土壤水分 - 物理性質(zhì)涵蓋土壤容重、孔隙度、含水量、田間持水量等關(guān)鍵指標(biāo)，環(huán)刀法測定的核心原理是利用已知容積的環(huán)刀采集未受擾動的森林原狀土樣，通過稱量、烘干等操作，結(jié)合物理公式推導(dǎo)各指標(biāo)。其中，土壤容重計算邏輯與農(nóng)業(yè)土壤一致（基于烘干土質(zhì)量與環(huán)刀容積比值），但森林土壤因根系密集、腐殖質(zhì)層厚、土層分化明顯等特點，需針對性優(yōu)化取樣策略 —— 例如，通過分層取樣捕捉不同林型（針葉林、闊葉林）土壤的孔隙結(jié)構(gòu)差異，通過根系清理確保土樣純度，最終實現(xiàn)對森林土壤保水能力、通氣性能等水分 - 物理特性的精準(zhǔn)表征。

根據(jù) LY/T 1215-1999《森林土壤水分 - 物理性質(zhì)的測定》標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)刀法適用于森林土壤的腐殖質(zhì)層（A 層）、淀積層（B 層）及母質(zhì)層（C 層）中結(jié)構(gòu)相對完整的土壤，尤其適合溫帶、亞熱帶地區(qū)的針葉林、闊葉林、針闊混交林土壤。與農(nóng)業(yè)土壤相比，森林土壤取樣需重點適配三大特殊性：

根系干擾處理：森林土壤（尤其是表層）含有大量喬木、灌木及草本根系，直徑＞2mm 的根系會破壞土樣完整性，需在取樣前清理表層根系，取樣后剔除環(huán)刀內(nèi)可見根系（并記錄根系體積用于容重校正）；

腐殖質(zhì)層疏松性：腐殖質(zhì)層（厚度通常 5-20cm）有機(jī)質(zhì)含量高、結(jié)構(gòu)松散，易在取樣時發(fā)生崩解，需選用刃口更鋒利的環(huán)刀，且下壓速度放緩至 1-2cm/min；

坡地取樣難度：森林多分布于山地、丘陵，坡地土壤易因重力作用導(dǎo)致取樣歪斜，需采用 “水平校正法"—— 通過水平儀調(diào)整環(huán)刀角度，確保取樣過程中環(huán)刀始終垂直于坡面切線方向，避免土樣壓實或松散。

對于特殊森林土壤（如含大量石礫的山地粗骨土、常年積水的沼澤森林土），環(huán)刀法適用性受限：粗骨土需先篩分去除石礫（記錄石礫含量）后補測，沼澤森林土需采用 “環(huán)刀 - 鋁盒聯(lián)合取樣法" 防止水分流失，具體操作需參照標(biāo)準(zhǔn)附錄補充條款。

環(huán)刀：根據(jù) LY/T 1215-1999 要求，森林土壤取樣優(yōu)先選用 100cm3（Φ50.46×50mm）或 200cm3（Φ70×52mm）不銹鋼環(huán)刀，刃口硬度需達(dá)到 HRC50 以上（應(yīng)對腐殖質(zhì)層中粗纖維的切割需求）。針對根系密集區(qū)域，可備用 50cm3 小容積環(huán)刀（Φ35×50mm），減少根系對土樣完整性的破壞。環(huán)刀內(nèi)壁需進(jìn)行拋光處理（粗糙度 Ra≤0.8μm），降低腐殖質(zhì)與內(nèi)壁的粘連概率。

