不同前处理方法对紫色土粒度测试的影响

吕佼容, 徐小军, 李 红, 鲍玉海, 贺秀斌

(1.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041; 2.四川省交通勘察设计研究院有限公司, 成都 610017)

紫色土是在亚热带和热带气候条件下以三叠系、侏罗系、白垩系时代形成的紫色或紫红色砂岩、页岩经过长期的风化作用和侵蚀作用形成的岩性土[1-2],其土层较薄,径流系数高,极易被水力侵蚀[2-3]。且因其砾石多的初育土壤特征导致紫色土地下径流与养分渗漏现象同样显著[4-5]。近几年,紫色土区壤中流现象,及其携带泥沙颗粒和养分流失的相关研究较多[4,6,7],一些地表粗化严重的山地壤中流占总径流量的70%～80%,有壤中流情况下侵蚀量可提高30%以上[8],壤中流携带养分流失量占养分总流失量的比例可达70%[9]。

地表径流和壤中流引起土壤颗粒分离和输移[7],侵蚀泥沙中细颗粒比表面积大,吸附作用强[10-11],是肥料流失和污染物(重量金属、农药等)流失的重要载体[12-13]。现有侵蚀产沙过程中的土壤颗粒组成研究中大都将泥沙进行了彻底分散[14-16]。而研究表明,土壤团聚体能够抵抗降雨侵蚀和径流冲刷,侵蚀泥沙中包括了团聚体和单粒,因此泥沙在未分散与分散的情况下颗粒分布不同[17]。侵蚀土壤细颗粒特别是黏粒随径流迁移至水体中[18],溶出的全氮和全磷是造成水体富营养化的重要原因,而土壤颗粒粒级的大小对母质溶出的全氮和全磷的含量有显著影响[19-21]。有研究表明在相同的振荡时间内,随着母质颗粒的逐级增大养分溶出量先增加后减小[20]。因此不同研究目下对颗粒组成特性分析的需求不同,对应的不同前处理方法对颗粒分析结果有重要影响。

紫色土作为新成土,其中包含了团聚体、岩屑和单粒等复杂的粒度组成,不同的前处理方法和分析方法,都会对其颗粒组成测定结果造成影响,而目前紫色土剖面颗粒分析的相关研究还较少。同时,紫色土壤中流现象突出,泥沙颗粒和养分随壤中流迁移占比大[5,22],有必要对土壤剖面颗粒组成,及前处理方法对颗粒分析结果的影响进行研究,为壤中流土壤侵蚀过程中不同测试分析目的土壤颗粒分析研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 土样采集

采样点位于中国科学院三峡库区水土保持与环境研究站,隶属重庆市忠县境内(107°32′—108°14′E,30°03′—30°35′N),该区属于亚热带季风性湿润气候,年平均气温19.2℃,年平均降水量1 150 mm。采样地为典型紫色土人工林地,土壤为紫色砂页岩风化后形成的紫色土,树种主要为樟树(Cinnamomumcamphora(L.) presl)。选取海拔相同、长势均一的3个样点挖土壤剖面,按每10 cm划分一层,分层采集原状剖面土样,采样深度为0—110 cm。将3个样点采集的各层土样分别均匀混合后用四分法收集每个土层各1 kg土样。然后将样品置于塑料盒中,带回实验室。及时将土样掰成小块,自然风干。将风干土样全部过2 mm的筛,然后取1/8过0.25 mm筛。过2 mm筛的样品用于测定粒径组成,过0.25 mm筛的样品用于测定有机质、碳酸盐含量及pH值。

1.2 前处理方法与样品分析

样品分析在中国科学院成都山地灾害与环境研究所分析测试中心进行。称取5 g过2 mm筛的土壤样品置于100 ml离心管中进行前处理。前处理中,试剂都沿容器壁缓缓加入。加水浸泡可以破坏土壤中的非水稳性团聚体,振荡是分散土壤颗粒的一种物理方法,加入H2O2是为了去除样品中混杂的有机质颗粒,并去除有机质胶结,加入盐酸是为了去除碳酸盐胶结[23]。

