土壤水穩性大團聚體測定方法綜述

王秀穎，高曉飛，2?，劉和平，路炳軍

(1.北京師范大學地理學與遙感科學學院，100875;2.北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室，100875;3.北京市水土保持工作總站，100038:北京)

1 土壤水穩性團聚體的意義及測定方法概述

土壤團聚體是指一組黏結在一起的多個基本土壤顆粒，這些土壤顆粒之間的黏結力比其與周圍土壤顆粒的黏結力更強，是土壤的結構單位［1-3］。團聚體穩定性及其粒徑分布是團聚體的2個重要特征［4］，也是2個相互關聯的概念［5］。前者是指土壤團聚體對于外來破壞性作用力的脆弱性的度量［4］，影響著土壤的一系列物理性質，特別是入滲和土壤侵蝕［6-7］;后者則決定土壤對風和水的搬運作用的敏感性，還影響著耕作土壤孔隙的大小，進而影響土壤入滲、產流、侵蝕及肥力狀況［1］。從農學意義上講，適于植物生長的良好結構主要依賴于直徑為1～10 mm的水穩性團聚體，因為這種團聚體有利于調節通氣、持水、養分的保持和釋放［8］。

長期以來，人們設計了多種方法來分析團聚體粒徑分布及其穩定性。團聚體粒徑分布的分析方法主要有 W.S.Chepil［9］的旋轉干篩法、根據 Stokes定律的沉降法［1］、L.D.Baver等［10］的水析法以及 R.E.Yoder［11］的濕篩法。團聚體穩定性的測定方法則更為繁多，T.M.McCalla［12］最早采用單滴水滴打擊土樣的方法(water-drop method)研究土壤團聚體的穩定性，此后多位學者對其進行了改進并得到了應用［13-17］，以將土樣擊碎至小于某一粒徑時所用的水滴數或經過一定數量水滴擊打后仍大于某一粒徑土樣的量作為評價團聚體穩定性的指標。R.A.Young［18］則采用人工模擬降雨來分散風干土樣。T.J.Marshall等［19］用摔碎法(drop-shatter method)研究風干土團聚體的穩定性，即讓一定量的土樣從一定高度自由下落到混凝土地板上，用摔碎后土樣的中值粒徑表示團聚體穩定性。這種方法試圖為評價團聚體沿脆弱面分解成更小自然結構單位的趨勢提供定量基礎。E.L.Skidmore等［20］將直徑12.7 ～19.1 mm的風干土樣置于2平板間壓碎，計算所做的功以及所得各粒徑團聚體表面積總和，以每增加單位表面積所需的功來評價團聚體的穩定性。另有學者［14，21-25］利用超聲波在水中分散土壤團聚體來測定其穩定性。

上述方法中，在土壤物理性質、侵蝕控制和耕作實踐研究中應用較多的是Yoder濕篩法［26］。該方法是，取50 g風干土樣放進6個直徑13 cm、孔徑分別為5、2、1、0.5、0.25 和 0.1 mm 的篩子組成的篩組，通過Yoder團聚體分析儀帶動，以3.2 cm的振幅、30次/min的頻率在水中篩分30 min，得到每個篩子上剩下的團聚體含量。大團聚體一般指粒徑＞0.25 mm的土壤團聚體［27］，研究發現土樣預濕方式和濕篩方式是影響水穩性大團聚體粒徑分布和數量的2個重要因素，不同的方法所得結果差異很大，適用的研究目的也不同。

筆者主要對濕篩法團聚體穩定性及粒徑分析中土樣預處理及篩分方法進行綜述，為土壤團聚體的粒徑分布及水穩性分析提供參考。

2 土壤團聚體遇濕的破壞機制

Y.Le Bissonnais［28］總結了土壤團聚體遇水破壞的機制:1)崩解(slaking)，由于干團聚體在快速濕潤過程中其內部封閉的空氣被壓縮而產生微型爆炸，使團聚體破裂;2)差異膨脹(differential swelling)，在土壤濕潤過程中，黏粒、粉粒和砂粒膨脹程度不同，導致土壤產生微小裂隙;3)雨滴打擊(raindrop impact)，雨滴降落到地表時，不但起到濕潤土壤的作用，它本身具有一定的動能，能夠分散土壤團聚體;4)物理-化學分散(physico-chemical dispersion)，是由于在土壤濕潤過程中膠體顆粒間吸引力減小所致。

