激光衍射法測定土壤粒徑分布的研究進展①

段世航，崔若然，江榮風，范明生，袁會敏

(中國農業大學資源與環境學院/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100094)

土壤粒徑組成是土壤一個穩定的自然屬性，土壤顆粒大小、級配和粒組含量是土體工程分類的重要依據。土壤顆粒大小與土壤物理、化學以及生物性質密切相關，所以土壤的粒徑分析是地質、農業、環境等學科領域的重要研究內容[1]。土壤粒徑分布(particle size distributions，簡稱PSD)傳統測定方法分為篩分法和沉降法，后者又分為密度計法和吸管法，被國際土壤學界視為土壤粒徑測定的標準方法。根據GB/T50123—1999《土工試驗標準》規定，對于粒徑大于0.075 mm 且小于60 mm 的粗土，一般采用篩分法；粒徑小于0.075 mm 的黏土采用沉降法[2]。傳統的試驗方法所得的結果代表性較好、理論性較強，不足之處在于操作繁瑣、測試時間長。近年來，基于光散射、衍射理論的激光衍射(laser diffraction，簡稱LD)技術已經廣泛應用于土壤粒徑的測定，激光粒度分析儀測定土壤PSD 具有測量范圍廣、適用范圍廣、重現性好、準確度高、測量時間快、操作簡單等優點[3-4]，為快速準確地測定大批量樣本提供了手段。因此本文介紹了LD 法測定土壤PSD 的基本原理和分析方法，綜述了該技術在測定土壤PSD 方面的國內外研究進展，重點分析了LD 法測定土壤PSD 的影響因素，并對LD 法測定土壤PSD 的應用前景進行了展望。

1 激光粒度儀測量原理

應用激光粒度儀對土壤PSD 進行測量時，光束穿過懸浮顆粒流發生衍射，產生的衍射光通過凸透鏡成像在探測器上，便能夠獲取不同衍射角的散射光強度。同時，不發生衍射的光線，經凸透鏡聚焦于探測器中心，不影響發生衍射的光線，因此顆粒流經過激光束時產生一個穩定的衍射譜[5]。激光粒度儀通過Mie 模型和Fraunhofer 模型兩種光學模型來處理土壤PSD 的原始數據。Mie 模型最早由Gustav Mie 基于電磁散射理論創立，Fraunhofer 模型是Mie 模型的一個特例[6]。在Mie 散射中的散射光強度由入射光波長、粒子徑、粒子和介質的相對折射率來確定[3-4,7-9]。其實光線照射到球形粒子上可產生3 類光，第一類：通過粒子表面，進入粒子內部，經粒子內表面的反射光；第二類：通過粒子內部的折射光；第三類：在粒子表面的衍射光。但是這些現象與粒子大小無關，均可以作為散射光處理[4]。顆粒的多少、粒徑的大小決定了散射光各個特性參數的變化，通過測量光強、偏振度、衰減比等激光參數的空間分布來獲得待測顆粒的信息[10]。圖1 為激光粒度儀的經典光學結構圖[5]。

圖1 激光粒度儀經典光學結構圖Fig.1 Classic optical structure diagram of laser particle size analyzer

2 激光衍射法在土壤粒徑分布分析中的應用

2.1 激光衍射法測定土壤質地的方法流程

目前對于LD 法測定土壤PSD 的研究有很多，大多數研究集中在該方法與傳統方法之間的對比分析，通過建立兩種方法之間的轉換方程，運用LD 法確認土壤的質地類型。根據前人經驗，將LD 法測定土壤質地的方法流程總結如下：通常取0 ～ 20 cm 耕層土壤，風干或烘干后過2 mm 篩備用，根據使用的儀器類型稱取0.1 ～ 5 g 土壤樣品（一般來說，黏質土壤顆粒較小加樣量適當減少，砂質土壤顆粒較大加樣量適當增加），加入H2O2除去有機質，過量的H2O2加熱除去，自然冷卻至室溫，根據樣品pH 加入不同種類分散劑，靜置2 h 使樣品充分分散，電沙浴煮沸1 h，設置好儀器參數后上機測定，即可獲得土壤PSD信息。由于LD 法測定的結果不夠準確，只能判斷出土壤質地的大致范圍，因此需要用傳統方法和LD 法同時進行土壤PSD 的測定，通過線性回歸分析建立二者之間的轉換方程，把LD的數據轉換成質量分數，再進行土壤質地的劃分[11-12]。