輔助工具：除常規(guī)天平（感量 0.01g）、烘箱（控溫 105±2℃）外，需增加森林土壤專屬工具：

根系篩（孔徑 2mm，用于分離土樣中的根系）；

水平儀（精度 0.02mm/m，用于坡地取樣時校正環(huán)刀垂直度）；

土壤剖面刀（帶刻度，用于劃分森林土壤發(fā)生層）；

防水標(biāo)記筆（用于在環(huán)刀外壁標(biāo)注取樣深度與土層類型）；

保溫采樣箱（帶泡沫夾層，用于野外取樣后防止土樣水分劇烈變化）。

環(huán)刀校驗與森林場景標(biāo)定：除常規(guī)容積（排水法）與質(zhì)量標(biāo)定外，需額外進(jìn)行 “根系切割測試"—— 用環(huán)刀模擬切割含 2mm 根系的土樣，若刃口出現(xiàn)卷邊需立即打磨，確保切割后根系斷面平整，無土壤顆粒剝落。同時，在環(huán)刀外壁沿高度方向每隔 10mm 標(biāo)注刻度，便于記錄取樣土層的具體位置（如腐殖質(zhì)層中下部、淀積層上部）。

取樣點布設(shè)原則：根據(jù) LY/T 1215-1999，森林土壤取樣需遵循 “林分代表性" 原則：

按林型劃分取樣單元（如馬尾松林、杉木林、常綠闊葉林），每個單元設(shè)置 3 個以上取樣小區(qū)（面積≥20m×20m）；

每個小區(qū)內(nèi)采用 “對角線法" 布設(shè) 5 個取樣點，避開林窗、林緣及枯木腐朽區(qū)；

分層取樣時，按土壤發(fā)生層（A、B、C 層）分別取樣，每層至少 3 次重復(fù)，若土層厚度＜10cm，可合并相鄰?fù)翆樱ㄐ柙谟涗浿凶⒚鳎?/p>

環(huán)刀預(yù)處理：除內(nèi)壁涂抹薄層凡士林（厚度≤0.1mm）外，針對腐殖質(zhì)層的高有機(jī)質(zhì)含量，可在凡士林表面噴灑少量硅油（體積比 1:100 稀釋），進(jìn)一步減少腐殖質(zhì)粘連。取樣前需將環(huán)刀在 50℃烘箱中預(yù)熱 30 分鐘（避免低溫環(huán)刀導(dǎo)致土壤水分凝結(jié)，影響含水量測定）。

操作步驟（基于 LY/T 1215-1999 標(biāo)準(zhǔn)）

（一）森林土壤剖面挖掘與取樣層劃分

在選定的取樣點，用鐵鍬挖掘 1m×1.2m×0.8m（長 × 寬 × 深）的土壤剖面，剖面朝向需避開陽光直射（防止表層土壤水分蒸發(fā)），并在剖面上方搭建臨時遮陽棚。

用土壤剖面刀清理剖面壁，按 LY/T 1215-1999 規(guī)定劃分土壤發(fā)生層：

腐殖質(zhì)層（A 層）：顏色較深（棕黑色至暗棕色），有機(jī)質(zhì)含量高，厚度通常 5-20cm；

淀積層（B 層）：顏色較淺（棕黃色至黃褐色），質(zhì)地較緊實，含少量鐵錳結(jié)核；

母質(zhì)層（C 層）：顏色接近母巖，質(zhì)地粗糙，含較多石礫。

用防水標(biāo)記筆在剖面壁標(biāo)注各層深度，確保取樣位置處于每層中部（避免層間過渡帶土壤）。

（二）環(huán)刀取樣與根系處理（森林土壤關(guān)鍵步驟）

取樣前，用小鐵鏟清理取樣層表面的枯枝落葉與浮土，露出平整的土壤層面。若土層中存在直徑＞2mm 的根系，用剪刀沿土壤表面剪斷根系，避免拉扯導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞。

將預(yù)熱后的環(huán)刀（刃口向下）放置于取樣位置，通過水平儀校正環(huán)刀垂直度（坡地取樣時需使環(huán)刀垂直于坡面切線）。一手扶住環(huán)刀，另一手用木錘沿環(huán)刀托頂部均勻敲擊，敲擊力度控制在 5-10N（腐殖質(zhì)層）或 10-15N（淀積層），使環(huán)刀緩慢壓入土中，直至環(huán)刀頂部與土壤表面齊平（避免過度下壓導(dǎo)致土壤壓實）。

