红壤地区集流桶机械搅拌含沙量测量误差研究

张 龙，曹 智，陈晓安，喻荣岗

(1.江西省水土保持科学研究院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029；2.江西绿川科技发展有限公司，江西 九江 332000)

泥沙是径流小区观测的重要内容，所得数据是确定土壤侵蚀量的重要依据[1]。在径流小区泥沙观测中，传统人工搅拌法应用最广。它是由工作人员用搅拌工具对集流桶内含沙水体进行搅拌，再从集流桶内采集一定体积的样品，采用烘干法测定含沙量[2]。但研究表明，传统人工搅拌法搅拌力度较小，泥沙中的粗颗粒难以被搅起，搅拌后泥沙分布不均匀且沉降迅速，泥沙含量测量值往往远小于真实值。比如：符素华等[3]在密云石匣示范区坡面径流小区测得人工搅拌法取样的平均相对误差为-83.05%；许跃华等[4]在盐边红格坡面径流场中将人工搅拌法与沉淀取样法测得的含沙量进行对比，得到平均相对误差为-69.05%；唐菊等[5]以紫色土作为试验用土测得人工搅拌法取样的平均相对误差为-50%～-30%。为了提高采样精度，许多学者进行了研究，提出了不同的采样方法和采样仪器，比如：符素华等[3]提出的分层测量法，许跃华等[4]提出的沉淀测量法，叶芝菡等[6]根据北方土石山区的径流泥沙特点提出的全深剖面采样器采样法，程冬兵等[7]提出的称重法。但上述方法均存在不同程度的缺陷：分层采样法与沉淀采样法操作复杂，非专业人员难以掌握，对于降雨后短时间内的次降雨产沙很难准确测算；称重法虽测量精度有所提高，但采样耗时较长，无法得到很好的推广；全深剖面采样器采样法虽操作简单、易掌握，但仅在北方土石山区应用过，在其他地区的应用效果有待验证，而根据郝燕芳等[8]的研究，不同地区侵蚀产沙差异较大，致使全深剖面采样器难以推广。综上，机械搅拌法搅拌强度大、可控性强，并兼有人工搅拌法操作简单、流程简洁、效率高等优点，但关于其测量精度及影响因素的研究成果较少。

本研究选择江西水土保持生态科技园连续观测坡耕地径流小区为研究对象，研究机械搅拌法在南方红壤地区泥沙观测中的含沙量测量精度，以及水深、含沙量等因素对其测量误差的影响，通过室内试验探究机械搅拌法的可行性及影响因素，希望能为机械搅拌法在南方红壤地区的推广使用提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验地点选在位于鄱阳湖水系德安县燕沟小流域(115°42′38″～115°43′06″E、29°16′37″～29°17′40″N)的江西水土保持生态科技园。园区位于我国红壤中心区域，土壤及地形条件在我国南方红壤地区具有代表性。选取园内连续观测坡耕地径流小区作为土样采集点，取样经过自然风干后过筛(孔径5 mm)备用。经测定，试验材料为红壤，土壤理化性质为：黏粒含量32.24%、粉粒含量57.83%、砂粒含量9.94%，碱解氮含量24.95 mg/kg、有机质含量6.40 g/kg、速效磷含量1.89 mg/kg。

1.2 采样方法

试验选用的搅拌器为浙江昱麦斯工具有限公司生产的机械搅拌器(图1、2)。具体采样过程：将机械搅拌器置入集流桶中，搅拌器底部与桶底保持5～10 cm的距离；将搅拌器转速调至合适档位后开始搅拌，一般以200～500 r/min较为合适，搅拌时间为3 min；搅拌过程中为避免在同一个位置持续搅拌，采取沿着集流桶桶壁以顺时针旋转的方式进行搅拌；完成搅拌后，采用边搅拌边采样的方式进行采样，用取样勺取15勺水沙样放入小桶中，即在集流桶内均匀分布的5个点各取1勺，分3个深度(上、中、下部)各取1次；将小桶内泥沙搅拌均匀后，取800 mL样品于铝盒中静置，每次采样设3个重复；完成采样后将样品沉淀24 h，倒掉上层清液，放入烘箱烘干称量，含沙量测量结果取3个重复样本的平均值。

