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

根據 LY/T 1215-1999《森林土壤水分 - 物理性質的測定》標準，環刀法適用于森林土壤的腐殖質層（A 層）、淀積層（B 層）及母質層（C 層）中結構相對完整的土壤，尤其適合溫帶、亞熱帶地區的針葉林、闊葉林、針闊混交林土壤。與農業土壤相比，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，取樣后剔除環刀內可見根系（并記錄根系體積用于容重校正）；

腐殖質層疏松性：腐殖質層（厚度通常 5-20cm）有機質含量高、結構松散，易在取樣時發生崩解，需選用刃口更鋒利的環刀，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致取樣歪斜，需采用 “水平校正法"—— 通過水平儀調整環刀角度，確保取樣過程中環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 “環刀 - 鋁盒聯合取樣法" 防止水分流失，具體操作需參照標準附錄補充條款。

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

輔助工具：除常規天平（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刀垂直度）；

土壤剖面刀（帶刻度，用于劃分森林土壤發生層）；

防水標記筆（用于在環刀外壁標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）。

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

取樣點布設原則：根據 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），每個單元設置 3 個以上取樣小區（面積≥20m×20m）；

每個小區內采用 “對角線法" 布設 5 個取樣點，避開林窗、林緣及枯木腐朽區；

分層取樣時，按土壤發生層（A、B、C 層）分別取樣，每層至少 3 次重復，若土層厚度＜10cm，可合并相鄰土層（需在記錄中注明）。

環刀預處理：除內壁涂抹薄層凡士林（厚度≤0.1mm）外，針對腐殖質層的高有機質含量，可在凡士林表面噴灑少量硅油（體積比 1:100 稀釋），進一步減少腐殖質粘連。取樣前需將環刀在 50℃烘箱中預熱 30 分鐘（避免低溫環刀導致土壤水分凝結，影響含水量測定）。

操作步驟（基于 LY/T 1215-1999 標準）

（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），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 規定劃分土壤發生層：

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

淀積層（B 層）：顏色較淺（棕黃色至黃褐色），質地較緊實，含少量鐵錳結核；

母質層（C 層）：顏色接近母巖，質地粗糙，含較多石礫。

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

（二）環刀取樣與根系處理（森林土壤關鍵步驟）

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，避免拉扯導致土壤結構破壞。

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

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

（三）土樣修整、稱量與含水量測定

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

用軟毛刷清理環刀外壁的泥土，立即用感量 0.01g 的天平稱取環刀與濕土的總質量（m?），記錄至 0.01g。稱量后迅速用 parafilm 膜密封環刀兩端，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 要求進行 “分層取樣"：從環刀兩端修整的土樣中分別選取 5-10g 代表性樣品，裝入已知質量的鋁盒（m?），稱取鋁盒與濕土總質量（m?）。將鋁盒放入 105±2℃烘箱中烘干 6-8 小時（森林土壤有機質含量高，需延長烘干時間 1-2 小時），冷卻后稱量鋁盒與烘干土總質量（m?），按公式計算含水量（W）：

W = [(m? - m?) / (m? - m?)] × 100%

若環刀兩端土樣含水量差值＞2%，需重新取樣測定，確保含水量數據的均勻性。

結果計算與森林土壤專屬參數推導

（一）核心指標計算公式（依據 LY/T 1215-1999）

土壤容重（d）：

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

式中：

m_r：環刀內剔除的根系質量（g），若根系質量＜0.1g 可忽略；

V_r：根系體積（cm3），通過排水法測定；

其他參數（m?：環刀質量、V：環刀容積、W：含水量）含義與農業土壤一致。

計算結果保留 2 位小數，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 LY/T 1215-1999，森林土壤默認取值 2.65g/cm3（若測定區域為火山灰土壤或鐵質土壤，需通過比重瓶法實測顆粒密度）；

計算結果保留 1 位小數，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（%），將環刀土樣浸泡在水中 24 小時（水面沒過環刀 1cm）后，按含水量測定方法計算。