密度计法测土壤机械组成相关技术问题探讨

任文礼，赵秀峰，陆志峰

(江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018)

0 引言

土壤机械组成是指土壤中各土粒粒径大小及组成，是衡量土壤理化性质的重要指标之一[1-4]，对维护土壤功能具有重要作用[5]。土壤是植物的着生地，为植物生长提供必需的养分和水分。土壤的结构以及种类对植物生长至关重要，良好的土壤结构有利于植物通气、透水以及能量转化。土壤机械组成是反映土壤结构和评价土壤性质的重要指标，研究土壤机械组成对指导耕作、土壤改良以及施肥有重要的实际意义，而如何做好机械组成分析工作则是上述科学研究的基础工作。土壤机械组成试验看似简单，实则有许多技术细节需要解决。

1 密度计校准

密度计均为TM-85甲种密度计，均通过NY/T 1121.3—2006，LY/T 1225—1999及JJG 42—2011规定的实验室内部校准。密度计使用前必须校准，此为刻度校准。密度计读数原以弯月面下缘为准，但在实际操作中，由于悬液浑浊不清而只能用弯月面上缘读数，所以弯月面校准很必要。在校准时，刻度校准和弯月面校准可合并进行。

1.1 配置不同的氯化钠标准溶液

表1 甲种密度计土壤度与20 ℃时标准溶液密度ρ20换算

1.2 测定密度计读数

将盛有不同氯化钠标准溶液的各个沉降筒放于恒温室或者恒温水槽中，使液温保持在20 ℃，用搅拌棒搅拌筒内溶液，使其分布均匀。将需要校准的密度计依次放入从表1密度系列选取3个以上标准溶液(浓度由小到大)的沉降筒中，在20 ℃下进行密度计实际读数(以弯月面上缘为准)的测定。然后将各密度计实际读数减去空白的平均值，并计算密度计的理论读数和实际读数(减空白后)之差。在实际应用中要注意校准值的正负符号。

1.3 结果处理

若∣δ1i-δ0-δ2i∣≤0.5，则本次校准满足要求，否则此密度计不能用于土壤机械组成测定。

式中：δ1i为20 ℃某标准溶液密度计读数，s°；δ0为20 ℃纯水下密度计读数的平均值，s°；δ2i为20 ℃某标准溶液密度计理论读数，s°。

2 研究方法与目的

2.1 研究方法

土壤机械组成样品测定：采用LY/T 1225—1999《森林土壤颗粒组成(机械组成)的测定》中规定的密度计法进行土壤机械组成测定，根据美国制土壤颗粒分级标准，将土壤划分为砂粒(粒径2～0.05 mm)，粉粒(粒径0.05～0.002 mm)和黏粒(粒径<0.002 mm)。然后根据砂粒、粉粒和黏粒含量定名。

2.2 研究目的与意义

由于国土系统对于土壤机械组成试验涉猎较少，缺乏实践经验，对试验过程中的重难点缺乏理论与实践经验。本文以全国(江苏地区)污染土壤详查为背景，从试验过程的影响因素出发，研究其对试验结果准确性和分析效率的影响，为提高试验的准确度与分析效率提供参考。

3 影响因素

3.1 样品均匀性对试验的影响

本次详查试验样品均已风干且过2 mm筛，为了保证样品均匀性且具有代表性，称样前去除植物根茎系等杂质后，应经四分法混合均匀后方可进行试验。笔者曾经做过多组样品的平行试验，不经混匀直接试验，平行试样间往往会出现超差，甚至同一样品出现不同定名。

3.2 样品酸碱性的判别对试验的影响

由于LY/T 1225—1999未对样品酸碱性的有效范围作出规定，结合农业领域对酸碱性的定义，规定pH≤6.5为酸性，6.57.5为碱性。

土壤pH的测定质量控制重复性实验允许绝对差值为中性、酸性土壤≤0.1pH单位，碱性土壤≤0.2pH单位。

3.3 分散剂校正对试验结果的影响

土壤结构是由矿物颗粒和有机物等成分构成的物理多孔单元[6],作为土壤矿物颗粒最小单元的黏粒、粉粒和砂粒，在有机物胶结、生物和物理等因素作用下形成团聚体[7]。仅仅依靠机械力不足以使其分开，因此，分散剂的加入实质是通过破坏团聚体内矿物间的结合水和游离氧化铁与矿物间的静电引力来实现团聚体的解体[8]。