前处理方法见表1。T1为不进行任何前处理,直接加入进样器进行测量;T2为用纯水浸泡24 h;T3为用纯水浸泡24 h,并振荡2 h(振幅20 mm,转速200 r/min);T4为用纯水浸泡24 h,并振荡10 h(振幅20 mm,转速200 r/min);T5为加入10 ml H2O2进行反应;T6为反复多次加入H2O2,直到无气泡产生;T7为加入10 ml盐酸进行反应;T8为加入10 ml盐酸充分反应,后用纯水洗至中性;T9为反复多次加入H2O2,直到无气泡产生,再加入10 ml盐酸充分反应后用纯水洗至中性,再加入10 ml (NaPO3)6溶液浸泡24 h。试验所用H2O2浓度为10%,盐酸浓度为10%。对于需要洗涤的样品,反应完毕后向离心管中加满纯水,静置24 h去除上清液,然后进行下一步操作;对于不需洗涤的样品,反应完成后静置去除上清液,直接进行下一步操作。每个处理3个重复。

表1 前处理方法设计Table 1 Pretreatment methods of soil samples before PSD measurement

颗粒组成采用英国Malvern公司的Mastersizer 2000激光粒度仪(设置:泵速3 000 r/min,激光强度15)测定。用取样勺充分搅拌泥浆样品,接着迅速取样并加入进样器,使遮光度在10%～20%。测定完毕,根据美国农部粒级制分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)。土壤有机质和碳酸盐采用元素分析仪进行测定,pH值用酸度计测定。

1.3 数据处理

利用Excel 2019版对数据进行分析处理,IBM SPSS Statistics 23进行差异性检验和相关分析,并利用Origin 9.0制图。

2 结果与分析

从表2可以看出,各前处理均较对照处理颗粒变细,中值粒径和平均粒径减小,物理处理和化学处理之间粒度测试结果差异显著。物理处理中,浸泡分散了部分非水稳性团聚体,中值粒径相比对照减小了17.18 μm;振荡(T3,T4)则对颗粒有显著分散作用,中值粒径较对照减小了37.86～45.64 μm,较纯水浸泡中值粒径进一步减小了41.2%～56.7%,其中振荡10 h(T4)下得到全部处理中最小的中值粒径。各化学处理(T5-T9)相较于对照均能显著减小中值粒径,平均减小51.4%,其中H2O2处理总体比HCl处理下中值粒径小,分散作用更强,且黏粒含量最多,均>4%。添加过量H2O2(T6)和10 ml HCl处理后添加洗酸程序(T8)均会使中值粒径变大,颗粒整体变粗,而二者结合(T9)处理比单一处理颗粒更细。

表2 各前处理下剖面土壤砂粒、粉粒、黏粒平均含量及平均中值粒径(按中值粒径从大到小排序)Table 2 The average content and median particle size of sand, silt and clay in the soil profile under each pretreatment

2.1 浸泡与振荡对颗粒组成的影响

图1为物理处理下不同土层颗粒含量变化,可以看出T2—T4处理下,砂粒和粉粒含量随土层深度的变化曲线基本平行。对照处理下(T1)剖面砂粒和粉粒平均含量分别为59.2%,39.8%,经过纯水浸泡(T2)各土层砂粒含量减少约9.2%,粉粒含量增加约8.4%。T3和T4处理后,各土层砂粒含量依次减少约23.2%,30.3%,粉粒含量依次增加约21.4%,26.8%,表明振荡时间越长,对砂粒和粉粒的分散作用越强。不同处理间砂粒、粉粒和黏粒曲线大致平行,将土层按深度分为上(0—30 cm)、中(30—70 cm)、下土层(70—110 cm)三个层次,分别计算在T2—T4处理下三个土层砂粒、粉粒和黏粒平均含量与T1的差值,结果显示土层间差值的差异不显著(p<0.05),表明不同土层土壤颗粒对各物理前处理的敏感程度相似,无明显分异性。

图1 对照(T1)、纯水浸泡(T2)、振荡2 h(T3)与振荡10 h(T4)后各土层颗粒组成

对于黏粒含量的变化,T2处理使黏粒平均含量增加0.8%。振荡处理下(T3,T4)曲线基本重合,不同振荡时间下各土层黏粒含量无显著差异(p>0.05)。与T2相比,振荡处理(T3,T4)平均使黏粒含量增加1.2%,其中70—100 cm土层黏粒含量增加较明显。这可能是因为紫色土剖面土壤深层发育程度低,有机质和碳酸钙含量均较少,进而团聚体含量少,因此振荡则可使黏粒释放。

