李晓玲 温美丽 高晓飞

摘要

[目的]為研究采用吸管法和激光粒度仪法测定土壤机械组成的结果差异及相关性。[方法]应用吸管法和激光粒度仪法，测定20个红壤和19个黑土样品的机械组成，并且进行对比分析。[结果]采用吸管法和激光粒度仪法测得红壤黏粒含量分别是16.1%和33% ，粉粒含量分别是47.7%和60.8% ，砂粒含量分别是36.2%和35.9%;采用吸管法和激光粒度仪法测得黑土黏粒含量分别是23.9%和3.8% ，粉粒含量分别是19.9%和34.7%，砂粒含量分别是56.2%和61.5%。同时，得到2种方法测得各个粒级之间的线性转换关系式，黏粒：y红=0.222 1x（R²=0.909 1），y黑=0.163 8x（R²=0.897 0）; 粉粒：y红=1.275 9x（R²=0.947 7），y黑=1.768 6x（R²=0911 1）;砂粒：y红=1.002 2x（R²=0.984 5），y黑=1.097 1x（R²=0.968 4）。式中，x是吸管法测定的相应各粒级的质量百分比，y是激光粒度仪法测定的相应各粒级的体积百分比。[结论]无论是红壤还是黑土，采用激光粒度仪法测得的黏粒含量明显低于吸管法，而粉粒含量高于吸管法，2种方法测得的砂粒含量比较接近。2种方法测得的黏粒、粉粒和砂粒各个粒级含量均呈0.01水平显著的线性相关关系。土壤类型不同，得到的转换关系有一定的差异，因此针对不同的土壤类型，可能需要分别建立2种方法测定结果之间的转换关系式。

关键词 土壤机械组成;吸管法;激光粒度仪法;转换关系

中图分类号 S152.3+2;151.9+2  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2015）03-057-03

Comparative Study on Soil Particle Size Distribution Measured by Pipette Method and Laser Diffraction Method

LI Xiaoling¹， WEN Meili²， GAO Xiaofei1*

（1.School of Geography， Beijing Normal University， Beijing 100875;2.Guangzhou Institute of Geography， Guangzhou， Guangdong 510070）

Abstract [Objective]The purpose was to explore the differences and relativity between the pipette method and laser diffraction method used in terms of primary particle size measurement.[Method]20 samples of red soil and 19 samples of black soil were collected to measure their primary particle size distribution using the pipette method and laser diffraction.[Result]For red soil， the clay content were respectively 16.1% and 3.3%， determined by the pipette and laser diffraction method. The silt percent were 47.7% and 60.8%， respectively. The sand proportion was 36.2% and 35.9%， respectively. In black soil， the clay content was 23.9% and 3.8%， respectively， measured by the pipette and laser diffraction method. The silt proportion was respectively 19.9% and 34.7%. The sand percent was 56.2% and 61.5%， respectively. The linear transformational relations of each grade between the two methods were established， e.g. clay： yred=0.222 1x（R²=0.909 1）， yblack=0.163 8x（R²=0.897 0）， silt： yred=1.275 9x（R²=0.947 7）， yblack=1.768 6x（R²=0.911 1）， sand： yred=1.002 2x（R²=0.984 5）， yblack=1.097 1x（R²=0.968 4）， X is quality percentage of each grade measured by pipette method， and y is volume percentage of each grade measured by laser diffraction method）. [Conclusion]The clay content measured using the laser diffraction method was obviously lower than that determined by the pipette method for the red soil and black soil， while the silt percent made by the former was higher than that by the latter， and the sand content determined by the two methods was similar. Significant linear correlations were found between the measurements of two methods for clay， silt and sand contents. And the conversion models between the two methods were established. However， there were some differences of the conversion models between the two soil types. Therefore， it was possible to establish the conversion models between the two methods according to different soil types， respectively.

