自動機械分散密度計法測定土壤機械組成

張尼，周團坤，張瑩，姚谷敏

(西安西北有色地質研究院有限公司，陜西 西安 710054)

土壤機械組成是土壤分類的重要診斷指標，是土壤地理研究、土壤改良、土建工程和區域水分循環過程等研究的重要內容[1-10]。

目前，國內外標準的測定方法基本都是采用密度計法或吸管法[11-15]。土壤樣品制備為土壤懸液后，人工使用攪拌棒進行機械分散，然后通過密度計或吸管進行測定，密度計法應用更為普遍。但人工機械分散易導致分析結果重復性差，重現性也不佳。

本工作以自主研制的自動機械分散裝置替代人工，結合密度計法，建立測定土壤機械組成新方法，避免人工操作誤差，提高分析結果的精密度，提升現有分析技術水平和分析效能，保證檢測結果質量。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

去離子水;六偏磷酸鈉、草酸鈉、氫氧化鈉均為分析純；分散劑為六偏磷酸鈉水溶液(3.0 mol/L)、草酸鈉水溶液(1.0 mol/L)、氫氧化鈉水溶液(0.5 mol/L)；土壤，土壤樣品均來源陜西省及甘肅省兩個區域，采集土地包括農用地、林地、耕地、企業用地和礦山用地等。土壤機械組成等級涵蓋黏土、壤土和砂土。樣品均為風干后過2 mm土壤篩的篩下樣品。

TM85甲種土壤密度計；1 000 mL的平底量筒(沉降洞)；自動機械分散裝置，自制。結構見圖1。

圖1 自動分散裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of automatic dispersion device

1.2 實驗方法

1.2.1 干擾去除 稱取10～50 g風干后的土壤樣品于500 mL錐形瓶，按照環保標準方法進行去除可溶鹽和石膏、鐵氧化物、碳酸鹽等干擾[11]。

1.2.2 化學分散 根據土壤pH，加入不同的分散劑(石灰性土壤加25 mL六偏磷酸鈉溶液；中性土壤加25 mL草酸鈉溶液：酸性土壤加25 mL氫氧化鈉溶液)，再加水于錐形瓶中，使懸浮液體積約為250 mL。搖勻后靜置2 h。然后，在錐形瓶口放一小漏斗，在電熱板上加熱，微沸1 h，在煮沸過程中要經常搖動錐形管，以防土粒沉積于瓶底結塊。

1.2.3 濕篩分 將63 μm洗篩放在漏斗中，置于沉降筒上，待懸液冷卻后轉入洗篩，用洗瓶沖洗，直至篩下流出的水清澈為止，然后加水至1 L刻度。留在洗篩上的砂粒轉移至蒸發皿，在電熱板上蒸干后移入烘箱，于(105±2)℃烘6 h，冷卻后分別過0.60 mm和0.212 mm土壤篩，稱重，并計算各粒級砂粒質量。

1.2.4 機械分散和沉降 將裝待測懸液的沉降筒置于恒溫室，待溫度平衡后，將沉降筒放置在裝置中,攪拌器按照預設程序，在1 min內，上下勻速攪動各30次。攪拌器包括304不銹鋼攪拌桿和聚四氟乙烯攪拌片(直徑50 mm,孔徑3 mm)。

1.2.5 懸液粒度測定 機械分散完畢后，立刻計時，在10～15 s緩慢放入密度計，在測定開始沉降后30 s、1，2，4，8，30 min，8，24 h等時刻的密度，按照斯托克斯定律計算粒度組成。

2 結果與討論

2.1 攪拌片觸底效果

對同一沉降筒樣品A1，分別采用人工觸底分散、裝置不觸底分散、裝置觸底分散，在相同的環境溫度下進行攪拌，利用密度計法分別在30，60，120，240，480，1 800 s進行密度測定。結果顯示，密度計讀數無論是人工分散，或者是裝置分散，觸底結果均明顯大于不觸底裝置分散，說明觸底是影響結果的準確性的非常重要的因素。從相對標準偏差(RSD)計算結果來看，裝置分散的精密度明顯優于人工分散。

