土壤樣品含水量快速測定方法的比較研究

馬璠等

摘要

[目的]探尋更加快速、節(jié)能的土壤樣品含水量、測定方法，優(yōu)選出適用于不同樣品數(shù)量的最佳干燥途徑，對提高土壤含水量、分析效率及實(shí)驗(yàn)室節(jié)能有重要意義。[方法]以黃綿土（寧夏彭陽）、塿土（陜西楊凌）、紫色土（四川鹽亭）3種土壤為試驗(yàn)材料，采用烘箱法、微波爐法、酒精燈干燒法、酒精燃燒法分別對設(shè)計(jì)含水量為30%、20%、10%的土壤樣品含水量進(jìn)行了測定，并對幾種測定方法進(jìn)行了比較。[結(jié)果]微波爐法能將樣品的干燥時(shí)間縮短至10 min以內(nèi)，速度快，能耗低，且測定結(jié)果與烘箱法沒有顯著差異，在樣品數(shù)量較少的情況下可以作為烘箱法的替代方法，而烘箱法僅適用于大批量樣品的干燥。該研究提出的酒精燈干燒法可能成為一種較節(jié)約燃料的快速干燥方法。該方法的測定準(zhǔn)確性還有待改進(jìn)，適用性需進(jìn)一步驗(yàn)證。[結(jié)論]從實(shí)驗(yàn)室節(jié)能減排的角度出發(fā)，推薦使用微波爐法進(jìn)行土壤樣品干燥，在樣品數(shù)量較少的情況下盡量避免使用烘箱法。

關(guān)鍵詞 土壤含水量；快速測定方法；微波爐法；節(jié)能減排

中圖分類號 S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 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

土壤樣品含水量的測定是研究中經(jīng)常進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目。準(zhǔn)確、快速地測定土壤樣品含水量有助于研究工作的順利進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)室中測定土壤樣品含水量通常采用烘箱法。這是一切土壤含水量測定方法的校準(zhǔn)基礎(chǔ)。但是，烘箱法耗時(shí)長，加之烘箱的容積大、額定功率高，如果一時(shí)只有少量樣品，那么使用烘箱法就會造成能源的極大浪費(fèi)，不利于節(jié)能減排。研究人員提出了一些快速測定土壤樣品含水量的方法，例如酒精燃燒法、微波爐法[1]等。酒精燃燒法需要翻燒數(shù)次，較為不便，且不適用于有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤，誤差也較大[2]。微波爐法在文獻(xiàn)中有所報(bào)道，烘干速度確實(shí)很快（少于10 min）[1]，但在實(shí)際研究工作中，似乎使用得較少。原因可能有以下幾點(diǎn)：①微波爐法無法控制干燥溫度，無法達(dá)到105 ℃恒溫烘干的操作規(guī)范；②在一般的研究工作中，較少遇到需要極其迅速測定土壤含水量的情況；③微波爐法需要使用玻璃或陶瓷器皿，而目前常規(guī)的非金屬器皿里還沒有類似鋁盒的專門取樣器皿，加之玻璃或陶瓷易碎，不利于田間取樣，從而限制了微波爐法的使用。在某些研究工作中，大量土壤樣品需要迅速干燥，以免影響試驗(yàn)進(jìn)度，例如土壤侵蝕試驗(yàn)中取得的產(chǎn)沙過程樣品就需要迅速干燥以計(jì)算產(chǎn)沙量，否則會造成樣品堆積以及試驗(yàn)器材占用，使得后續(xù)試驗(yàn)無法進(jìn)行。在這類情況下，無疑需要采用土壤樣品的快速干燥方法。筆者比較了幾種快速測定土壤樣品含水量方法的樣品干燥時(shí)間、干燥過程、最終測定結(jié)果以及試驗(yàn)?zāi)芎牡牟町悾源_定在不同的試驗(yàn)背景下最適用的測定方法，為實(shí)驗(yàn)室土壤樣品含水量的測定提供更多的選擇。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣品

該研究所用黃綿土采自寧夏回族自治區(qū)彭陽縣白陽鎮(zhèn)中莊村旱作梯田，常年為小麥—玉米輪作，一年一熟。供試塿土采自陜西省楊凌區(qū)揉谷鄉(xiāng)灌溉農(nóng)地，常年為玉米—小麥輪作，一年兩熟。供試紫色土采自四川省鹽亭縣中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站附近旱作農(nóng)地，常年為小麥（或油菜）—玉米輪作，一年兩熟。土壤樣品均采自農(nóng)田0～20 cm土層，去除秸稈、雜質(zhì)，風(fēng)干后過5 mm篩備用。