2.2 激光衍射法測定土壤PSD 的國內外研究進展

經過多年的研究和發展，LD 技術已經成為一種快速測定土壤PSD 的方法，顯著提高了工作效率。國外學者McCave 等[13]早在1986 年就將LD 法應用到土壤PSD 檢測并將其與傳統方法進行比較。許多研究表明，LD 法與傳統方法測定結果有差異，存在某種粒級之間相關性較差的情況，并且與傳統方法相比，LD 法測定土壤PSD 時會出現低估黏粒、高估粉粒含量的現象[14-18]，這是由于LD 法多采用超聲對樣品進行分散，導致黏粒部分片狀顆粒增多[19]，會將原本的“黏粒”測定為“粉粒”。LD 法與傳統方法測定結果產生差異的原因有很多。主要有以下兩方面原因：①兩種方法測定原理不同。沉降法遵循Stokes定律，據Stokes 在1851 年的研究結果指出，球體顆粒在靜水中沉降，其沉降的速率與球體半徑平方呈正比，而與介質的黏滯系數呈反比，因此測定的是土壤顆粒的當量粒徑，反映的是顆粒的沉降速率[1]；并且沉降法所測的PSD 是各級土粒質量占總質量的百分比。在實際測定中，土壤顆粒的密度通常假設為 2.65 g/cm3，但是不同的土壤密度不同，且不同粒徑的土粒密度也不同。而LD 法依據光學原理，反映顆粒的橫截面特征，測定的PSD 是各級土粒體積占總體積的百分比，與密度無關[5,20]；兩種方法測定的是同一種顆粒的不同特征，因而造成了測量結果的不同。②土壤顆粒形狀不同。通常砂粒和粉粒更接近于球體，而有些黏粒是扁平的圓盤狀，這取決于黏粒中所含黏土礦物的類型[21]。非球形顆粒傾向于以垂直于運動方向的最大橫截面尺寸沉降，導致顆粒的等效直徑減小，沉降時間增加，因此會“高估”扁平圓盤狀的黏粒含量[15,22]。此外，LD 法中的超聲分散使黏粒部分單體片狀顆粒增多[19]，非球形顆粒反射的橫截面積大于相同體積的球體，測量得到的顆粒直徑大于同體積球體的當量直徑[23-24]，這會導致顆粒的等效直徑增加，低估黏粒的含量。

表1 不同研究的轉換方程及模型精度Table1 Conversion equations and model accuracies in different literatures

因此，如果直接利用LD 法測定結果判斷土壤質地，誤差較大，但是LD 法數據經過轉換方程轉換之后，與傳統法實測數據之間的誤差明顯降低，對質地判斷的準確度會大幅度提高[25-27]。前人得出的方程式差異較大(表1)，普適性有限[14,18,21,28]，在保證傳統測定方法一致時，轉換方程的差異與儀器型號、所測樣品的母質及土壤類型有密切的關系。目前，國內外實驗室應用較多的激光粒度儀有Mastersizer 2000、Microtrac S3500、Beckman Coulter LS13320、LA960等。激光粒度儀均以激光衍射原理為理論基礎進行制造，但是由于制造工藝、儀器參數和精度等方面的差別，不同儀器對于同一樣品的測定結果仍會有差異。楊金玲等[28]與吳煥煥等[12]均使用Beckman Coulter LS 13320 激光粒度儀對紅壤、黑土、水稻土等土壤樣品進行測定，他們所建立的砂粒、粉粒、黏粒轉換方程較為相似。而Vdovi? 等[29]使用3 種型號儀器（Sedi Graph 5100、Counter TA II、Mastersizer 2000）對同一批土壤樣品進行測定，所取得的轉換方程明顯不同。王君波等[32]應用Beckman Coulter LS 13320 和Mastersizer 2000 兩種激光粒度儀對同一樣品進行PSD 測定，研究表明Mastersizer 2000 的測定結果重現性好，而Beckman Coulter LS13320 對于細顆粒組分和粗顆粒組分的檢測效果更好，說明不同型號的儀器對PSD 的測定結果有影響。