2.2 自動分散頻次和時間

由于整個機械分散過程所需時間不長，自動分散裝置的攪拌頻率對縮短流程時間意義不大，因此，參考現行國內外標準，仍采用2 s一個攪拌周期的攪拌頻率。在上述頻率下，分別對三個不同土壤樣品B1、B2、B3，在相同的環境溫度下，分別攪拌20，30，40，50，60，80，100次，在30，60，120，240，480，1 800 s 處，采用密度計法進行懸液密度測定。結果顯示，隨著攪拌次數的增加，密度計讀數逐漸升高，當攪拌周期大于50 s時，密度計讀數趨于穩定。可知，隨著攪拌次數的增加，土壤懸液逐漸攪拌充分，當攪拌周期大于50 s時，土壤懸液被攪拌均勻、穩定。

2.3 攪拌片移動位置

對攪拌片進行上下攪拌的過程中，由下至上，提拉至距離液面的距離進行了考察。實驗分別在距離液面距離1，2，3，4 cm處，對3種土壤樣品懸液C1、C2、C3進行了測定。攪拌時間為1 min，上下共計60次。結果顯示，隨著攪拌片距離液面越遠，密度計讀數在3 cm處略有下降，在4 cm處讀數下降幅度增大。此外，攪拌片在1，2 cm處的讀數良好，但是1 cm處距離液面太近，導致液面晃動更強烈，不利于密度計快速靜止。此外，產生大量泡沫的幾率會增加，這會干擾密度計的測定。因此，選擇距離液面距離為2 cm。

2.4 方法評價

由于市場沒有相關標準物質可售，因此自制了14種土壤樣品D1-D14，用作方法驗證，樣品涵蓋了砂土、壤土和黏土。分別通過人工機械分散密度計法和自動機械分散密度計法，對樣品進行比對分析。樣品各進行3次平行測試，測得粒徑分別為2～0.6，0.6～0.212，0.212～0.063，0.063～0.002 mm、<0.002 mm的土粒質量百分比。計算各粒級質量百分比的平均值、標準偏差、相對標準偏差和極差，結果見表1。

由表1可知，各粒級的14種土壤樣品，采用自動機械分散法的精密度，無論從標準偏差、相對標準偏差還是極差等參數上，整體明顯要優于人工機械分散法。

采用當前現行標準方法HJ 1068—2019和ISO 11277—2009的分析質量要求對該方法測定結果進行評價。環保行業標準HJ 1068—2019采用平行樣差值來評價分析結果的質量，而國際標準ISO 11277—2009采用標準偏差來評價分析質量。參照上述標準評價方法，將本方法測定14種樣品的分析結果與上述標準方法評價要求進行對比。結果顯示，采用自動機械分散密度計法對14件樣品的測定結果，僅有2個結果不滿足環保行業標準要求，合格率為97%，而僅有1個樣品數據超過ISO 11277—2009規定上限，合格率為98%。采用人工機械分散方法的測定結果，按照環保標準和ISO標準的合格率分別僅有74%和70%。

3 結論

以自主研制的全自動土壤懸液攪拌裝置為基礎，建立了采用自動機械分散替代現有方法中人工機械分散的測定土壤中機械組成的方法。采用自動機械分散密度計法測定土壤機械組成具有較好的重復性，相比采用人工方法所測結果的精密度要好。并且，基于自動機械分散裝置實現土壤顆粒組成的樣品前處理過程關鍵步驟自動化，代替人工操作，工作效率提高2倍以上，節約了50%的人工成本，同時避免了人工操作造成的至少30%返工復查率的成本。該方法提高了土壤機械組成測定方法的準確度以及分析效率，從經濟效益和技術效益方面，均有積極意義。