Key words  Soil primary particle size distribution; Pipette method; Laser diffraction method; Transformational model

基金項目 中央高校基本科研业务费专项资金-北京师范大学自主科研基金项目（2013YB05）。

作者简介

李晓玲（1988-），女，山东青岛人，硕士研究生，研究方向：土壤侵蚀。*通讯作者，高级实验师，博士，从事土壤侵蚀方面的研究。

收稿日期 20141209

土壤机械组成是指土壤中各粒级所占的比例，又称颗粒组成。它是土壤最基本、最重要的性状之一^[1]。其数据可用来确定土壤质地和土壤的结构性，并且是各种有关土壤模型研究中不可或缺的基础数据^[2]。在20世纪90年代以前，土壤机械组成的测定普遍采用湿筛-沉降法，而沉降法中最经典的方法是吸管法^[3]。但是，吸管法也存在一些缺点，包括操作步骤繁琐，耗时长，测定精度依赖实验室条件与操作熟练水平等^[4-5]。另外，对土粒形状的假设和土粒密度的假设与实际情况并不完全符合，也会导致测定的误差^[6]。激光粒度仪法是近年来新兴的一种测量方法^[7]。在激光粒度仪诞生后，由于其测量具有速度快、测量范围广、自动化程度高、相对误差小、重现率高等特点，得到了快速发展和广泛应用^[8-9]。但是，由于应用时间有限，目前还没有形成一套成熟、规范的方法体系^[10]。

在20世纪90年代以后，国内外很多学者对沉降法和激光粒度仪法的测定结果进行了对比。研究结果普遍认为，采用激光粒度仪法测得的土壤黏粒含量低于沉降法，而粉粒含量高于沉降法[5-6，11-13]。但是，对于这2种方法测定结果的相关性、转换关系，目前仍没有定论。

很多研究表明，2种方法测定结果之间具有较好的相关性。Konert等^[11]使用吸管法和激光粒度仪法测定了158个样品，发现2种方法测定的黏粒含量具有极好的相关性（r=0.95）。Beuselinck等^[5]应用2种方法测定83个淋溶土，认为2种方法测定的黏粒和砂粒含量都有很好的线性关系，并且黏粒部分的转换关系式与Konert等的研究结果相近。Linda等^[14]应用2种方法测定了8种质地不同的土壤，分别建立了砂粒、粉粒、黏粒的转换关系式，其中2种方法测得黏粒的含量非常接近，与其他学者建立的关系式相比，转换系数较高。杨金玲等^[6]测定了中国6个主要土纲的265个土壤样品，发现2种方法测定的黏粒、粉粒和砂粒间均具有很好的相关性。但是，也有研究表明，2种方法之间的相关性不好。Eshel等^[12]分别用激光粒度仪法和吸管法测定了42个土壤样品的机械组成，发现采用2种方法测得各个粒级的转换关系并不令人满意，认为两者之间不存在固定的或可行的转换关系。杨艳芳等^[15]用2种方法测定了6个林地富铁土剖面不同层次的40个土样，发现很难为黏粒找到一个合适的转换模型。

因此，有学者认为，不同研究者得到2种方法测定结果的相关性及转换关系式是不同的，主要原因是土壤类型不同、仪器的参数不同、样品的前期处理不一致等^[6]。笔者以南方的红壤和东北的黑土为供试样品，应用沉降-吸管法和Microtrac S3500激光粒度仪测定土壤机械组成，以期探讨2种方法测定结果的差异及转换关系，为沉降-吸管法和激光粒度仪法测定土壤机械组成提供参考。

1  材料与方法

1.1  样品的采集与预处理

供试土样包括红壤和黑土2种类型，其中红壤样品20个、黑土19个。红壤采自广东省河源市新丰江水库上游南坑河支流河道和河岸剖面，采样深度0～80 cm;黑土采自黑龙江省嫩江县鹤山农场的北京师范大学九三野外水土保持试验站野外径流场（鹤山农场第三作业区）附近农田的3个剖面，取土深度为20 ～ 200 cm。选样主要依据是土壤粒径组成有一定的差距。采集的土样经风干后，研磨过2 mm 筛，备用。同时，测量土壤的吸湿水含量。

1.2 吸管法

吸管法测定参照《土壤物理性质测定法》^[16]。基本步骤为：称取土壤样品10.00 g，放入500 ml锥形瓶，黑土加H₂O₂除有机质至无气泡产生，采用加热法排除过量H₂O₂。同时，做一份样品，计算洗失量。然后，给分析用的样品加纯水250 ml左右，再加10 ml 0.5 mol/L分散剂（红壤加氢氧化钠，黑土加六偏磷酸钠），静置过夜。煮沸，保持沸腾1 h，冷却后使用0.25 mm孔径的标准筛筛分，将>0.25 mm的颗粒洗入蒸发皿，烘干，称重。将土壤悬浊液中<0.25 mm的颗粒完全转移到1 000 ml量筒，加纯水定容至1 000 ml。按照国际制和美国制的土壤颗粒分级标准，分别计算0.05、0.02和0.002 mm土壤颗粒在当时室温情况下沉降至10 cm所需要的时间。上下搅拌悬液1 min，分别在相应时间使用吸管吸取土壤悬液，转移到已知质量的小烧杯中，烘干，冷却，称重。在一次吸液后，加水定容，搅拌，重新计时。根据每次吸液的烘干质量、吸管体积和烘干土质量，计算各级土粒的质量百分含量^[16]。

