土壤样品含水量快速测定方法的比较研究

马璠等

摘要

[目的]探寻更加快速、节能的土壤样品含水量、测定方法，优选出适用于不同样品数量的最佳干燥途径，对提高土壤含水量、分析效率及实验室节能有重要意义。[方法]以黄绵土（宁夏彭阳）、塿土（陕西杨凌）、紫色土（四川盐亭）3种土壤为试验材料，采用烘箱法、微波炉法、酒精灯干烧法、酒精燃烧法分别对设计含水量为30%、20%、10%的土壤样品含水量进行了测定，并对几种测定方法进行了比较。[结果]微波炉法能将样品的干燥时间缩短至10 min以内，速度快，能耗低，且测定结果与烘箱法没有显著差异，在样品数量较少的情况下可以作为烘箱法的替代方法，而烘箱法仅适用于大批量样品的干燥。该研究提出的酒精灯干烧法可能成为一种较节约燃料的快速干燥方法。该方法的测定准确性还有待改进，适用性需进一步验证。[结论]从实验室节能减排的角度出发，推荐使用微波炉法进行土壤样品干燥，在样品数量较少的情况下尽量避免使用烘箱法。

关键词 土壤含水量；快速测定方法；微波炉法；节能减排

中图分类号 S152.7 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）20-06591-03

Comparison of Rapid Methods for Soil Water Content

MA Fan et al

（Institute of Desertification Control， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan， Ningxia 750002）

Abstract [Object]Searching for rapid and energysaving methods for measuring soil water content and selecting the best way of soil drying for different sample quantity were of importance to enhance the efficiency of soil water analysis and energy saving of laboratory. [Method]Taken loessial soil （Pengyang， Ningxia）， lou soil （Yangling， Shaanxi）， and purple soil （Yanting， Sichuan） as material， soil water contents of samples with designed water content of 30%， 20% and 10% were tested using oven method， microwave oven method， alcohol lamp toasting method， and alcohol burning method. [Result] Microwave oven method could shorten the time consumption to less than 10 min， and got accurate results as oven method. When there were only a few samples， microwave oven method could take the place of oven method. However， oven method was only suitable for samples with large number. The lcohol lamp toasting method proposed by this study probably was a rapid and fuel saving drying method， but its accuracy and applicability needed more research. [Conclusion]In order to save energy and reduce carbon emissions， microwave oven method was recommended， and the use of oven method should be avoided when there were only a few samples.

Key words Soil water content； Rapid method； Microwave oven method； Energy saving and emission reduction

土壤樣品含水量的测定是研究中经常进行的试验项目。准确、快速地测定土壤样品含水量有助于研究工作的顺利进行。在实验室中测定土壤样品含水量通常采用烘箱法。这是一切土壤含水量测定方法的校准基础。但是，烘箱法耗时长，加之烘箱的容积大、额定功率高，如果一时只有少量样品，那么使用烘箱法就会造成能源的极大浪费，不利于节能减排。研究人员提出了一些快速测定土壤样品含水量的方法，例如酒精燃烧法、微波炉法[1]等。酒精燃烧法需要翻烧数次，较为不便，且不适用于有机质含量较高的土壤，误差也较大[2]。微波炉法在文献中有所报道，烘干速度确实很快（少于10 min）[1]，但在实际研究工作中，似乎使用得较少。原因可能有以下几点：①微波炉法无法控制干燥温度，无法达到105 ℃恒温烘干的操作规范；②在一般的研究工作中，较少遇到需要极其迅速测定土壤含水量的情况；③微波炉法需要使用玻璃或陶瓷器皿，而目前常规的非金属器皿里还没有类似铝盒的专门取样器皿，加之玻璃或陶瓷易碎，不利于田间取样，从而限制了微波炉法的使用。在某些研究工作中，大量土壤样品需要迅速干燥，以免影响试验进度，例如土壤侵蚀试验中取得的产沙过程样品就需要迅速干燥以计算产沙量，否则会造成样品堆积以及试验器材占用，使得后续试验无法进行。在这类情况下，无疑需要采用土壤样品的快速干燥方法。笔者比较了几种快速测定土壤样品含水量方法的样品干燥时间、干燥过程、最终测定结果以及试验能耗的差异，以确定在不同的试验背景下最适用的测定方法，为实验室土壤样品含水量的测定提供更多的选择。