可見，Yoder濕篩法使用風干土樣在濕潤過程中，同時發生了崩解、差異膨脹和物理-化學分散等作用。這些分散作用的強烈程度與土樣濕潤速度和初始濕度有關，土樣初始含水量越低、濕潤速度越快，分散作用越劇烈。W.D.Kemper等［29］研究表明干熱條件下土壤表面吸附N2和O2，若土樣直接浸入水中濕潤，N2和O2被置換出，并與土壤孔隙中原來存在的空氣混合，被封閉在土壤孔隙中，使土壤孔隙內壓力增大，破壞土壤團聚體。C.R.Panabokke等［30］讓土樣在不同土水勢(pF為0.5～6.5)下達到平衡，得到不同的土壤濕度(1.5% ～47%)，然后用Yoder的濕篩法分析團聚體穩定性。結果表明:濕篩前土樣預濕至pF為1或2時團聚體穩定性最大，當土樣直接預濕至pF小于1或2時其穩定性下降，而如果先預濕至pF=2然后繼續預濕至更小的pF值下，再濕篩，此時團聚體穩定性下降的趨勢即被排除，這說明快速濕潤對土樣的崩解作用最為強烈。S.D.Nijhawan等［31］利用從田間濕度至風干土等一系列不同濕度的土樣進行的實驗得到了類似的結果。但由于田間濕度不確定，會使測定結果變異較大或得到錯誤結論，故Yoder的風干土樣法［11］仍廣為使用。

考慮到在自然界，雨滴打擊和徑流沖刷也是土壤顆粒最常見的分散作用，L.De Leenheer等［32］則用具有與天然降雨雨滴相等動能的水滴打擊各粒徑的干土樣，直至用水量達到田間持水量，以此模擬崩解作用。之后將土樣在相對濕度98% ～100%、20℃的條件下放置24 h，然后將各粒徑土樣移入相應孔徑的篩子，組成篩組進行濕篩，振動頻率35次/min，振幅3.8 cm，振動5 min，以此模擬水流對土壤的分散作用。前蘇聯主要采用薩維諾夫(Н.И.Саввинов)法，即上下翻轉沉降筒來分散土樣，然后在水中進行篩分［33-34］;然而，在振蕩篩子與翻轉沉降筒的過程中，土樣與水流的相互作用與田間狀況差異較大。

綜上所述，采用風干土樣，用濕潤的方法來分散團聚體是實驗室內簡便易行、用途較廣的方法。

3 團聚體分析方法

3.1 土樣的粒徑及用量

用濕篩法進行團聚體分析時，取樣量有所差異(表1)。取樣量及樣品的粒徑要求與實驗目的有關。進行土壤團聚體粒徑分布實驗時，所用土樣粒徑多為1～8 mm，質量多為20～50 g;進行土壤團聚體水穩定性分析時，土樣粒徑一般小于2 mm，取樣量則一般小于20 g。取樣多少可能與篩子直徑有關，篩子上裝載的樣品過多，會對分析結果會有嚴重影響，應均勻鋪排［34］。

表1 不同研究者所用土樣的粒徑及質量Tab.1 Aggregates size and weight of soil samples used by different researchers

3.2 土樣預濕潤方法

表2給出了一些學者進行團聚體粒徑分布和穩定性測定時所采用的濕潤方法，可以看出，已有的濕潤方法按濕潤速度可分為快速濕潤和慢速濕潤，按土樣所處的氣壓條件可分為常壓濕潤和高真空濕潤。濕潤的快慢和氣壓條件可以組合，得到4種濕潤方法，即常壓快速濕潤、高真空快速濕潤、常壓慢速濕潤和高真空慢速濕潤。快速濕潤主要有2種方式:一是將盛有土樣的篩組直接浸入水中(如R.E.Yoder［11］采用的方法);二是先將盛有土樣的篩組放入容器中，然后向容器中注水，使土樣快速被淹沒(如 W.D.Kemper［38］所介紹的方法)。慢速濕潤的方法主要有氣溶膠濕潤法［43］、毛管濕潤法［35，40］等。氣溶膠濕潤指利用超聲波或其他技術產生水霧，使水霧與土樣接觸而將其緩慢濕潤;毛管濕潤指讓土壤在一定張力下緩慢濕潤。美國土壤學會(Soil Science Society of America)推薦了4種土樣濕潤方法［44］:常壓快速濕潤、高真空快速濕潤、常壓氣溶膠濕潤和毛管濕潤，可依據不同的分析目的以及土壤團聚體的穩定性選擇合適的方法。

