密度計法測土壤機械組成相關技術問題探討

任文禮，趙秀峰，陸志峰

(江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018)

0 引言

土壤機械組成是指土壤中各土粒粒徑大小及組成，是衡量土壤理化性質的重要指標之一[1-4]，對維護土壤功能具有重要作用[5]。土壤是植物的著生地，為植物生長提供必需的養分和水分。土壤的結構以及種類對植物生長至關重要，良好的土壤結構有利于植物通氣、透水以及能量轉化。土壤機械組成是反映土壤結構和評價土壤性質的重要指標，研究土壤機械組成對指導耕作、土壤改良以及施肥有重要的實際意義，而如何做好機械組成分析工作則是上述科學研究的基礎工作。土壤機械組成試驗看似簡單，實則有許多技術細節需要解決。

1 密度計校準

密度計均為TM-85甲種密度計，均通過NY/T 1121.3—2006，LY/T 1225—1999及JJG 42—2011規定的實驗室內部校準。密度計使用前必須校準，此為刻度校準。密度計讀數原以彎月面下緣為準，但在實際操作中，由于懸液渾濁不清而只能用彎月面上緣讀數，所以彎月面校準很必要。在校準時，刻度校準和彎月面校準可合并進行。

1.1 配置不同的氯化鈉標準溶液

表1 甲種密度計土壤度與20 ℃時標準溶液密度ρ20換算

1.2 測定密度計讀數

將盛有不同氯化鈉標準溶液的各個沉降筒放于恒溫室或者恒溫水槽中，使液溫保持在20 ℃，用攪拌棒攪拌筒內溶液，使其分布均勻。將需要校準的密度計依次放入從表1密度系列選取3個以上標準溶液(濃度由小到大)的沉降筒中，在20 ℃下進行密度計實際讀數(以彎月面上緣為準)的測定。然后將各密度計實際讀數減去空白的平均值，并計算密度計的理論讀數和實際讀數(減空白后)之差。在實際應用中要注意校準值的正負符號。

1.3 結果處理

若∣δ1i-δ0-δ2i∣≤0.5，則本次校準滿足要求，否則此密度計不能用于土壤機械組成測定。

式中：δ1i為20 ℃某標準溶液密度計讀數，s°；δ0為20 ℃純水下密度計讀數的平均值，s°；δ2i為20 ℃某標準溶液密度計理論讀數，s°。

2 研究方法與目的

2.1 研究方法

土壤機械組成樣品測定：采用LY/T 1225—1999《森林土壤顆粒組成(機械組成)的測定》中規定的密度計法進行土壤機械組成測定，根據美國制土壤顆粒分級標準，將土壤劃分為砂粒(粒徑2～0.05 mm)，粉粒(粒徑0.05～0.002 mm)和黏粒(粒徑<0.002 mm)。然后根據砂粒、粉粒和黏粒含量定名。

2.2 研究目的與意義

由于國土系統對于土壤機械組成試驗涉獵較少，缺乏實踐經驗，對試驗過程中的重難點缺乏理論與實踐經驗。本文以全國(江蘇地區)污染土壤詳查為背景，從試驗過程的影響因素出發，研究其對試驗結果準確性和分析效率的影響，為提高試驗的準確度與分析效率提供參考。

3 影響因素

3.1 樣品均勻性對試驗的影響

本次詳查試驗樣品均已風干且過2 mm篩，為了保證樣品均勻性且具有代表性，稱樣前去除植物根莖系等雜質后，應經四分法混合均勻后方可進行試驗。筆者曾經做過多組樣品的平行試驗，不經混勻直接試驗，平行試樣間往往會出現超差，甚至同一樣品出現不同定名。

3.2 樣品酸堿性的判別對試驗的影響

由于LY/T 1225—1999未對樣品酸堿性的有效范圍作出規定，結合農業領域對酸堿性的定義，規定pH≤6.5為酸性，6.57.5為堿性。

土壤pH的測定質量控制重復性實驗允許絕對差值為中性、酸性土壤≤0.1pH單位，堿性土壤≤0.2pH單位。

3.3 分散劑校正對試驗結果的影響

土壤結構是由礦物顆粒和有機物等成分構成的物理多孔單元[6],作為土壤礦物顆粒最小單元的黏粒、粉粒和砂粒，在有機物膠結、生物和物理等因素作用下形成團聚體[7]。僅僅依靠機械力不足以使其分開，因此，分散劑的加入實質是通過破壞團聚體內礦物間的結合水和游離氧化鐵與礦物間的靜電引力來實現團聚體的解體[8]。

LY/T 1225—1999中規定，酸性土壤分散劑為0.5 mol/L氫氧化鈉50 mL，中性土壤分散劑為0.5 mol/L 1/2草酸鈉50 mL，堿性土壤分散劑為0.5 mol/L 1/6六偏磷酸鈉60 mL。正常情況下，風干土樣含水率在2%～5%，以4%為例進行分析。

