吸管法與激光粒度儀法測定土壤機械組成的比較研究

李曉玲 溫美麗 高曉飛

摘要

[目的]為研究采用吸管法和激光粒度儀法測定土壤機械組成的結(jié)果差異及相關(guān)性。[方法]應(yīng)用吸管法和激光粒度儀法，測定20個紅壤和19個黑土樣品的機械組成，并且進(jìn)行對比分析。[結(jié)果]采用吸管法和激光粒度儀法測得紅壤黏粒含量分別是16.1%和33% ，粉粒含量分別是47.7%和60.8% ，砂粒含量分別是36.2%和35.9%;采用吸管法和激光粒度儀法測得黑土黏粒含量分別是23.9%和3.8% ，粉粒含量分別是19.9%和34.7%，砂粒含量分別是56.2%和61.5%。同時，得到2種方法測得各個粒級之間的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系式，黏粒：y紅=0.222 1x（R²=0.909 1），y黑=0.163 8x（R²=0.897 0）; 粉粒：y紅=1.275 9x（R²=0.947 7），y黑=1.768 6x（R²=0911 1）;砂粒：y紅=1.002 2x（R²=0.984 5），y黑=1.097 1x（R²=0.968 4）。式中，x是吸管法測定的相應(yīng)各粒級的質(zhì)量百分比，y是激光粒度儀法測定的相應(yīng)各粒級的體積百分比。[結(jié)論]無論是紅壤還是黑土，采用激光粒度儀法測得的黏粒含量明顯低于吸管法，而粉粒含量高于吸管法，2種方法測得的砂粒含量比較接近。2種方法測得的黏粒、粉粒和砂粒各個粒級含量均呈0.01水平顯著的線性相關(guān)關(guān)系。土壤類型不同，得到的轉(zhuǎn)換關(guān)系有一定的差異，因此針對不同的土壤類型，可能需要分別建立2種方法測定結(jié)果之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

關(guān)鍵詞 土壤機械組成;吸管法;激光粒度儀法;轉(zhuǎn)換關(guān)系

中圖分類號 S152.3+2;151.9+2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2015）03-057-03

Comparative Study on Soil Particle Size Distribution Measured by Pipette Method and Laser Diffraction Method

LI Xiaoling¹， WEN Meili²， GAO Xiaofei1*

（1.School of Geography， Beijing Normal University， Beijing 100875;2.Guangzhou Institute of Geography， Guangzhou， Guangdong 510070）

Abstract [Objective]The purpose was to explore the differences and relativity between the pipette method and laser diffraction method used in terms of primary particle size measurement.[Method]20 samples of red soil and 19 samples of black soil were collected to measure their primary particle size distribution using the pipette method and laser diffraction.[Result]For red soil， the clay content were respectively 16.1% and 3.3%， determined by the pipette and laser diffraction method. The silt percent were 47.7% and 60.8%， respectively. The sand proportion was 36.2% and 35.9%， respectively. In black soil， the clay content was 23.9% and 3.8%， respectively， measured by the pipette and laser diffraction method. The silt proportion was respectively 19.9% and 34.7%. The sand percent was 56.2% and 61.5%， respectively. The linear transformational relations of each grade between the two methods were established， e.g. clay： yred=0.222 1x（R²=0.909 1）， yblack=0.163 8x（R²=0.897 0）， silt： yred=1.275 9x（R²=0.947 7）， yblack=1.768 6x（R²=0.911 1）， sand： yred=1.002 2x（R²=0.984 5）， yblack=1.097 1x（R²=0.968 4）， X is quality percentage of each grade measured by pipette method， and y is volume percentage of each grade measured by laser diffraction method）. [Conclusion]The clay content measured using the laser diffraction method was obviously lower than that determined by the pipette method for the red soil and black soil， while the silt percent made by the former was higher than that by the latter， and the sand content determined by the two methods was similar. Significant linear correlations were found between the measurements of two methods for clay， silt and sand contents. And the conversion models between the two methods were established. However， there were some differences of the conversion models between the two soil types. Therefore， it was possible to establish the conversion models between the two methods according to different soil types， respectively.