结果表明物理前处理中振荡的分散作用大于浸泡,且振荡时间越长,颗粒越细。振荡时间对砂粒和粉粒级的颗粒分散转化作用较明显,而对黏粒级颗粒的分散作用几乎无差异。虽然振荡分散效果显著(表2),所得中值粒径最小,但其仍无法分散一些有机质和碳酸盐胶结的水稳性团聚体,对黏粒的释放作用较弱。

2.2 双氧水(H2O2)用量对颗粒组成的影响

颗粒分析前处理中双氧水处理是为了除去样品中的有机质,破坏土壤结构,分散土壤。表2显示,化学处理中单独加10 ml H2O2对紫色土样品分散作用最强,中值粒径为27.95 μm,较对照中值粒径减小58.5%。但H2O2用量不同分散效果有显著差异,过量H2O2会导致颗粒变粗,中值粒径增大8.82 μm。另外,所有处理中H2O2处理对黏粒的分散释放作用最显著,对照处理黏粒含量仅为0.97%,H2O2处理后黏粒含量增加至4.19%～4.22%。结果表明紫色土有机质胶结形成的团聚体占比大,仅加入H2O2处理即可实现很好的颗粒分散效果,且有机质胶结是紫色土中黏粒的主要团聚形式,导致H2O2处理下黏粒分散释放现象最显著。

图2为各土层样品在不同H2O2用量下颗粒组成,砂粒和粉粒含量在T5和T6处理下总体差异显著(p<0.05),其中不同土层颗粒含量对H2O2用量敏感性不同。T5和T6处理下三个土层砂粒、粉粒和黏粒平均含量与T1的差值为中土层>下土层>上土层(p<0.05),表明不同H2O2用量可导致中土层砂粒和粉粒含量显著不同,而上层土砂粒和粉粒则对H2O2用量敏感性较弱。具体来看,0—10 cm和100—110 cm土层在T5和T6处理下砂粒和粉粒含量相差不大,曲线相交,而20—90 cm土层砂粒和粉粒含量差异显著,表现为足量H2O2处理下砂粒含量显著增多,平均增多9.5%,粉粒含量显著减少,平均减少9.7%(图3)。各土层黏粒含量曲线在T5和T6处理之间基本重合,二者之间黏粒含量差值<1%,且无显著差异。表明不同H2O2用量对黏粒的分散作用相差不大,且各土层黏粒对H2O2用量的敏感性也无显著差异。

图2 T5,T6处理后各土层颗粒组成

图3 T7与T8处理后各土层颗粒组成

2.3 盐酸(HCl)处理洗酸与否对颗粒组成的影响

加入盐酸是为了去除碳酸盐胶结,分散土壤颗粒。预试验表明10 ml盐酸对样品是过量的,反应完毕后,溶液呈酸性。表2可以看出,化学处理中HCl处理(T7,T8)分散作用较H2O2处理(T5,T6)整体稍弱。10 ml HCl处理(T7)中值粒径为30.64 μm,较对照中值粒径减小54.5%。而将10 ml HCl处理后增加洗酸程序(T8)还会降低其分散效果,颗粒整体变粗,中值粒径增大6.6 μm。

图3为T7与T8处理后各土层颗粒组成变化,砂、粉、黏粒含量在T7和T8处理下总体差异显著(p<0.05),其中不同土层砂粒和粉粒含量对HCl用量敏感性不同。上、中、下土层砂粒和粉粒差值上、中土层>下土层(p<0.05),表明不同HCl处理可导致上、中土层砂粒和粉粒含量显著不同,而下层土砂粒和粉粒则对HCl洗酸与否敏感性较弱。具体来看,深层土(100—110 cm)在T7和T8处理下砂粒和粉粒颗粒含量相差不大,曲线相交,而0—90 cm土层砂、粉粒含量差异显著,表现为10 ml HCl+洗酸处理下砂粒含量显著增多,平均增多6.2%,粉粒含量显著减少,平均减少5.4%。两处理间黏粒含量曲线基本平行,T8黏粒含量较T7平均少0.67%,上、中、下土层差值为0.45%～0.77%,下土层黏粒对HCl洗酸与否敏感程度稍高,但总体无较大差异。