1.3 激光粒度仪法

激光粒度仪法的测定原理是光的Fraunhofer衍射和Mie散射理论，颗粒的大小与入射光衍射角呈反比^[17]。样品的前期处理过程（除有机质、煮沸分散）与吸管法相同。但是，由于激光粒度仪检测有浓度限制，取样量减少，红壤称1～3 g（根据黏粒含量多少，黏粒含量高的取样量减少），黑土称1 g，加入分散剂的体积也相应减少。该研究使用的激光粒度仪是美国Microtrac公司生产的S3500型，颗粒测量范围0.021 5～2 000 μm。在每次测定前，设置背景值，将前处理好的土壤悬液摇匀，舀1 ml左右样品于样品池中，然后用超声波分散15 s，开始检测，每个样品重复测定3次，取平均值。电脑自动记录测得的土壤粒径体积分布曲线及小于各粒级的体积百分含量。

1.4 数据处理

数据的统计处理在Excel 2010中进行。

2 结果与分析

2.1   吸管法与激光粒度仪法测定结果的差异比较

由图1可知，激光粒度仪法测定的红壤<0.05 mm 和<0.02 mm 颗粒的体积百分比与吸管法测得相应粒级的质量百分比非常接近。这与刘涛等^[18]的研究结果是一致的。但是，对于黑土，2种方法测得的<0.05 mm 和<0.02 mm 颗粒含量的结果接近程度不如红壤。

吸管法和激光粒度仪法测得的红壤<0.05 mm 颗粒的平均值分别是63.8%和64.2%。2种方法测得红壤<0.02 mm 颗粒含量的平均值分别是45.3%和43.7%。吸管法和激光粒度仪法测得的黑土<0.05 mm 颗粒含量的平均值分别是43.8%和38.8%，测得的黑土<0.02 mm 颗粒含量的平均值分别是36.7%和26.9%。吸管法和激光粒度仪法测得的红壤<0.002 mm的颗粒含量的平均值分别是16.1%和3.3%，测得的黑土<0.002 mm的颗粒含量的平均值分别是23.9%和3.8%。这可能是因为土壤的小颗粒含量越多，激光粒度仪测定的小于某一粒级的颗粒含量越低，导致2种方法的测定结果差异越大。

注：a. <0.05 mm，b. <0.02 mm，c. <0.002 mm。

图1 吸管法和激光粒度仪法测定的值的比较

按照美国制土壤颗粒分级标准进行分级。由表1可知，无论是红壤还是黑土，吸管法测得黏粒的含量均明显大于激光粒度仪法的测定值，吸管法和激光粒度仪法测得的红壤黏粒含量的平均值分别为16.1%和3.3%，2种方法测得黑土黏粒含量的平均值分别是23.9%和3.8%。吸管法测得的粉粒含量均小于激光粒度仪法的测定值，2种方法测得红壤的粉粒含量平均值分别是47.7%和60.8%，测得黑土的粉粒含量平均值分别是19.9%和34.7%。2种方法测定的砂粒含量则比较接近。2种方法测得红壤的砂粒含量平均值分别是36.2%和35.9%，测得黑土的砂粒含量平均值分别是562%和61.5%。这一结果与大部分研究者的结论比较一致，即激光粒度仪法测得的黏粒含量明显低于吸管法，而粉粒含量高于吸管法，2种方法测得的砂粒含量较接近[6，10，15，19]。