LY/T 1225—1999中规定，酸性土壤分散剂为0.5 mol/L氢氧化钠50 mL，中性土壤分散剂为0.5 mol/L 1/2草酸钠50 mL，碱性土壤分散剂为0.5 mol/L 1/6六偏磷酸钠60 mL。正常情况下，风干土样含水率在2%～5%，以4%为例进行分析。

酸、中、碱性土壤所用分散剂占烘干土质量分别为21、35、64 g/kg。首先，分散剂的选择除对分散效果的影响外，仅分散剂校正就从20 g/kg到60 g/kg，远大于样品平行测定结果的允许绝对偏差：黏粒粒级含量小于10 g/kg；粉(砂)粒粒级含量小于20 g/kg的规定。因此，样品pH测定至关重要，直接影响分散剂的选择。尤其是当土样pH处于临界值时，当样品pH为6.6～6.4、7.4～7.6时，即使pH重复性实验允许绝对差值符合要求，当酸碱性不同时，对实验结果影响很大。

因此，本文认为3种分散剂对试验结果的影响过大，超过了试验质量控制要求。而且不同分散剂之间校正结果也存在明显差距，一方面对pH测定提出严格要求，另一方面反映出3种分散剂的选择是否合理还有待商榷。

3.4 分散时间对试验的影响

分别选取酸性、碱性、中性样品各两个，经前处理、定容后分别在6 h、12 h、24 h、36 h后再读数，结果表明：分散有效期达36 h以上，这对8 h读数和多组样品连续读数提供了技术依据。

3.5 人员配合对试验的影响

首先将所有待测样品按编号码放，搅拌开始时开始计时，每个样搅拌1 min左右，上下搅拌30～40次。刚开始采取1人读数、1人搅拌的方式进行试验，发现这种模式最多只能实现4个样品一组，因为当第5个样品1 h读数时，第1个搅拌静置结束的样品已经需要进行5 h读数，搅拌人员需要等待第4个样品5 h读数结束后方可进行下一组读数。这种方式不仅费时，而且需要多次计时，操作烦琐，效率低。

为了提升分析效率，采取1人搅拌、2人读数(各用一个密度计)的策略，即3个人统一用一个秒表计时，搅拌1号样至1 min整时，立即搅拌2号样，以此类推；1 min读数分析人员从1 min 30 s开始提前放入1号样，2 min开始读数，以此类推；5 min读数分析人员从5 min 30 s开始提前放入1号样，6 min开始读数，以此类推。8 h读数1人即可。

3.6 分散剂添加顺序对试验的影响

当改变分散剂添加顺序时，先加分散剂再加水，无论是酸性、碱性还是中性1 min、5min、8 h密度计读数均比先加水后加分散剂大，对某些样品甚至出现1 min读数超过50 s°的情况。笔者分析是由于分散剂浓度过大导致样品颗粒电性发生变化，导致颗粒间相互排斥所致。

3.7 0.25 mm筛上筛分和5 min密度计读数对定名的影响

温度校正后的1 min、5 min、8 h密度计读数分别用于测定小于0.05 mm、0.02 mm、0.002 mm各粒级的含量。

黏粒(小于0.002 mm)粒级含量(g/kg)=小于0.002 mm粒级含量-分散剂占烘干土质量

(1)

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

(2)

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

(3)

分析式(1)～式(3)可知：如果仅从定名角度出发，5 min密度计读数和0.25 mm筛上筛分与砂粒、粉粒和黏粒计算没有关系。

3.8 其他因素对试验的影响

经过反复论证，发现煮样过程加小漏斗不利于分散。加漏斗后随着三角瓶内溶液温度升高，产生大量气泡，压力释放不及，容易导致试样溅出且由于漏斗狭窄不易清洗。

机械组成试验过程需要使用温度计读取介质温度，且温度的平衡需要一定的时间，因此机械组成测试环境应该稳定且阴凉，避免阳光照射，这样用一个样品的介质温度即可代表房间内所有待测样品的温度。

4 结语

(1)样品均匀性和pH对机械组成试验有显著影响，而且pH的范围直接决定了分散剂的选择。

(2)分散时间对试验结果影响不大，前处理完成后36 h内进行读数即可。

(3)3种分散剂的校正对试验结果影响过大，而且不同分散剂间校正结果相差较大。

(4)0.25 mm筛上筛分和5 min读数对定名没有影响，如果仅需要定名的话，0.25 mm筛上筛分和5 min读数可以省略。

(5)前处理过程不加漏斗有利于试验顺利进行。

(6)分散剂添加顺序对试验结果有重大影响，改变分散剂添加顺序结果差异较大，可能是分散剂浓度过高所致。