图1 机械搅拌器实物 图2 机械搅拌器结构

1.3 试验设计

对坡耕地径流小区2012—2016年5年的径流泥沙监测数据进行分析。根据研究区历年径流小区径流桶观测的径流泥沙数据，综合考虑发生频率高的低含沙量事件和频率低但年度泥沙量贡献大的高含沙量事件，共设计8个试验组合、24场试验：将集流桶含沙量设置为1、5、10、50、100、300 kg/m3共6个水平(校准后含沙量为1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、304.35 kg/m3)，水深设置为60 cm，研究含沙量对机械搅拌法测量精度的影响；将水深设置为30、60、90 cm共3个水平，含沙量设置为50 kg/m3(校准后含沙量为50.72 kg/m3)，研究水深对机械搅拌法测量精度的影响。其中，30、60 cm水深试验在半径0.3 m、高0.8 m的集流桶中进行，90 cm水深试验在半径0.3 m、高1.2 m的集流桶中进行。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2016对试验所得数据进行处理，采用SPSS 19.0软件进行显著性分析，采用最小显著性差异法(LSD检验)进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同含沙量对机械搅拌法测量精度的影响

采用机械搅拌法在60 cm水深、不同含沙量条件下的含沙量测量值及平均相对误差见表1。由表1知，机械搅拌法在不同含沙量条件下的测量值均小于实际值，随着含沙量增加，其测量值的标准差整体呈增加趋势。机械搅拌法含沙量测量结果的平均相对误差为13.49%～31.19%，总体平均误差为23.89%。对平均相对误差总体进行显著性检验：含沙量为5.07～101.45 kg/m3时，测量结果平均相对误差无显著变化，平均值为24.67%；当含沙量降低至1.05 kg/m3时，平均相对误差显著降低，为13.49%；当含沙量增至304.35 kg/m3时，平均相对误差显著增加，达到31.19%。

表1 机械搅拌法在60 cm水深、不同含沙量条件下的含沙量测量结果

2.2 不同水深对机械搅拌法测量精度的影响

采用机械搅拌法在不同水深、含沙量50.72 kg/m3条件下的含沙量测量值及平均相对误差见表2。由表2知，机械搅拌法在不同水深条件下的含沙量测量值变化不大，随水深增大，测量值缓慢减小；低水深(30 cm)条件下，测量值的标准差远高于中(60 cm)、高水深(90 cm)条件下测量值的标准差。平均相对误差的标准差反映了重复数据的波动。低水深条件下的平均相对误差数据波动较大，中、高水深条件下的平均相对误差数据波动相对较小，这也表明提高水深会降低测量结果的数据波动性，中、高水深单次测量结果的可信度高于低水深单次测量结果。对含沙量测量值平均相对误差进行显著性检验表明，水深对机械搅拌法的测量误差无显著性影响，其平均相对误差范围为22.13%～26.98%，随水深增加，平均相对误差缓慢增大。

表2 机械搅拌法在不同水深、含沙量50.72 kg/m3条件下的测量结果

3 总结与讨论

本研究在江西水土保持生态科技园连续观测坡耕地径流小区选择红壤作为试验材料，采用机械搅拌器，研究不同水深、不同含沙量条件下机械搅拌法含沙量测量精度，得到如下结论：①在含沙量1.05～304.35 kg/m3、水深60 cm条件下，机械搅拌法的相对误差为13.49%～31.19%，对比其他学者关于人工搅拌法测量误差的研究，其精度有了较大的提升；②含沙量对机械搅拌法平均相对误差存在较大影响，水深对机械搅拌法的测量精度影响不大；③机械搅拌法搅拌力度大，当泥沙含量较高时也可将其搅拌均匀，保证了测量的精度。另外，南方红壤地区侵蚀泥沙中的黏粒含量较高，泥沙粒径小更容易被搅起，因此机械搅拌法在红壤地区集流桶泥沙观测领域具有良好的应用前景。