表1  激光粒度仪法与吸管法测定土壤机械组成的比较

%

土壤

类型方法

黏粒（<0.002 mm）

最小值最大值平均值

粉粒（0.002～0.050 mm）

最小值最大值平均值

砂粒（0.050～2.000 mm）

最小值最大值平均值

红壤吸管法1.0 30.5 16.1 2.0 75.9 47.7 1.8 94.5 36.2

激光法0.0 7.0 3.3 2.8 91.6 60.8 1.5 97.1 35.9

差值 1.0 23.512.8 -0.8 -25.7 -13.1 0.3 -2.6 0.3

黑土吸管法5.1 39.1 23.9 4.1 36.8 19.9 27.6 90.8 56.2

激光法0.2 6.6 3.8 4.8 68.5 34.7 24.8 95.0 61.5

差值 4.9 32.5 20.1 -0.7 -31.7 -14.8 2.8 -4.2 -5.3

2.2  吸管法与激光粒度仪法测定结果的转换关系

采用线性模型对吸管法和激光粒度仪法测得的红壤和黑土的黏粒（<0.002 mm）、粉粒（0.002～0.050  mm）和砂粒（0.050～2.000  mm）進行了比较和转换。为了避免当吸管法测得值较低时，预报的激光粒度仪法的黏粒值是负值，统一设置截距为0。2种方法测定的各粒级含量的线性回归方程分别为：

黏粒：       y红=0.222 1x    R²=0.909 1                        （1）

y黑=0.163 8x    R²=0.897 0                  （2）

粉粒：       y红=1.275 9x    R²=0.947 7                        （3）

y黑=1.768 6x    R²=0.911 1                        （4）

砂粒：       y红=1.002 2x    R²=0.984 5                        （5）

y黑=1.097 1x    R²=0.968 4                        （6）

式中，x为吸管法测定的相应各粒级的质量百分比;y为激光粒度仪法测定的相应各粒级的体积百分比。各个方程的决定系数均很高，达0.01显著相关的水平。但是，根据红壤和黑土得到的2种方法之间各粒级的线性回归方程有一定的差异性。黑土的黏粒含量比红壤高，得到2种方法之间黏粒含量的比例系数低于根据红壤得到的比例系数。对于砂粒，根据红壤得到的线性回归方程的系数更接近于1，且决定系数比黑土的高。

另外，研究还发现吸管法测得红壤<0.002 mm的含量与激光粒度仪法测得<0.005 mm的含量非常接近，二者之间的比例关系为：

y红=0.991 4  R²=0.944 2                      （7）

式中，x为吸管法测得红壤<0.002 mm的含量;y红为激光粒度仪法测得的<0.005 mm颗粒的含量。

这与Konert等^[11]的发现有相似之处。他们研究认为，吸管法测得的土壤<0.002  mm含量与激光粒度仪法测得的<0.008 mm的含量非常接近，得到的转换关系为：

y=0.999x-1.146 R²=0.939（8）

式中，x为吸管法测得红壤<0.002 mm的含量;y为激光粒度仪法测得<0.008 mm的含量。

但是，对于黑土来讲，吸管法测得的<0.002 mm颗粒的含量仍远大于激光粒度仪法测得的<0.005 mm颗粒的含量，二者之间的比例关系为：

y黑=0.479 8 R²=0.869 5                      （9）

式中，x为吸管法测得黑土<0.002 mm颗粒的含量;y黑为激光粒度仪法测得的黑土<0.005 mm颗粒的含量。

这可能是由于黑土的黏粒含量较高，而激光粒度仪易低估黏粒的含量，因此从吸管法到激光粒度仪法测量值的转换系数小于红壤的转换系数。

3  结论

该研究测定了红壤和黑土的机械组成。所用的仪器参数设置相同，分散方法一致，操作过程中人为误差也基本相似。在此基础上，对比了2种方法测定的不同类型土壤各粒级含量之间的差异。结果表明， 激光粒度仪法测得的土壤黏粒含量明显低于吸管法，而粉粒含量高于吸管法，2种方法测得的砂粒含量基本接近。2种方法测得红壤<0.050 mm和<0.020 mm颗粒的含量非常接近，但吸管法测得的黑土<0.050 mm 和<0.020 mm 颗粒的含量高于激光粒度仪法，<0.020 mm 颗粒的差异要大于<0.050 mm颗粒的差异。

无论是红壤还是黑土，2种方法测得黏粒、粉粒、砂粒各个粒级含量均呈001水平显著的线性相关关系，决定系数都较高。对于不同的土壤类型，2种方法之间的转换关系式可能会有一定的差异性，但可针对不同土壤类型，分别建立2种方法测定结果之间的转换关系式，应用于实验室的同一个批次的土壤质地的评估。

43卷3期                李曉玲等 吸管法与激光粒度仪法测定土壤机械组成的比较研究

参考文献

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