Key words ?Soil primary particle size distribution; Pipette method; Laser diffraction method; Transformational model

基金項目 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金-北京師范大學(xué)自主科研基金項目（2013YB05）。

作者簡介

李曉玲（1988-），女，山東青島人，碩士研究生，研究方向：土壤侵蝕。*通訊作者，高級實驗師，博士，從事土壤侵蝕方面的研究。

收稿日期 20141209

土壤機械組成是指土壤中各粒級所占的比例，又稱顆粒組成。它是土壤最基本、最重要的性狀之一^[1]。其數(shù)據(jù)可用來確定土壤質(zhì)地和土壤的結(jié)構(gòu)性，并且是各種有關(guān)土壤模型研究中不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)^[2]。在20世紀(jì)90年代以前，土壤機械組成的測定普遍采用濕篩-沉降法，而沉降法中最經(jīng)典的方法是吸管法^[3]。但是，吸管法也存在一些缺點，包括操作步驟繁瑣，耗時長，測定精度依賴實驗室條件與操作熟練水平等^[4-5]。另外，對土粒形狀的假設(shè)和土粒密度的假設(shè)與實際情況并不完全符合，也會導(dǎo)致測定的誤差^[6]。激光粒度儀法是近年來新興的一種測量方法^[7]。在激光粒度儀誕生后，由于其測量具有速度快、測量范圍廣、自動化程度高、相對誤差小、重現(xiàn)率高等特點，得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用^[8-9]。但是，由于應(yīng)用時間有限，目前還沒有形成一套成熟、規(guī)范的方法體系^[10]。

在20世紀(jì)90年代以后，國內(nèi)外很多學(xué)者對沉降法和激光粒度儀法的測定結(jié)果進(jìn)行了對比。研究結(jié)果普遍認(rèn)為，采用激光粒度儀法測得的土壤黏粒含量低于沉降法，而粉粒含量高于沉降法[5-6，11-13]。但是，對于這2種方法測定結(jié)果的相關(guān)性、轉(zhuǎn)換關(guān)系，目前仍沒有定論。

很多研究表明，2種方法測定結(jié)果之間具有較好的相關(guān)性。Konert等^[11]使用吸管法和激光粒度儀法測定了158個樣品，發(fā)現(xiàn)2種方法測定的黏粒含量具有極好的相關(guān)性（r=0.95）。Beuselinck等^[5]應(yīng)用2種方法測定83個淋溶土，認(rèn)為2種方法測定的黏粒和砂粒含量都有很好的線性關(guān)系，并且黏粒部分的轉(zhuǎn)換關(guān)系式與Konert等的研究結(jié)果相近。Linda等^[14]應(yīng)用2種方法測定了8種質(zhì)地不同的土壤，分別建立了砂粒、粉粒、黏粒的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，其中2種方法測得黏粒的含量非常接近，與其他學(xué)者建立的關(guān)系式相比，轉(zhuǎn)換系數(shù)較高。楊金玲等^[6]測定了中國6個主要土綱的265個土壤樣品，發(fā)現(xiàn)2種方法測定的黏粒、粉粒和砂粒間均具有很好的相關(guān)性。但是，也有研究表明，2種方法之間的相關(guān)性不好。Eshel等^[12]分別用激光粒度儀法和吸管法測定了42個土壤樣品的機械組成，發(fā)現(xiàn)采用2種方法測得各個粒級的轉(zhuǎn)換關(guān)系并不令人滿意，認(rèn)為兩者之間不存在固定的或可行的轉(zhuǎn)換關(guān)系。楊艷芳等^[15]用2種方法測定了6個林地富鐵土剖面不同層次的40個土樣，發(fā)現(xiàn)很難為黏粒找到一個合適的轉(zhuǎn)換模型。