另外,国内一些试验分析及行业标准中都采用双氧水和盐酸处理后,再用六偏磷酸钠进行分散,作为土壤终极颗粒组成(ultimate particle size distribution)测定的前处理方法[23-25],即本试验中T9处理,但结果表明其中值粒径并非最小,原因可能与H2O2,HCl用量有关,讨论中将进行详细分析。在经过H2O2和HCl处理后,样品结构被破坏,颗粒已得到了较好的分散,再用六偏磷酸钠进行处理,中值粒径相比单一处理T6和T8仅减少5.75～6.22 μm。

3 讨 论

3.1 H2O2用量对紫色土颗粒分散作用差异

本研究探讨了不同前处理方法对紫色土剖面颗粒分析结果的影响,结果表明,物理处理中振荡对泥沙颗粒的分散效果最好,但仍无法分散部分水稳性团聚体,对黏粒的释放效果较弱。化学处理中总体H2O2处理的分散效果强于HCl处理,但二者用量的不同均对处理结果有显著影响。H2O2处理主要作用为去除有机质胶结,HCl则是为了去除碳酸盐胶结,从而分散团聚体。

图4为剖面有机质分布,可看出有机质在土壤表层含量最高,为10.33 g/kg,随土层深度增加,有机质含量逐渐降低。图5为各土层有机质含量与两种H2O2处理(T5,T6)下颗粒含量相关分析,图中显示10 ml H2O2处理下有机质含量与砂、粉、黏粒含量之间均无相关关系,表明10 ml H2O2不足以除尽样品中有机质。而T6处理下有机质含量与砂粒、粉粒含量分别有显著的负相关和正相关关系,相关系数r分别为-0.802,0.887,与Guo等[26]、董莉丽[27]研究中土壤有机质含量与团聚体含量呈显著正相关的结果相呼应,可推知本研究中过量H2O2处理分散了全部由有机质胶结的团聚体,因此处理后砂粒和粉粒含量与有机质含量呈显著线性相关关系。

图4 剖面有机质分布

图5 T5与T6处理后各土层颗粒组成与有机质的关系

对于过量H2O2处理(T6)比单独加10 ml H2O2处理(T5)的颗粒更粗的现象,可能是因为样品中的有机质一部分直接以粉粒级的颗粒形式存在,研究表明土壤中的有机质以溶解态和颗粒态形式存在,林业用地比农业用地土壤中颗粒态有机质含量多[28-29]。加入H2O2去除有机质后样品中粉粒级颗粒态有机质减少,相应的砂粒则含量增多,T6处理下有机质被彻底除净,因此呈现出颗粒比T5处理下粗的结果。此外,对于中层土砂粒和粉粒对H2O2用量敏感性较上和下层土高,这是由于土壤表层(0—10 cm)有机质含量最大,不仅粉粒级的颗粒态有机质较多,有机质胶结形成的砂粒级团聚体也较多,T6处理虽除净粉粒颗粒态有机质,同时也分散砂粒级的有机质胶结团聚体,从而补充了粉粒含量,导致其颗粒粗化效应未凸显。而土壤深层(100—110 cm)有机质含量极低,不同H2O2用量去除有机质效果相差不大,因此颗粒含量没有明显差异,总而导致中层土砂、粉粒在不同H2O2用量间含量差值最大。

另外,本研究结果中H2O2处理在全部处理中对黏粒的分散释放作用最显著,这是因为林地有机物生物量大,且较少受人为活动干扰,更有利于土壤有机碳含量的积累和土壤微生物群落的发育[30],而微生物代谢产物可增强有机质与黏粒之间的联系,促进稳定性团聚体的形成[31]。因此H2O2处理下有机质胶结形成的团聚体分散,黏粒释放最多。

3.2 HCl用量对紫色土颗粒分散作用差异

化学处理中10 ml HCl处理中值粒径比10 ml H2O2处理中值粒径大2.69 μm,黏粒含量少1.47%,而将10 ml HCl处理后增加洗酸程序还会降低其分散效果,颗粒整体变粗。本试验中10 ml HCl反应后溶液仍呈酸性,表明其过量,洗酸程序相当于减少酸液用量。该结果与王君波等[32]、胡宗杰等[33]的研究中过量酸液引起颗粒再次絮凝,使颗粒变粗的结果相反。这可能是因为与其他研究中不同[32-33],本试验未将盐酸加热进行反应,因此可能反应时间延长,且后期反应现象微弱,加水洗酸打断了反应进程,导致反应不完全。同时,有研究表明在蒙脱石含量较高的样品中,过量盐酸会造成硅胶体出溶,对矿物产生胶结作用,从而导致颗粒絮凝,矿物粒度变粗,但是其他黏土矿物没有这种现象[23],因此可能是样品中蒙脱石含量少,所以洗酸与否对絮凝无影响。