1.2 濕潤土樣的制備

試驗(yàn)在寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所試驗(yàn)室里進(jìn)行。該研究設(shè)計(jì)了3個(gè)水平的土壤樣品含水量，分別為30%、20%、10%。濕潤土樣的制備方法如下：將過篩風(fēng)干土裝滿5個(gè)直徑7 cm、高5 cm的鐵盒，土面比鐵盒上沿略低5 mm左右，鐵盒底部鉆有若干3 mm的小孔，并墊有濾紙。將裝滿風(fēng)干土的鐵盒放入烘箱以105 ℃烘干至恒重后，將土樣、鐵盒浸入清水中，水面與鐵盒上沿持平，待盒內(nèi)土樣完全被水浸滿后，將鐵盒取出靜置。待盒內(nèi)重力水基本排出之后，將土樣、鐵盒放入烘箱105 ℃烘干，烘干過程中不時(shí)取出稱量，用式（1）計(jì)算土樣含水量。

Wd=m濕土+盒+紙-m干土+盒+紙m干土+盒+紙-m盒+紙×100%

（1）

式中，Wd為土樣含水量；m濕土+盒+紙為烘干過程中測得的濕潤土樣與鐵盒的總質(zhì)量；m干土+盒+紙為浸泡前烘干土樣與鐵盒的總質(zhì)量；m盒+紙為鐵盒與濾紙總質(zhì)量。當(dāng)Wd達(dá)到設(shè)計(jì)含水量時(shí)，停止烘干，土樣制備完成。

1.3 土壤含水量的測定

在濕潤土樣制備完成后，立即用烘箱法、微波爐法、酒精燈干燒法、酒精燃燒法4種方法對土樣進(jìn)行含水量的測定。每種方法均從5個(gè)制備鐵盒中按干土重20 g的標(biāo)準(zhǔn)各取樣1次。4種方法共取樣20個(gè)。

烘箱法使用的設(shè)備為上海鴻都電子科技有限公司生產(chǎn)的DHG9101OS型電熱恒溫干燥箱，額定功率為500 W，每30 min取出樣品且稱重1次。

微波爐法使用的設(shè)備為格蘭仕公司生產(chǎn)的P70D20TPC6（W0）型微波爐，額定輸入功率為1 180 W，最大微波輸出功率為700 W。微波爐法使用的盛土器皿為50 mm×30 mm的扁形稱量瓶，每2 min取出樣品且稱重1次。酒精燈干燒法是該研究提出的一種以酒精燈為加熱工具的簡易干燥方法，即直接用酒精燈隔著石棉網(wǎng)加熱鋁盒中的土樣。這種方法僅需非常廉價(jià)的試驗(yàn)室常規(guī)工具即能進(jìn)行土壤干燥。采用這種方法，樣品每2 min稱重1次；另外，記錄每個(gè)土樣干燥前后的酒精燈重量，以計(jì)算酒精使用量。

酒精燃燒法是比較常用的快速測定方法。研究中每個(gè)土壤樣品燃燒3～4次，每次燃燒結(jié)束后稱量1次。每次燃燒所用酒精量能將土樣大致淹沒，且控制在12 ml，以便計(jì)算酒精使用量。土樣前后兩次稱量之差小于0.05 g，即認(rèn)為達(dá)到烘干標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤樣品干燥時(shí)間

土壤樣品達(dá)到烘干標(biāo)準(zhǔn)所用的時(shí)間是評價(jià)快速測定方法最主要的一個(gè)方面。由表1可知，烘箱法所用時(shí)間為150～180 min，比一般操作中所用的時(shí)間

（6～8 h）要短得多。這可能是因?yàn)檠芯恐忻看胃稍锏臉悠窋?shù)量只有5個(gè)，故干燥時(shí)間較短。在3種土壤中，30%設(shè)計(jì)含水量的塿土樣品干燥需要180 min，其他樣品都在150 min。這可能是由于塿土的質(zhì)地黏重，黏粒吸附的吸濕水較多，不易干燥。微波爐法的干燥時(shí)間大多在9 min，尤其是10%設(shè)計(jì)含水量的紫色土僅需6 min，可見微波爐法干燥速度很快。這都是由微波爐能直接以微波為媒介將能量高效傳遞給水分子的原理決定的。酒精燈干燒法的干燥時(shí)間在18～22 min之間，也遠(yuǎn)少于烘箱法。由于該方法以普通熱傳導(dǎo)加熱水分子，可以斷定該方法下樣品溫度較高，才能在較短的時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)水分子。使用酒精燃燒法，燃燒3～4次之后樣品達(dá)到干燥標(biāo)準(zhǔn)，而每次燃燒耗時(shí)在10 min左右，故總耗時(shí)在30～40 min。

