紧贴环刀两端面，沿水平方向削去多余土样，确保土样与环刀两端齐平，且表面无明显凹陷或凸起。修整过程中产生的土样需分类收集（按环刀两端分别装袋），用于含水量测定。

用软毛刷清理环刀外壁的泥土，立即用感量 0.01g 的天平称取环刀与湿土的总质量（m₁），记录至 0.01g。称量后迅速用 parafilm 膜密封环刀两端，放入保温采样箱中保存，避免温度变化影响水分含量。

含水量测定需按 LY/T 1215-1999 要求进行 “分层取样"：从环刀两端修整的土样中分别选取 5-10g 代表性样品，装入已知质量的铝盒（m₂），称取铝盒与湿土总质量（m₃）。将铝盒放入 105±2℃烘箱中烘干 6-8 小时（森林土壤有机质含量高，需延长烘干时间 1-2 小时），冷却后称量铝盒与烘干土总质量（m₄），按公式计算含水量（W）：

W = [(m₃ - m₄) / (m₄ - m₂)] × 100%

若环刀两端土样含水量差值＞2%，需重新取样测定，确保含水量数据的均匀性。

结果计算与森林土壤专属参数推导

（一）核心指标计算公式（依据 LY/T 1215-1999）

土壤容重（d）：

d = (m₁ - m₀ - m_r) / (V - V_r) × 100 / (100 + W)

式中：

m_r：环刀内剔除的根系质量（g），若根系质量＜0.1g 可忽略；

V_r：根系体积（cm³），通过排水法测定；

其他参数（m₀：环刀质量、V：环刀容积、W：含水量）含义与农业土壤一致。

计算结果保留 2 位小数，单位为 g/cm³。

土壤总孔隙度（P）：

P = (1 - d /d_p) × 100%

式中：

d_p：土壤颗粒密度（g/cm³），根据 LY/T 1215-1999，森林土壤默认取值 2.65g/cm³（若测定区域为火山灰土壤或铁质土壤，需通过比重瓶法实测颗粒密度）；

计算结果保留 1 位小数，单位为 %。

毛管孔隙度（P_c）与非毛管孔隙度（P_n）：

毛管孔隙度：通过环刀土样饱和含水量（W_s）计算，P_c = d × W_s / 100

非毛管孔隙度：P_n = P - P_c

式中：

W_s：饱和含水量（%），将环刀土样浸泡在水中 24 小时（水面没过环刀 1cm）后，按含水量测定方法计算。