因此，有學(xué)者認(rèn)為，不同研究者得到2種方法測定結(jié)果的相關(guān)性及轉(zhuǎn)換關(guān)系式是不同的，主要原因是土壤類型不同、儀器的參數(shù)不同、樣品的前期處理不一致等^[6]。筆者以南方的紅壤和東北的黑土為供試樣品，應(yīng)用沉降-吸管法和Microtrac S3500激光粒度儀測定土壤機械組成，以期探討2種方法測定結(jié)果的差異及轉(zhuǎn)換關(guān)系，為沉降-吸管法和激光粒度儀法測定土壤機械組成提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?樣品的采集與預(yù)處理

供試土樣包括紅壤和黑土2種類型，其中紅壤樣品20個、黑土19個。紅壤采自廣東省河源市新豐江水庫上游南坑河支流河道和河岸剖面，采樣深度0～80 cm;黑土采自黑龍江省嫩江縣鶴山農(nóng)場的北京師范大學(xué)九三野外水土保持試驗站野外徑流場（鶴山農(nóng)場第三作業(yè)區(qū)）附近農(nóng)田的3個剖面，取土深度為20 ～ 200 cm。選樣主要依據(jù)是土壤粒徑組成有一定的差距。采集的土樣經(jīng)風(fēng)干后，研磨過2 mm 篩，備用。同時，測量土壤的吸濕水含量。

1.2 吸管法

吸管法測定參照《土壤物理性質(zhì)測定法》^[16]。基本步驟為：稱取土壤樣品10.00 g，放入500 ml錐形瓶，黑土加H₂O₂除有機質(zhì)至無氣泡產(chǎn)生，采用加熱法排除過量H₂O₂。同時，做一份樣品，計算洗失量。然后，給分析用的樣品加純水250 ml左右，再加10 ml 0.5 mol/L分散劑（紅壤加氫氧化鈉，黑土加六偏磷酸鈉），靜置過夜。煮沸，保持沸騰1 h，冷卻后使用0.25 mm孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，將>0.25 mm的顆粒洗入蒸發(fā)皿，烘干，稱重。將土壤懸濁液中<0.25 mm的顆粒完全轉(zhuǎn)移到1 000 ml量筒，加純水定容至1 000 ml。按照國際制和美國制的土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)，分別計算0.05、0.02和0.002 mm土壤顆粒在當(dāng)時室溫情況下沉降至10 cm所需要的時間。上下攪拌懸液1 min，分別在相應(yīng)時間使用吸管吸取土壤懸液，轉(zhuǎn)移到已知質(zhì)量的小燒杯中，烘干，冷卻，稱重。在一次吸液后，加水定容，攪拌，重新計時。根據(jù)每次吸液的烘干質(zhì)量、吸管體積和烘干土質(zhì)量，計算各級土粒的質(zhì)量百分含量^[16]。

1.3 激光粒度儀法

激光粒度儀法的測定原理是光的Fraunhofer衍射和Mie散射理論，顆粒的大小與入射光衍射角呈反比^[17]。樣品的前期處理過程（除有機質(zhì)、煮沸分散）與吸管法相同。但是，由于激光粒度儀檢測有濃度限制，取樣量減少，紅壤稱1～3 g（根據(jù)黏粒含量多少，黏粒含量高的取樣量減少），黑土稱1 g，加入分散劑的體積也相應(yīng)減少。該研究使用的激光粒度儀是美國Microtrac公司生產(chǎn)的S3500型，顆粒測量范圍0.021 5～2 000 μm。在每次測定前，設(shè)置背景值，將前處理好的土壤懸液搖勻，舀1 ml左右樣品于樣品池中，然后用超聲波分散15 s，開始檢測，每個樣品重復(fù)測定3次，取平均值。電腦自動記錄測得的土壤粒徑體積分布曲線及小于各粒級的體積百分含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理在Excel 2010中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 ? 吸管法與激光粒度儀法測定結(jié)果的差異比較