2.2 土壤樣品干燥過程

分析土壤樣品的干燥過程可以進(jìn)一步了解各種方法在干燥效率上的差異。該研究以干燥過程中土壤含水量的即時(shí)測定值隨時(shí)間的變化來表示。

由圖1可知，不同的干燥方法、設(shè)計(jì)含水量以及土壤類型的樣品干燥過程是不一樣的。烘箱法、微波爐法、酒精燈干燒法的干燥過程曲線總體上相似，含水量測定值都是一開始快速上升，然后變化較緩慢。曲線的前半段即表示樣品快速由濕變干的過程，也進(jìn)一步說明不同方法在干燥速度上的差異。以30%設(shè)計(jì)含水量為例，烘箱法的快速干燥階段大約在90 min時(shí)結(jié)束，微波爐法大約在6 min時(shí)結(jié)束，酒精燈干燒法大約在16 min時(shí)結(jié)束，表示樣品內(nèi)自由水基本蒸發(fā)完畢，此后的曲線非常平緩，表示樣品進(jìn)入吸濕水的蒸發(fā)階段。20%設(shè)計(jì)含水量樣品的快速干燥階段時(shí)長與30%含水量相似，而10%設(shè)計(jì)含水量樣品的快速干燥階段時(shí)長要略短一些，但縮短的幅度并不大。對于酒精燃燒法，大多在第2次燃燒之后，樣品就基本上接近干燥，類似于其他3種方法中的快速干燥階段結(jié)束，之后的1～2次燃燒主要是為了吸濕水的蒸發(fā)。

2.3 土壤樣品含水量最終測定結(jié)果

在每輪試驗(yàn)的4種干燥方法中，均以烘箱法為標(biāo)準(zhǔn)來衡量其他3種方法在樣品含水量最終測定效果方面的優(yōu)劣。畢竟測定結(jié)果的準(zhǔn)確性對于研究工作來說是最重要的，如果某種方法得到的結(jié)果偏離標(biāo)準(zhǔn)太多，那么即使效率再高也不宜采用，所以要比較各種快速測定方法與標(biāo)準(zhǔn)方法的差異。研究中所設(shè)計(jì)的4種方法、3種土壤的干燥試驗(yàn)得到的土壤含水量最終測定結(jié)果采用SPSS 16.0軟件作了方差分析。

作方差分析時(shí)，對不同設(shè)計(jì)含水量的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)以“土壤類型”和“干燥方法”2個(gè)因素做雙因素的方差分析。該研究主要關(guān)心的是不同的干燥方法之間土壤含水量最終測定結(jié)果是否存在顯著差異，所以在此主要分析不同干燥方法之間的結(jié)果差異。方差分析結(jié)果表明，不同干燥方法之間的土壤含水量最終測定結(jié)果均有顯著差異（P<0.01），因此有必要將各方法作多重比較，以進(jìn)一步明確與烘箱法相比，其他3種方法測定結(jié)果的差異。

多重比較結(jié)果表明，在30%和20%設(shè)計(jì)含水量下，酒精燈干燒法與烘箱法有顯著差異（P<0.01），而且與其他2種方法也有顯著差異（P<0.01），除酒精燈干燒法外，其他3種方法之間都沒有顯著差異。在10%設(shè)計(jì)含水量下，酒精燈干燒法與其他3種方法都有顯著差異（P<0.01），微波爐法與酒精燃燒法之間也有顯著差異（P<0.01），微波爐法以及酒精燃燒法、烘箱法之間都沒有顯著差異。從測定的準(zhǔn)確性來看，微波爐法、酒精燃燒法與標(biāo)準(zhǔn)方法沒有顯著差異，測定結(jié)果是可以接受的，而酒精燈干燒法與標(biāo)準(zhǔn)方法及其他方法都有顯著差異（P<0.01），測定準(zhǔn)確性較差，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看是不可接受的。

圖1 土壤樣品干燥過程

2.4 干燥方法的能耗分析

選取快速干燥方法一方面是為了節(jié)約時(shí)間，另一方面是為了降低能耗。一般說來，采用烘箱法烘干土壤樣品是試驗(yàn)室里能耗最大的工作內(nèi)容。如果能用某種方法代替烘箱法，那么對試驗(yàn)室的節(jié)能減排具有重要意義。

由表2可知，微波爐法的能耗最低，比其他3種方法都低一個(gè)數(shù)量級，充分顯示其較高的干燥效率。酒精燈干燒法的能耗約為烘箱法的一半，烘箱法和酒精燃燒法的能耗較接近。作為傳統(tǒng)方法，烘箱法和酒精燃燒法的能耗都較高，而微波爐法則在節(jié)能方面顯示出巨大的優(yōu)越性。酒精燈干燒法和酒精燃燒法的能耗還有很大的降低空間，因?yàn)檠芯恐袧駶櫷寥绬蝹€(gè)樣品質(zhì)量是按干土重20 g的標(biāo)準(zhǔn)取的，主要是為了與烘箱法和微波爐法的樣品質(zhì)量相對應(yīng)，但實(shí)際上超過20 g的樣品質(zhì)量并不是太適宜用酒精燈干燒法和酒精燃燒法，所以減少樣品質(zhì)量才能更全面地評估這2種方法的能效。這有待更多試驗(yàn)驗(yàn)證。