許多研究者對不同濕潤方法的適用性進行了比較。S.D.Nijhawan等［31］的實驗結果表明噴霧濕潤、毛管濕潤和真空濕潤能顯著增加團聚體穩定性。E.L.Dickson等［40］研究了常壓快速濕潤(No Vacuum Fast Wetting，NVFW)、高真空快速濕潤(High Vacuum Fast Wetting，HVFW)、常壓慢速濕潤(No Vacuum Slow Wetting，NVSW)和高真空慢速濕潤(High Vacuum Slow Wetting，HVSW)4種土樣預濕技術對團聚體水穩性測定的影響，結果表明:常壓條件下，快速濕潤的團聚體水穩性顯著低于慢速濕潤方法，真空條件下結果類似，但二者差別更小;快速濕潤下，常壓濕潤的團聚體水穩性低于真空濕潤，慢速濕潤時常壓和真空濕潤的結果無顯著差別;慢速濕潤方法所測水穩性的變差系數(CV)多為0.5% ～1.9%，而快速濕潤方法的變差系數多為2.1% ～7.0%，說明前者測定結果相對于其平均值的離散程度較小，即重復性較好;上述結果與封閉空氣引起“團聚體爆炸(aggregate explosion)”的概念一致;作者認為如果需要減小封閉空氣對測定結果的影響，常壓慢速濕潤法可滿足要求，比起真空慢速濕潤前者省時省力。W.D.Kemper等［2］指出，將土樣直接浸入水中的濕潤方式與田間灌溉時土壤表層的濕潤過程相當，當研究洪水入滲或地表結皮的形成時，直接浸水濕潤較為理想。另一方面，下層土壤是在一定張力下緩慢濕潤的，團聚體破壞較小，所以土樣在一定張力下濕潤來模擬這種情形更為合適;真空濕潤和張力濕潤的測定結果密切相關，且前者更快、結果重復性更好。W.D.Kemper等［2］還指出團聚體粒徑分析的目的常常是為了得到團聚體在土體中的存在狀態，這就需要在濕潤處理時盡可能減少破壞，因此建議采用氣溶膠濕潤或真空濕潤。W.D.Kemper［38］建議如果土壤團聚體非常穩定，特別是含有大量游離氧化鐵的土壤，真空濕潤得到的團聚體水穩性達到100%，此時如果需要對不同土壤團穩性進行區分，可以增加分散力量，如在常壓下快速濕潤。R.J.Haynes［41］研究了田間濕度(張力 3 kPa，平衡24 h)、風干、風干后在張力儀(tension table)上慢速預濕(3 kPa，平衡24 h)或真空快速濕潤等處理對濕篩法測定不同開墾年限土壤的團聚體穩定性的影響，結果表明隨著耕作年限延長(土壤有機質含量降低)，風干土張力濕潤或真空濕潤得到的平均質量粒徑(mean weight diameter，MWD)無差別，風干土直接濕潤所得MWD減小顯著，說明用后者能夠區分耕作年限(即有機質含量)對土壤團聚體的影響。在我國東北地區的研究［45］表明:慢速濕潤對＞1 mm的團聚體有明顯保護作用;乙醇保護劑使＞2 mm團聚體含量增加，2～1 mm的減少，＜1 mm的無顯著影響，指出黑土水穩性團聚體分析方法可采用慢速浸潤、靜置5 min、蒸餾水篩分、不添加乙醇保護劑。Y.Le Bissonnais［28］借鑒已有方法，提出了3種土樣處理方法，以適應不同的土樣和條件;這3種處理為快速濕潤、慢速濕潤、真空或乙醇濕潤后機械振蕩。這以方法得到了多名國內外學者［46-51］的應用。

表2 不同研究所采用的濕潤方法Tab.2 Wetting methods used by different researchers

土樣濕潤后至濕篩前放置時間也值得注意，M.N.Wuddivira等［52-53］將土樣浸入水中10 min后進行濕篩。M.B.Russell等［37］的實驗表明 3、30、和 300 min的直接濕潤預濕時間對分析結果影響不大。D.D.Evans［54］用細小噴水將風干土預濕至水分當量，分別保存5 min和24 h后濕篩，結果表明后者使土壤團聚體平均粒徑顯著增加，原因是團聚體內部軟弱面的水化。可見土樣預濕后，放置時間在一定范圍內對結果影響不大，若過長可能會影響實驗結果。