1 材料与方法

1.1 试验样品

该研究所用黄绵土采自宁夏回族自治区彭阳县白阳镇中庄村旱作梯田，常年为小麦—玉米轮作，一年一熟。供试塿土采自陕西省杨凌区揉谷乡灌溉农地，常年为玉米—小麦轮作，一年两熟。供试紫色土采自四川省盐亭县中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站附近旱作农地，常年为小麦（或油菜）—玉米轮作，一年两熟。土壤样品均采自农田0～20 cm土层，去除秸秆、杂质，风干后过5 mm筛备用。

1.2 湿润土样的制备

试验在宁夏农林科学院荒漠化治理研究所试验室里进行。该研究设计了3个水平的土壤样品含水量，分别为30%、20%、10%。湿润土样的制备方法如下：将过筛风干土装满5个直径7 cm、高5 cm的铁盒，土面比铁盒上沿略低5 mm左右，铁盒底部钻有若干3 mm的小孔，并垫有滤纸。将装满风干土的铁盒放入烘箱以105 ℃烘干至恒重后，将土样、铁盒浸入清水中，水面与铁盒上沿持平，待盒内土样完全被水浸满后，将铁盒取出静置。待盒内重力水基本排出之后，将土样、铁盒放入烘箱105 ℃烘干，烘干过程中不时取出称量，用式（1）计算土样含水量。

Wd=m湿土+盒+纸-m干土+盒+纸m干土+盒+纸-m盒+纸×100%

（1）

式中，Wd为土样含水量；m湿土+盒+纸为烘干过程中测得的湿润土样与铁盒的总质量；m干土+盒+纸为浸泡前烘干土样与铁盒的总质量；m盒+纸为铁盒与滤纸总质量。当Wd达到设计含水量时，停止烘干，土样制备完成。

1.3 土壤含水量的测定

在湿润土样制备完成后，立即用烘箱法、微波炉法、酒精灯干烧法、酒精燃烧法4种方法对土样进行含水量的测定。每种方法均从5个制备铁盒中按干土重20 g的标准各取样1次。4种方法共取样20个。

烘箱法使用的设备为上海鸿都电子科技有限公司生产的DHG9101OS型电热恒温干燥箱，额定功率为500 W，每30 min取出样品且称重1次。

微波炉法使用的设备为格兰仕公司生产的P70D20TPC6（W0）型微波炉，额定输入功率为1 180 W，最大微波输出功率为700 W。微波炉法使用的盛土器皿为50 mm×30 mm的扁形称量瓶，每2 min取出样品且称重1次。酒精灯干烧法是该研究提出的一种以酒精灯为加热工具的简易干燥方法，即直接用酒精灯隔着石棉网加热铝盒中的土样。这种方法仅需非常廉价的试验室常规工具即能进行土壤干燥。采用这种方法，样品每2 min称重1次；另外，记录每个土样干燥前后的酒精灯重量，以计算酒精使用量。

酒精燃烧法是比较常用的快速测定方法。研究中每个土壤样品燃烧3～4次，每次燃烧结束后称量1次。每次燃烧所用酒精量能将土样大致淹没，且控制在12 ml，以便计算酒精使用量。土样前后两次称量之差小于0.05 g，即认为达到烘干标准[1]。

2 结果与分析

2.1 土壤样品干燥时间

土壤样品达到烘干标准所用的时间是评价快速测定方法最主要的一个方面。由表1可知，烘箱法所用时间为150～180 min，比一般操作中所用的时间

（6～8 h）要短得多。这可能是因为研究中每次干燥的样品数量只有5个，故干燥時间较短。在3种土壤中，30%设计含水量的塿土样品干燥需要180 min，其他样品都在150 min。这可能是由于塿土的质地黏重，黏粒吸附的吸湿水较多，不易干燥。微波炉法的干燥时间大多在9 min，尤其是10%设计含水量的紫色土仅需6 min，可见微波炉法干燥速度很快。这都是由微波炉能直接以微波为媒介将能量高效传递给水分子的原理决定的。酒精灯干烧法的干燥时间在18～22 min之间，也远少于烘箱法。由于该方法以普通热传导加热水分子，可以断定该方法下样品温度较高，才能在较短的时间内蒸发水分子。使用酒精燃烧法，燃烧3～4次之后样品达到干燥标准，而每次燃烧耗时在10 min左右，故总耗时在30～40 min。