3 激光衍射法測定土壤粒徑分布的影響因素

LD 法測定土壤PSD 影響因素主要有以下幾方面：樣品采集及用量、樣品前處理過程、儀器參數設置等。

3.1 樣品采集及用量

激光粒度儀測定土壤PSD 所需樣品量很少，因此要保證測定樣品具有代表性要注意以下幾點：采集土壤樣品需要混合均勻，通常同一層位的土壤其性質也會有較大區別，所測數據是樣品所在層位的平均狀態，因此取得混合均勻的樣品是關鍵[7]。不能過度研磨，通常使用玻璃或陶瓷器皿將土樣粉碎過2 mm篩，從而保證測試樣品的原始信息不被過度破壞。此外，激光粒度儀測定土壤PSD 得到的是各粒徑體積分數的結果，此結果的獲得與單次樣品稱樣量無關，一般地，就同樣重量的土壤而言，黏粒數量越多，砂粒數量越少，因此黏質土壤樣品用量相對少，砂質土壤的樣品用量相對多。同時有機質及碳酸鹽含量高的土壤取樣量應適當增多，有機質含量低的土壤取樣量可適當減少，以保證達到儀器測定要求的最佳顆粒含量范圍[28]。

3.2 樣品前處理過程

前處理的主要目的是使樣品充分分散的同時，盡量保證樣品原始信息不被破壞。前處理步驟通常包括：①消解：去除有機質，去除碳酸鈣；②分散：化學分散，物理分散。

3.2.1 消解 土壤有機質將礦物顆粒聚集到土壤團聚體中，是確保土壤結構穩定性的重要物質[33]。在小于2μm 的黏粒級分中，有機質以納米級或微米級團聚體的形式緊密結合在礦物顆粒表面上，使其更耐降解[34-35]。因此，在前處理的樣品制備過程中旨在破壞土壤團聚體，常用的處理方法是H2O2溶液配合加熱法去除樣品中的有機質[36]。通常來說，有機質含量越高的土壤，對LD 法測試結果影響更大[12,31]，以大顆粒有機質或膠結作用為有機質主要作用方式的土壤，去除有機質后，土壤細顆粒含量增加，黏粒含量測定結果隨之增加。在有機質去除過程中，顆粒平均粒徑呈穩定增加的趨勢[37]，去除有機質后會改善LD 法“低估黏粒含量”的情況，減小兩種方法之間的差異。

消解過程中加入的試劑應適量，過量的H2O2溶液可加熱除去，過量的HCl 溶液必須徹底洗去。關于消解過程中是否使用HCl 去除碳酸鹽，研究者們根據所測樣品的土壤類型做出了不同選擇。對于膠結較弱的黃土類樣品，各研究者的前處理方法基本相同：加入H2O2溶液和HCl 溶液徹底去除有機質和碳酸鹽，再加入六偏磷酸鈉可以使樣品充分分散，并得到可比性良好的測定結果[20,38-39]；何艷花等[40]研究前處理過程對云南高原碳酸鹽巖紅土粒徑測定結果的影響，發現加入HCl 和H2O2的樣品測試穩定性較好，但是HCl 的加入會導致中值粒徑平均值增大，前處理只加入H2O2不加入HCl 的試驗方案，樣品測定結果最可能反映土壤樣品的真實粒度特征；賀蕊等[41]進行滇東高原紅壤樣品粒徑測定時也發現經過HCl處理后平均粒徑結果增大；Schulte 等[42]對索霍多剖面的黃土–古土壤序列樣品進行測定時發現，加入HCl 引起的土壤粒徑變化與碳酸鈣含量之間無顯著聯系，而有機質含量、沉積物風化程度、團聚體以及有機礦物復合物的存在對PSD 影響較大，省略HCl處理不會影響PSD 結果，因此在黃土–古土壤序列的樣品粒徑分析中應避免使用HCl。還有一些研究將HCl 處理應用于整個樣本集，未考慮土壤類型和碳酸鹽來源[12,15,43]。