图6中可以看出碳酸钙在剖面中上部分布较多(0—80 cm土层),到90 cm及以下则含量锐减,仅有0.17～2.25 g/kg。T7和T8颗粒含量之间的差异为上层和中层土(0—7 cm)>下层土,与碳酸钙含量的剖面分布规律基本一致。将碳酸钙含量与两种处理(T7,T8)砂粒、粉粒、黏粒含量做相关分析,结果表明,相关系数均r<0.2,表明盐酸过量情况下碳酸钙含量与颗粒分散结果仍无显著相关关系。研究表明,酸雨淋溶会对本就易风化的紫色土剖面成土速率产生显著影响[34],淋溶液酸性越强,小粒径颗粒数量越多,且成土速率随淋溶量越大增加幅度越大[34]。因此可能HCl不仅与碳酸钙发生反应分散团聚体,还加速风化进程从而影响颗粒组成,遂颗粒组成与碳酸钙含量无直接显著相关性。同时,过量HCl处理下紫色土样品风化程度加深,土壤颗粒变细,也可导致其比洗酸处理下(T9)颗粒更细。

图6 剖面碳酸钙分布

3.3 不同前处理方法适用性

紫色土坡地壤中流现象突出[5],壤中流是泥沙颗粒和养分地下漏失的途径。侵蚀产生的泥沙中存在水稳性团聚结构,这些水稳性团聚结构在随水流迁移和扰动过程中未被分散破坏,是土壤抗蚀性的体现,因此要反映土壤侵蚀及其河流动力过程可采用振荡等物理方法处理测定其颗粒组成。而泥沙颗粒的流失也携带着其吸附的养分、重金属等污染物进入水体,这些物质出溶造成水体污染。而吸附污染物的主要是土壤中的黏粒、有机质、微团聚体[18,20-21],这些结构对化学处理较敏感,因此要反映面源污染过程需采用H2O2和HCl处理等化学方法将颗粒彻底分散,本研究结果显示过量H2O2和HCl处理后增加洗酸过程均会导致紫色土颗粒变粗,其作用机理不同,运用中需注意用量对结果的影响。

4 结 论

(1) 物理前处理中值粒径较对照减小17.18～45.64 μm,其中振荡的分散作用大于浸泡,且振荡时间越长,颗粒越细,但其对黏粒的释放作用较弱,不同振荡时间下黏粒含量无显著差异(p>0.05)。化学处理能去除团聚体胶结,中值粒径较对照平均减小32.72 μm,其中H2O2处理总体比HCl处理分散作用更强,该处理下黏粒含量最大,平均>4%。

(2) 紫色土剖面从上至下发育程度逐渐降低,不同土层对各处理的敏感性不同。各物理前处理之间,剖面土壤颗粒差值变化较均匀,土层间未呈现显著的分异性。相较对照处理,经过浸泡后各土层砂粒含量减少约9.2%,粉粒含量增加约8.4%,黏粒平均含量增加0.8%。振荡处理后各土层砂粒含量减少23.2%～30.3%,粉粒含量增加21.4%～26.8%,黏粒含量平均增加1.2%。

(3) 对不同H2O2用量敏感性中土层(30—70 cm)>下土层(70—110 cm)>上土层(0—30 cm),其中20—90 cm土层砂粒含量在足量H2O2处理下比10 ml H2O2处理平均增多9.5%,粉粒含量平均减少9.7%。对不同HCl处理敏感性上、中土层>下土层,其中0—90 cm土层砂粒含量在10 ml HCl+洗酸处理下比10 ml HCl处理平均增多6.2%,粉粒含量平均减少5.4%。不同处理下黏粒含量则在土层之间没有明显分异性。足量H2O2处理下砂粒和粉粒含量与剖面有机质含量呈显著线性相关(r>0.8),而HCl处理下剖面碳酸钙含量则与各级颗粒含量无显著相关性。

(4) 在紫色土侵蚀产沙相关研究中,反映土壤侵蚀及其河流动力过程是需保留水稳性团聚体特征,可采用振荡等物理方法处理测定其颗粒组成。而反映面源污染等过程时则需采用H2O2和HCl处理等化学方法将颗粒彻底分散,但运用中需注意用量对结果影响。