由圖1可知，激光粒度儀法測定的紅壤<0.05 mm 和<0.02 mm 顆粒的體積百分比與吸管法測得相應(yīng)粒級的質(zhì)量百分比非常接近。這與劉濤等^[18]的研究結(jié)果是一致的。但是，對于黑土，2種方法測得的<0.05 mm 和<0.02 mm 顆粒含量的結(jié)果接近程度不如紅壤。

吸管法和激光粒度儀法測得的紅壤<0.05 mm 顆粒的平均值分別是63.8%和64.2%。2種方法測得紅壤<0.02 mm 顆粒含量的平均值分別是45.3%和43.7%。吸管法和激光粒度儀法測得的黑土<0.05 mm 顆粒含量的平均值分別是43.8%和38.8%，測得的黑土<0.02 mm 顆粒含量的平均值分別是36.7%和26.9%。吸管法和激光粒度儀法測得的紅壤<0.002 mm的顆粒含量的平均值分別是16.1%和3.3%，測得的黑土<0.002 mm的顆粒含量的平均值分別是23.9%和3.8%。這可能是因為土壤的小顆粒含量越多，激光粒度儀測定的小于某一粒級的顆粒含量越低，導(dǎo)致2種方法的測定結(jié)果差異越大。

注：a. <0.05 mm，b. <0.02 mm，c. <0.002 mm。

圖1 吸管法和激光粒度儀法測定的值的比較

按照美國制土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級。由表1可知，無論是紅壤還是黑土，吸管法測得黏粒的含量均明顯大于激光粒度儀法的測定值，吸管法和激光粒度儀法測得的紅壤黏粒含量的平均值分別為16.1%和3.3%，2種方法測得黑土黏粒含量的平均值分別是23.9%和3.8%。吸管法測得的粉粒含量均小于激光粒度儀法的測定值，2種方法測得紅壤的粉粒含量平均值分別是47.7%和60.8%，測得黑土的粉粒含量平均值分別是19.9%和34.7%。2種方法測定的砂粒含量則比較接近。2種方法測得紅壤的砂粒含量平均值分別是36.2%和35.9%，測得黑土的砂粒含量平均值分別是562%和61.5%。這一結(jié)果與大部分研究者的結(jié)論比較一致，即激光粒度儀法測得的黏粒含量明顯低于吸管法，而粉粒含量高于吸管法，2種方法測得的砂粒含量較接近[6，10，15，19]。

表1 ?激光粒度儀法與吸管法測定土壤機械組成的比較

%

土壤

類型方法

黏粒（<0.002 mm）

最小值最大值平均值

粉粒（0.002～0.050 mm）

最小值最大值平均值

砂粒（0.050～2.000 mm）

最小值最大值平均值

紅壤吸管法1.0 30.5 16.1 2.0 75.9 47.7 1.8 94.5 36.2

激光法0.0 7.0 3.3 2.8 91.6 60.8 1.5 97.1 35.9

差值 1.0 23.512.8 -0.8 -25.7 -13.1 0.3 -2.6 0.3

黑土吸管法5.1 39.1 23.9 4.1 36.8 19.9 27.6 90.8 56.2

激光法0.2 6.6 3.8 4.8 68.5 34.7 24.8 95.0 61.5

差值 4.9 32.5 20.1 -0.7 -31.7 -14.8 2.8 -4.2 -5.3

2.2 ?吸管法與激光粒度儀法測定結(jié)果的轉(zhuǎn)換關(guān)系

采用線性模型對吸管法和激光粒度儀法測得的紅壤和黑土的黏粒（<0.002 mm）、粉粒（0.002～0.050 ?mm）和砂粒（0.050～2.000 ?mm）進(jìn)行了比較和轉(zhuǎn)換。為了避免當(dāng)吸管法測得值較低時，預(yù)報的激光粒度儀法的黏粒值是負(fù)值，統(tǒng)一設(shè)置截距為0。2種方法測定的各粒級含量的線性回歸方程分別為：