2.2 土壤样品干燥过程

分析土壤样品的干燥过程可以进一步了解各种方法在干燥效率上的差异。该研究以干燥过程中土壤含水量的即时测定值随时间的变化来表示。

由图1可知，不同的干燥方法、设计含水量以及土壤类型的样品干燥过程是不一样的。烘箱法、微波炉法、酒精灯干烧法的干燥过程曲线总体上相似，含水量测定值都是一开始快速上升，然后变化较缓慢。曲线的前半段即表示样品快速由湿变干的过程，也进一步说明不同方法在干燥速度上的差异。以30%设计含水量为例，烘箱法的快速干燥阶段大约在90 min时结束，微波炉法大约在6 min时结束，酒精灯干烧法大约在16 min时结束，表示样品内自由水基本蒸发完毕，此后的曲线非常平缓，表示样品进入吸湿水的蒸发阶段。20%设计含水量样品的快速干燥阶段时长与30%含水量相似，而10%设计含水量样品的快速干燥阶段时长要略短一些，但缩短的幅度并不大。对于酒精燃烧法，大多在第2次燃烧之后，样品就基本上接近干燥，类似于其他3种方法中的快速干燥阶段结束，之后的1～2次燃烧主要是为了吸湿水的蒸发。

2.3 土壤样品含水量最终测定结果

在每轮试验的4种干燥方法中，均以烘箱法为标准来衡量其他3种方法在样品含水量最终测定效果方面的优劣。毕竟测定结果的准确性对于研究工作来说是最重要的，如果某种方法得到的结果偏离标准太多，那么即使效率再高也不宜采用，所以要比较各种快速测定方法与标准方法的差异。研究中所设计的4种方法、3种土壤的干燥试验得到的土壤含水量最终测定结果采用SPSS 16.0软件作了方差分析。

作方差分析时，对不同设计含水量的数据分别进行计算，计算时以“土壤类型”和“干燥方法”2个因素做双因素的方差分析。该研究主要关心的是不同的干燥方法之间土壤含水量最终测定结果是否存在显著差异，所以在此主要分析不同干燥方法之间的结果差异。方差分析结果表明，不同干燥方法之间的土壤含水量最终测定结果均有显著差异（P<0.01），因此有必要将各方法作多重比较，以进一步明确与烘箱法相比，其他3种方法测定结果的差异。

多重比较结果表明，在30%和20%设计含水量下，酒精灯干烧法与烘箱法有显著差异（P<0.01），而且与其他2种方法也有显著差异（P<0.01），除酒精灯干烧法外，其他3种方法之间都没有显著差异。在10%设计含水量下，酒精灯干烧法与其他3种方法都有显著差异（P<0.01），微波炉法与酒精燃烧法之间也有显著差异（P<0.01），微波炉法以及酒精燃烧法、烘箱法之间都没有显著差异。从测定的准确性来看，微波炉法、酒精燃烧法与标准方法没有显著差异，测定结果是可以接受的，而酒精灯干烧法与标准方法及其他方法都有显著差异（P<0.01），测定准确性较差，从统计学角度看是不可接受的。

图1 土壤样品干燥过程

2.4 干燥方法的能耗分析

选取快速干燥方法一方面是为了节约时间，另一方面是为了降低能耗。一般说来，采用烘箱法烘干土壤样品是试验室里能耗最大的工作内容。如果能用某种方法代替烘箱法，那么对试验室的节能减排具有重要意义。

由表2可知，微波炉法的能耗最低，比其他3种方法都低一个数量级，充分显示其较高的干燥效率。酒精灯干烧法的能耗约为烘箱法的一半，烘箱法和酒精燃烧法的能耗较接近。作为传统方法，烘箱法和酒精燃烧法的能耗都较高，而微波炉法则在节能方面显示出巨大的优越性。酒精灯干烧法和酒精燃烧法的能耗还有很大的降低空间，因为研究中湿润土壤单个样品质量是按干土重20 g的标准取的，主要是为了与烘箱法和微波炉法的样品质量相对应，但实际上超过20 g的样品质量并不是太适宜用酒精灯干烧法和酒精燃烧法，所以减少样品质量才能更全面地评估这2种方法的能效。这有待更多试验验证。