3.2.2 分散 土壤PSD 分析前處理的主要目的就是使樣品充分分散的同時，盡量保證樣品原始信息不被破壞。土壤樣品分散通常分為物理分散和化學分散。

超聲波振蕩是最常用的物理分散方法。超聲波分散是利用超聲波的超聲空化作用提供一定的能量將團聚的顆粒進行分散，可以有效地分散超細粉體懸浮液。超聲波分散時間和強度的正確選擇十分重要，若超聲波強度太低，土壤顆粒仍呈團聚狀態；而強度太高，則可能使土壤顆粒破碎。龐獎勵等[20]對漢江上游黃土進行測定時發現，經過H2O2、HCl 和六偏磷酸鈉處理的樣品，超聲波振蕩作用對樣品PSD 的影響一般超過50%。分散時間直接影響粒徑的測試結果。實際測定中，超聲分散時間應根據土壤樣品的分散難易程度而確定。殷杰等[44]在連云港軟土顆粒的研究中，鑒于土壤樣品含水量高、黏性大，將超聲波分散時間設置在10 ～ 20 min。但是李蘭和石玉成[39]及何艷花等[40]分別對黃土粉體和云南高原碳酸鹽巖紅土進行測定時發現，超聲分散時間為2 min 就已取得良好的分散效果。綜上所述，當土壤細顆粒含量多、黏性較大時，可以適當增加超聲振蕩時間，但是對于黏性較小的土壤，振蕩時間過長會導致測定結果偏小，并且對土體的分散效果不再明顯。

化學分散與物理分散相結合對樣品的分散效果最佳。化學分散即在土壤樣品中加入分散劑，起到“抗凝”作用。前處理過程中加入的分散劑種類及用量也是激光粒度儀測試技術研究的重要內容。分散劑種類的選擇要考慮土壤的pH，當樣品溶液pH＞7.5時，加入0.5 mol/L 的六偏磷酸鈉溶液；當樣品溶液pH 為6.5 ～ 7.5 時加入0.5 mol/L 的草酸鈉溶液；當樣品溶液pH＜5.5 時，加入0.5 mol/L 氫氧化鈉溶液，靜置2h 或更長時間使樣品充分分散[45]。分散劑用量對顆粒分散也有影響，實際測定中要根據所測土壤類型及樣品用量來確定分散劑用量，通常每1 g 土壤加入3 ～ 5 ml（濃度為0.5 mol/L）分散劑即可。何艷花等[40]對云南高原碳酸鹽巖紅土進行測定時，單次土壤樣品用量為0.2 g，六偏磷酸鈉用量超過15 ml(濃度0.05 mol/L)以后，加入劑量的變化對測試結果影響不大。

3.3 儀器參數設置

3.3.1 光學參數設定 當采用Mie 模型進行數據分析時，需要設置3 個參數，分別為土壤懸浮液折射系數、土壤顆粒折射系數(soil particles’ refractive index，SRI)和土壤顆粒吸收系數(soil particles’absorption index，SAI)。土壤懸浮液通常采用去離子水為溶劑，其折射系數為1.33。SRI 代表光在真空中的傳播速度與其在待測介質中傳播速度的比值。SAI反映的是土壤介質的透度與吸收度。SRI 與SAI 值主要取決于土壤的成土母質[46-48]。國內外學者對于光學參數的確定已經進行過相關研究，通常將SRI 設置在1.50 ～ 1.60，SAI 設置為0.01[43,45,49-50]。有研究發現，黏粒含量較高的土壤樣品對SRI 的變化更為敏感，因此對于黏粒含量較高的土壤，應將SRI 值設定在1.60 以上的范圍[45,49]。當SAI 值大于0.01 時，樣本的PSD 曲線的形變基本可以忽略不計，對激光粒徑儀測定結果的影響很小[45,47]。