黏粒： ? ? ? y紅=0.222 1x ? ?R²=0.909 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

y黑=0.163 8x ? ?R²=0.897 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

粉粒： ? ? ? y紅=1.275 9x ? ?R²=0.947 7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

y黑=1.768 6x ? ?R²=0.911 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

砂粒： ? ? ? y紅=1.002 2x ? ?R²=0.984 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

y黑=1.097 1x ? ?R²=0.968 4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，x為吸管法測定的相應(yīng)各粒級的質(zhì)量百分比;y為激光粒度儀法測定的相應(yīng)各粒級的體積百分比。各個方程的決定系數(shù)均很高，達(dá)0.01顯著相關(guān)的水平。但是，根據(jù)紅壤和黑土得到的2種方法之間各粒級的線性回歸方程有一定的差異性。黑土的黏粒含量比紅壤高，得到2種方法之間黏粒含量的比例系數(shù)低于根據(jù)紅壤得到的比例系數(shù)。對于砂粒，根據(jù)紅壤得到的線性回歸方程的系數(shù)更接近于1，且決定系數(shù)比黑土的高。

另外，研究還發(fā)現(xiàn)吸管法測得紅壤<0.002 mm的含量與激光粒度儀法測得<0.005 mm的含量非常接近，二者之間的比例關(guān)系為：

y紅=0.991 4 ?R²=0.944 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中，x為吸管法測得紅壤<0.002 mm的含量;y紅為激光粒度儀法測得的<0.005 mm顆粒的含量。

這與Konert等^[11]的發(fā)現(xiàn)有相似之處。他們研究認(rèn)為，吸管法測得的土壤<0.002 ?mm含量與激光粒度儀法測得的<0.008 mm的含量非常接近，得到的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

y=0.999x-1.146 R²=0.939（8）

式中，x為吸管法測得紅壤<0.002 mm的含量;y為激光粒度儀法測得<0.008 mm的含量。

但是，對于黑土來講，吸管法測得的<0.002 mm顆粒的含量仍遠(yuǎn)大于激光粒度儀法測得的<0.005 mm顆粒的含量，二者之間的比例關(guān)系為：

y黑=0.479 8 R²=0.869 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

式中，x為吸管法測得黑土<0.002 mm顆粒的含量;y黑為激光粒度儀法測得的黑土<0.005 mm顆粒的含量。

這可能是由于黑土的黏粒含量較高，而激光粒度儀易低估黏粒的含量，因此從吸管法到激光粒度儀法測量值的轉(zhuǎn)換系數(shù)小于紅壤的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3 ?結(jié)論

該研究測定了紅壤和黑土的機械組成。所用的儀器參數(shù)設(shè)置相同，分散方法一致，操作過程中人為誤差也基本相似。在此基礎(chǔ)上，對比了2種方法測定的不同類型土壤各粒級含量之間的差異。結(jié)果表明， 激光粒度儀法測得的土壤黏粒含量明顯低于吸管法，而粉粒含量高于吸管法，2種方法測得的砂粒含量基本接近。2種方法測得紅壤<0.050 mm和<0.020 mm顆粒的含量非常接近，但吸管法測得的黑土<0.050 mm 和<0.020 mm 顆粒的含量高于激光粒度儀法，<0.020 mm 顆粒的差異要大于<0.050 mm顆粒的差異。

無論是紅壤還是黑土，2種方法測得黏粒、粉粒、砂粒各個粒級含量均呈001水平顯著的線性相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)都較高。對于不同的土壤類型，2種方法之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式可能會有一定的差異性，但可針對不同土壤類型，分別建立2種方法測定結(jié)果之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，應(yīng)用于實驗室的同一個批次的土壤質(zhì)地的評估。

43卷3期 ? ? ? ? ? ? ? ?李曉玲等 吸管法與激光粒度儀法測定土壤機械組成的比較研究

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