用削土刀沿環(huán)刀周圍切開土壤，小心取出環(huán)刀，立即用保鮮膜包裹環(huán)刀兩端（防止腐殖質(zhì)層水分快速蒸發(fā)）。若環(huán)刀內(nèi)存在可見根系（直徑≤2mm），用鑷子輕輕拔除，記錄根系數(shù)量與大致體積（用于容重計算時的體積校正：若根系體積占環(huán)刀容積＜5%，可忽略；＞5% 需用排水法測定根系體積，從環(huán)刀容積中扣除）。

（三）土樣修整、稱量與含水量測定

去除保鮮膜，用削土刀緊貼環(huán)刀兩端面，沿水平方向削去多余土樣，確保土樣與環(huán)刀兩端齊平，且表面無明顯凹陷或凸起。修整過程中產(chǎn)生的土樣需分類收集（按環(huán)刀兩端分別裝袋），用于含水量測定。

用軟毛刷清理環(huán)刀外壁的泥土，立即用感量 0.01g 的天平稱取環(huán)刀與濕土的總質(zhì)量（m?），記錄至 0.01g。稱量后迅速用 parafilm 膜密封環(huán)刀兩端，放入保溫采樣箱中保存，避免溫度變化影響水分含量。

含水量測定需按 LY/T 1215-1999 要求進(jìn)行 “分層取樣"：從環(huán)刀兩端修整的土樣中分別選取 5-10g 代表性樣品，裝入已知質(zhì)量的鋁盒（m?），稱取鋁盒與濕土總質(zhì)量（m?）。將鋁盒放入 105±2℃烘箱中烘干 6-8 小時（森林土壤有機(jī)質(zhì)含量高，需延長烘干時間 1-2 小時），冷卻后稱量鋁盒與烘干土總質(zhì)量（m?），按公式計算含水量（W）：

W = [(m? - m?) / (m? - m?)] × 100%

若環(huán)刀兩端土樣含水量差值＞2%，需重新取樣測定，確保含水量數(shù)據(jù)的均勻性。

結(jié)果計算與森林土壤專屬參數(shù)推導(dǎo)

（一）核心指標(biāo)計算公式（依據(jù) LY/T 1215-1999）

土壤容重（d）：

d = (m? - m? - m_r) / (V - V_r) × 100 / (100 + W)

式中：

m_r：環(huán)刀內(nèi)剔除的根系質(zhì)量（g），若根系質(zhì)量＜0.1g 可忽略；

V_r：根系體積（cm3），通過排水法測定；

其他參數(shù)（m?：環(huán)刀質(zhì)量、V：環(huán)刀容積、W：含水量）含義與農(nóng)業(yè)土壤一致。

計算結(jié)果保留 2 位小數(shù)，單位為 g/cm3。

土壤總孔隙度（P）：

P = (1 - d /d_p) × 100%

式中：

d_p：土壤顆粒密度（g/cm3），根據(jù) LY/T 1215-1999，森林土壤默認(rèn)取值 2.65g/cm3（若測定區(qū)域為火山灰土壤或鐵質(zhì)土壤，需通過比重瓶法實測顆粒密度）；

計算結(jié)果保留 1 位小數(shù)，單位為 %。

毛管孔隙度（P_c）與非毛管孔隙度（P_n）：

毛管孔隙度：通過環(huán)刀土樣飽和含水量（W_s）計算，P_c = d × W_s / 100

非毛管孔隙度：P_n = P - P_c

式中：

W_s：飽和含水量（%），將環(huán)刀土樣浸泡在水中 24 小時（水面沒過環(huán)刀 1cm）后，按含水量測定方法計算。