3.3.2 分散介質及泵速選擇 激光粒度儀在分析樣品時，分散介質的選擇對樣品的檢測結果有一定的影響，而合適的分散介質可以使整個測試過程達到優化，操作簡便，節省實驗材料。常用的分散介質有去離子水、去離子水+甘油、乙醇、乙醇+甘油、乙醇+去離子水、丙酮等。粉體顆粒較細小時，可以選擇乙醇、乙醇+去離子水、去離子水為分散介質；粉體顆粒較粗大時，為了降低顆粒的沉降速度，可以選擇去離子水+甘油作為分散介質[39,51]。土壤樣品測定分散介質通常為去離子水。

測量過程中為確保大小顆粒都被檢測到，選擇合適的泵速是保證檢測效果的關鍵，特別是使用濕法分散系統時，泵速選擇尤為重要。泵速的大小將決定能否將不同粒徑的顆粒輸送到樣品池，泵速太小，則大顆粒無法傳送；泵速太大則會使樣品槽中的液體出現渦流，而誘導氣泡進入懸浮液中，使測量結果失真[44]。

3.3.3 透過率確定 透過率為任一時刻光速中樣品數量的度量，用百分比(%)表示，一定范圍內的透過率才能保證測量的準確性。通常透過率高于90%時，樣品中的顆粒數大大減少，檢測不到足夠的信號，測量精度下降，導致結果變異性大；透過率低時，可能出現多重散射使測定結果產生誤差，平均粒徑偏大，PSD 范圍變寬。Marvel 和Horiba 公司在傳統反傅里葉結構的基礎上，又增加了LED 光束，從而拓寬了測量下限[52]。LD 光源為紅色光，LED 光源為藍色光，土壤大顆粒散射角度小，對紅色光較敏感，小顆粒散射角度大，對藍光散射效果更好，因此當兩種光源的透過率無法同時處于最佳范圍內時，應優先保證藍光透過率。在實際測定中，研究者根據儀器型號、土壤類型不同，所確定的透過率范圍也有所不同[1,12,38,44]。王保田等[1]采用BT-9300 激光粒度儀對8 種不同質地(從黏質土到砂質土)的土樣進行粒度分析試驗，發現透過率范圍為65% ～ 70% 時，測試結果重復性最高。周素紅和陳縈[4]建議使用LA920測量土壤粒徑時，透過率為70% ～ 90% 時結果重復性較好；李蘭和石玉成[39]應用WINNER 2000 激光粒度分析儀對黃土進行測定，認為黃土透過率宜保證在96.5% ～ 97.5% 范圍內。

4 激光衍射法測定土壤粒徑分布存在的問題

激光粒度儀在測定過程中會產生誤差，通過前人經驗總結主要與以下幾個因素有關：①激光粒度儀樣品用量少，被測樣品的代表性很難保證，結果產生偏差是必然的[7,53]；②激光粒度儀量程的中段精度最高，靠近量程邊緣的精度則較低[54]；③LD 法測定的是土壤顆粒的橫截面直徑，但是土壤顆粒大多不是標準的球體；④超聲分散后土樣黏粒部分單體片狀顆粒增多，增多的片狀顆粒在激光粒度儀法下測定尺寸常偏大[19]；⑤LD 法是在假定折射率一定的情況下測定的，而實際上折射率易受到顏色等因素的影響[21]。

5 結語

本文介紹了LD 法測定土壤PSD 的基本原理和方法流程，綜述了該方法的國內外研究進展及影響因素，總結了傳統吸管法與LD 法測定結果產生差異的原因，以及LD 法自身存在的問題，可供讀者根據實際情況調整儀器參數，選擇樣品前處理方法。囿于本文的選題范圍，僅介紹了LD 法在測定土壤PSD 方面的應用，并未涉及激光粒度儀在粉末冶金、催化劑、制藥、食品、建材等領域的應用[55]。激光粒度儀的使用極大地提高了土壤粒徑測試效率，但利用LD 法測定土壤的顆粒組成、質地類型僅屬于對土壤基本結構的探索，而LD 法在土壤學的應用還有更加廣闊的研究方向。未來研究中，可參考前人建議，針對不同土壤類型，分別建立轉換方程[28]。若要建立穩定的、適用于大范圍預測的方程，需要保證土壤樣本量足夠大且包含盡可能多的質地類型。