全自動水分測定儀測定土壤含水率—取樣量對測定結果的影響

陳 晉

(安徽省生態環境監測中心，安徽 合肥 230071)

土壤樣品的含水率是指待測土壤樣品(可以是濕土或經自然風干并研磨混勻的土壤)中水分占烘干前土壤樣品總質量的百分比，是環境監測土壤樣品分析中一項重要的參數，無論是土壤中重金屬元素、有機化合物或其它常規項目的測定，土壤樣品的含水率均是參與結果計算的一項必要參數，因此土壤樣品含水率的測定值對最終測定結果具有一定影響，準確測定土壤樣品的含水率是保證最終實驗結果準確性的關鍵環節之一[1,2]。目前，土壤含水率的測定方法通常有重量法、化學法、射線法、電阻法、介電法、張力計法、遙感法、雷達法等[3]，除重量法外其它方法多為間接測量法，測量速度一般較快，適合用于現場快速測量，但是其精確度往往達不到實驗室的要求，一般僅用于初步判斷土壤的含水率情況；重量法是指稱取一定質量的待測土壤樣品于經過105℃干燥恒重的容器中，再將其置于105℃下烘干直至恒重為止，通過烘干前后的質量差計算其含水率的方法，因其具有準確度高、精密度好等優點，是土壤含水率測定的通用方法，因此被采納為國家標準和國際標準。但是，采用傳統重量法測定土壤樣品含水率的測量時長一般較長，由于需要經過多次烘干稱重直至恒重的過程，一般情況下耗時約16～24h，需要消耗實驗人員大量時間和精力[4,5]。全自動水分測定儀是一類簡單、易用、快速的水分測定儀器，其原理也是通過烘干并稱重的方式來測得樣品中的含水率，由于其能夠精確控溫和稱量，可以在得到相對精確結果的同時，保證測定時間一般不超過20min，具有極大的實際應用前景。目前，尚未見使用此類儀器測定土壤含水率的相關報道。為了探究全自動水分測定儀在測量土壤樣品含水率時的相關特性，本文采用該儀器對風干土壤樣品的含水率進行了測定，并研究了土壤樣品的取樣量對測定結果的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器

HX204型全自動水分測定儀(METTLER TOLEDO)；MG200型臼式研磨儀(北京格瑞德曼儀器設備有限公司)。

1.2 土壤樣品的制備

按照土壤環境監測技術規范(HJ/T 166-2004)的要求采集樣品，并將采集的土壤樣品置于風干盤中，攤成2～3cm的薄層，適時的壓碎、翻動，撿出碎石、砂礫、植物殘體等；風干后的樣品使用木錘、有機玻璃棒等工具壓碎、混勻，并采用四分法留取樣品，樣品研磨到全部通過100目篩(直徑0.15mm)后保存備用[6]。

1.3 含水率的測定

按照推薦的儀器參數設定測量方法，調零后在托盤上加入一定質量的待測樣品并攤平，點擊測量按鈕即開始測量，測量結束后儀器自動顯示測量結果。

2 結果與討論

2.1 取樣量對含水率測定值的影響

通常情況下，取樣量對實驗結果的準確性具有重要影響，是實驗結果是否準確可靠的關鍵因素[7-9]。因此，本文測定了同一土壤樣品在不同取樣量時的含水率，并研究了含水率測定值的變化規律。具體步驟：分別取0.100g、0.500g、2.00g、5.00g、10.0g、15.0g、20.0g土壤樣品置于托盤內，按照儀器推薦的條件進行含水率測定，不同取樣量均平行測定6次，同時記錄測量時長(取6次測定時長的均值)，并對測定結果進行了相關統計分析，詳細數據見表1。由表1數據可知，當取樣量<10.0g時，隨著取樣量的增加，同一樣品含水率的測定均值也隨之增加，當取樣量為10.0g及以上時，其測定值基本保持不變，說明當取樣量>10.0g時，增加取樣量對測定結果已無明顯影響；采用t檢驗法，對相關數據進行顯著性檢驗，當取樣量為10.0g、15.0g和20.0g時，土壤含水率測定結果之間無顯著性差異。實驗數據表明，采用全自動水分測定儀測定土壤含水率時，保證最佳測試結果的取樣量至少為10.0g。

表1 測量結果與取樣量的關系

2.2 取樣量對精密度的影響

精密度是取得良好準確度的前提條件，一般情況下，只有取得了良好的測量精密度，才會有良好的準確度，精密度一般用相對標準偏差(RSD)表示[10]。如圖1所示，計算了不同取樣量下平行測定6次的相對標準偏差，由相關數據可知，隨著取樣量的增加，測定結果的相對標準偏差(RSD)越來越低，表明其精密度越來越好，假設該儀器用于稱量的天平標準偏差為s，且該標準偏差s在一定條件下保持穩定，稱樣量為m，那么根據誤差傳遞原理，多次稱量結果的相對標準偏差可用以下公式表示：

圖1 測定值與取樣量的關系

在s不變的情況下，一定范圍內，隨著m的增加，其RSD顯然會降低；但是，當取樣量≥10.0g時，其精密度幾乎不再變化，這可能是因為隨著稱樣量的增加，由儀器本身性能引起的隨機誤差已不是測量精密度的主要來源，而由于土壤本身的不均勻性所引起的誤差占據了主導地位，所以當取樣量>10.0g時，其相對標準偏差也就不會隨著稱樣量的增加而發生變化，而是與土壤本身均勻性相關的固定值。因此，為了避免儀器本身性能所引起的隨機誤差，從而獲得更好的測量精密度，采用該方法測量土壤含水率時的最小取樣量為10.0g。

2.3 測量時長

通常情況下，采用經典重量法測定土壤樣品的含水率時，一般至少需要耗時16～20h，甚至更久[4,5]，而采用該方法的平均測量時長約10～20min，可以大大縮短測定時間，節省大量人力物力。從表1中數據可知，當取樣量<2.00g時，其測量時長穩定在70s(6次測定值均為70s)，這可能與儀器本身性能及終點判斷條件的設置有關；當取樣量>2.00g(含2.00g)時，測量時長隨取樣量增加而增加，以取樣量為橫坐標、測量時長為縱坐標作趨勢圖，如圖2所示，發現二者呈現明顯線性關系，其線性方程：

圖2 測量時長與取樣量的關系

y=45.017x+0.0244(r=0.9997)

說明在2.00～20.0g范圍內，測量時長與取樣量呈正相關，其原因可能是在一定的條件下，土壤中水分的蒸發速率會保持一個相對穩定的狀態，即在相同的時間內水分的蒸發量保持穩定，因此在一定范圍內隨著取樣量的增加，相應的測量時長也隨之增加，且增加幅度相同。

3 結論

采用全自動水分測定儀對土壤樣品的含水率進行測定，研究測定值、精密度以及測量時長與取樣量的關系，結果表明，取樣量對測定結果有明顯影響。隨著取樣量的變化，土壤含水率測定值和測定精密度(RSD)也隨之發生相應的變化，當取樣量>10.0g時，其測定值和精密度的變化已不明顯；在2.00～20.0g范圍內，含水率的測量時長與取樣量呈正相關，且其相關系數r可達0.9997。因此，在使用全自動水分測定儀測定土壤樣品的含水率時，為了保證測量精確度和測量效率，其最佳取樣量為10.0g。