酸、中、堿性土壤所用分散劑占烘干土質量分別為21、35、64 g/kg。首先，分散劑的選擇除對分散效果的影響外，僅分散劑校正就從20 g/kg到60 g/kg，遠大于樣品平行測定結果的允許絕對偏差：黏粒粒級含量小于10 g/kg；粉(砂)粒粒級含量小于20 g/kg的規定。因此，樣品pH測定至關重要，直接影響分散劑的選擇。尤其是當土樣pH處于臨界值時，當樣品pH為6.6～6.4、7.4～7.6時，即使pH重復性實驗允許絕對差值符合要求，當酸堿性不同時，對實驗結果影響很大。

因此，本文認為3種分散劑對試驗結果的影響過大，超過了試驗質量控制要求。而且不同分散劑之間校正結果也存在明顯差距，一方面對pH測定提出嚴格要求，另一方面反映出3種分散劑的選擇是否合理還有待商榷。

3.4 分散時間對試驗的影響

分別選取酸性、堿性、中性樣品各兩個，經前處理、定容后分別在6 h、12 h、24 h、36 h后再讀數，結果表明：分散有效期達36 h以上，這對8 h讀數和多組樣品連續讀數提供了技術依據。

3.5 人員配合對試驗的影響

首先將所有待測樣品按編號碼放，攪拌開始時開始計時，每個樣攪拌1 min左右，上下攪拌30～40次。剛開始采取1人讀數、1人攪拌的方式進行試驗，發現這種模式最多只能實現4個樣品一組，因為當第5個樣品1 h讀數時，第1個攪拌靜置結束的樣品已經需要進行5 h讀數，攪拌人員需要等待第4個樣品5 h讀數結束后方可進行下一組讀數。這種方式不僅費時，而且需要多次計時，操作煩瑣，效率低。

為了提升分析效率，采取1人攪拌、2人讀數(各用一個密度計)的策略，即3個人統一用一個秒表計時，攪拌1號樣至1 min整時，立即攪拌2號樣，以此類推；1 min讀數分析人員從1 min 30 s開始提前放入1號樣，2 min開始讀數，以此類推；5 min讀數分析人員從5 min 30 s開始提前放入1號樣，6 min開始讀數，以此類推。8 h讀數1人即可。

3.6 分散劑添加順序對試驗的影響

當改變分散劑添加順序時，先加分散劑再加水，無論是酸性、堿性還是中性1 min、5min、8 h密度計讀數均比先加水后加分散劑大，對某些樣品甚至出現1 min讀數超過50 s°的情況。筆者分析是由于分散劑濃度過大導致樣品顆粒電性發生變化，導致顆粒間相互排斥所致。

3.7 0.25 mm篩上篩分和5 min密度計讀數對定名的影響

溫度校正后的1 min、5 min、8 h密度計讀數分別用于測定小于0.05 mm、0.02 mm、0.002 mm各粒級的含量。

黏粒(小于0.002 mm)粒級含量(g/kg)=小于0.002 mm粒級含量-分散劑占烘干土質量

(1)

粉(砂)粒(0.05～0.002 mm)粒級含量(g/kg)=0.05～0.02 mm粒級含量+0.02～0.002 mm粒級含量

(2)

砂粒(2～0.05 mm)粒級含量(g/kg)=1 000-黏粒(小于0.002 mm)粒級含量-粉(砂)粒(0.05～0.002 mm)粒級含量

(3)

分析式(1)～式(3)可知：如果僅從定名角度出發，5 min密度計讀數和0.25 mm篩上篩分與砂粒、粉粒和黏粒計算沒有關系。

3.8 其他因素對試驗的影響

經過反復論證，發現煮樣過程加小漏斗不利于分散。加漏斗后隨著三角瓶內溶液溫度升高，產生大量氣泡，壓力釋放不及，容易導致試樣濺出且由于漏斗狹窄不易清洗。

機械組成試驗過程需要使用溫度計讀取介質溫度，且溫度的平衡需要一定的時間，因此機械組成測試環境應該穩定且陰涼，避免陽光照射，這樣用一個樣品的介質溫度即可代表房間內所有待測樣品的溫度。

4 結語

(1)樣品均勻性和pH對機械組成試驗有顯著影響，而且pH的范圍直接決定了分散劑的選擇。

(2)分散時間對試驗結果影響不大，前處理完成后36 h內進行讀數即可。

(3)3種分散劑的校正對試驗結果影響過大，而且不同分散劑間校正結果相差較大。

(4)0.25 mm篩上篩分和5 min讀數對定名沒有影響，如果僅需要定名的話，0.25 mm篩上篩分和5 min讀數可以省略。

(5)前處理過程不加漏斗有利于試驗順利進行。

(6)分散劑添加順序對試驗結果有重大影響，改變分散劑添加順序結果差異較大，可能是分散劑濃度過高所致。