綜上所述，采用單一的濕潤方式不能適用于不同的研究目的以及土壤條件，因此，在進行團聚體粒徑分布及穩定性分析時，應該同時采用不同的濕潤方法，以得到關于土壤團聚體穩定性及粒徑分布的更全面的信息。筆者建議采用常壓快速濕潤和另一種對土樣破壞較小的濕潤方法對土樣進行處理。快速濕潤為將土樣放到篩組頂層，將篩組直接浸入水中，然后濕篩。另一種方法可以根據擁有的實驗設備，采用常壓毛管濕潤、真空快速濕潤或者真空毛管濕潤。土樣預濕后靜置30 min左右進行濕篩，既保證土粒充分分散，又不會使其水化而再次結合。

3.3 濕篩方法的選擇

R.E.Yoder［11］最早設計了濕篩裝置，此后有人對該裝置進行了多次改進［55-56］。篩子在水中運動時，可以始終保持全部篩子淹沒于水中，也可以在最高點時底篩離開水面;運動方向有上下運動、水平移動或成45°角擺動，據一些研究者［34］分析，這些方法所得結果大致都很接近。上下運動的方式使用較多，各個研究者進行濕篩時采用的振蕩頻率、震蕩幅度以及濕篩時間有一定差別(表3)。濕篩過程中水流對團聚體的破壞作用取決于水流與篩子的相對速度，即篩子振蕩幅度和頻率，表3最后一列給出了水流相對于篩子的速度，數據表明:進行粒徑分布分析時，篩子振動速度為3.2～4.7 cm/s;進行水穩性分析時，部分學者采用的速度較快，為3.8～6.7 cm/s，與團聚體粒徑分布分析采用的振蕩速度相當，這說明人們雖然區分了團聚體穩定性和粒徑分布2個概念，但實際測定時濕篩方法上并無區別，另一部分研究者采用的振動速度較慢，為0.3～2.5 cm/s。W.D.Kemper［38］指出，從某種意義上說，確定團聚體粒徑分布就是確定團聚體穩定性。實際上，團聚體粒徑分析和穩定性分析沒有本質的區別，只是強調的重點不同:粒徑分布指團聚體經過分散作用力后產生的團聚體顆粒的大小組成，用平均質量粒徑或幾何平均粒徑(geometric mean diameter，GMD)表示［1］，其計算公式［4］為:

式中:DMW和DGM分別為平均質量粒徑和幾何平均粒徑;xi為某一粒徑范圍的平均值;wi為相應粒徑范圍所占比例。穩定性指一定分散作用力對一定粒徑的團聚體顆粒產生的影響，可用分散后大于某一粒徑的團聚體質量占樣品總量的比例表示［38］。S.D.Nijhawan等［31］指出:濕篩能夠將團聚體分成不同粒級，同時對團聚體也有一定磨蝕作用;他們建議團聚體分析中，應當控制篩分過程使其作用僅限于區分不同粒級的土壤顆粒，而不產生進一步的磨蝕作用。因此，對于團聚體粒徑分布和水穩性分析，可根據目的選擇一定的分散作用力，即預濕潤方式，然后采用同樣的濕篩方法來篩分，結果則用不同的指標表達。

M.B.Russell等［37］用 Iowa的4種黃土發育的粉壤分析了振蕩時間(t)與團聚體穩定性(W，＞0.25 mm水穩性團聚體含量)之間的關系，水篩振蕩頻率38 次/min，振幅 3.8 cm，振蕩時間有 1、2、4、8、16、32和64 min;結果表明:W與t之間呈指數函數關系，他們建立了log W與log t之間的線性函數，若直接點繪W與t的散點圖，則可看出，隨著振蕩時間的增加，團穩性先迅速減小，在8～16 min時，團穩性減小速率變慢，并逐漸趨于穩定。W.D.Kempe等［2］的濕篩法的實驗表明，在濕篩過程中，最初3 min內團聚體迅速分散，之后分散量逐漸減小，而若篩子振蕩頻率或振幅增大，濕篩3 min之后的團聚體分散速率也很大。表3數據表明，M.B.Russell等［37］以及 W.D.Kemper等［2］的篩子振蕩速度分別為4.8和1.5 cm/s，前者為后者的3倍多，前者對土樣的破壞作用較大，故團聚體達到穩定所需濕篩時間較長。S.D.Nijhawan等［31］采用的濕篩振蕩強度介于上述2研究之間，即頻率35次/min，振幅2.1 cm，篩子速度2.5 cm/s，分析了粉黏壤和粉壤土的表土和心土團聚體水穩性，結果表明，濕篩2 h與30 min相比，團聚體的破壞程度僅略微增加。Y.Le Bissonnais［28］提出將濕潤后的土樣在乙醇中篩分的方法來減小進一步的破壞，但是乙醇的成本較高、操作比較繁瑣;因此，在進行團聚體粒徑及穩定性分析時，可采用篩子振蕩速度為1.5～2.5 cm/s的振蕩幅度及頻率組合，振蕩10～30 min，這樣不至于振蕩太劇烈而對團聚體破壞太劇烈，且團聚體分散也已趨于穩定。

表3 不同研究者所采用的濕篩方法Tab.3 Wet sieving methods used by different researchers

3.4 篩目的選擇

通常以粒徑0.25 mm將土壤團聚體分為大團聚體和微團聚體［27，57］，因此，要將大團聚體和微團聚體分開，需首先選用0.25 mm孔徑的篩子。對于＞0.25 mm的團聚體，若要繼續分為若干粒徑，則可以根據實驗目的選擇具體篩目;對于＞0.1 mm的微團聚體，也可進行篩分，對于更細(＜0.1 mm)的土粒，容易堵塞篩孔，影響測定結果的準確型，故用吸管法［33］。R.E.Yoder［11］進行團聚體粒徑分析時，所選用的篩組孔徑為 5、2、1、0.5、0.25 和 0.1 mm;P.Sarah等［58］研究耶路撒冷地區土壤團聚體的平均質量粒徑時，采用了 7、6、4.7、4、3、2、1、0.5 和0.25 mm共9個孔徑的篩子;I.Stavi等［27］在 P.Sarah 等［58］的基礎上增加了 8、0.125 和 0.062 mm 3個孔徑;C.Legout等［59］則采用 2、1 和 0.5 mm 孔徑的篩子，＜0.5 mm的用激光粒度儀測定。W.D.Kemper等［1］認為，利用式(1)計算平均質量粒徑時，選用2、1、0.5和0.2 mm的篩子會使計算結果偏高，而采用4.76、2、1和0.21 mm的篩子結果較好，區別在于后者孔徑范圍更寬。

進行團聚體穩定性分析時，一般采用1個孔徑的篩子即可，W.D.Kemper［38］、W.D.Kemper等［2］、F.Candan 等［42］以及 M.N.Wuddivira 等［52-53］均選用0.25 mm孔徑的篩子，用＞0.25 mm團聚體含量作為團聚體穩定性指標。F.Candan等［42］認為＞0.25 mm的團聚體對土地利用和管理的變化最為敏感。H.Cotler等［60］則同時計算了 ＞0.25、＞0.5、＞1、＞2和＞4.75 mm等各粒徑的比例，來衡量團聚體穩定性。

4 結論

通過對水穩性團聚體粒徑分布及穩定性的測定方法進行總結，發現，濕篩法是目前最流行、也是最經典的方法。濕篩法的過程實際上是先用一定的作用力將土壤團聚體分散，然后用篩分的方法將各粒級區分開。土樣在濕潤過程中，同時發生了崩解、差異膨脹和物理-化學分散作用。崩解作用的強烈程度與土樣初始濕度和濕潤速度有關，土樣初始含水量越少、濕潤速度越快，崩解作用越劇烈。已有的濕潤方法按濕潤速度可分為快速濕潤和慢速濕潤，按土樣所處的氣壓條件可分為常壓濕潤和高真空濕潤。常壓快速濕潤過程中，土壤內部封閉的空氣被壓縮，產生微型爆炸，對團聚體破壞較大，慢速濕潤和真空濕潤減小了對團聚體的破壞，使團聚體穩定性顯著增大。采用單一的濕潤方式不能適用于不同的研究目的及土壤條件，為了更全面地了解土壤團聚體穩定性及粒徑分布特征，可同時采用常壓快速濕潤和常壓慢速濕潤(或真空濕潤)2種方式對土樣進行預濕。濕篩過程中振動速度不能太快，以免對團聚體造成破壞。篩目可以根據實驗目的選擇。

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