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土壤水稳性大团聚体测定方法综述

2011-05-12王秀颖高晓飞刘和平路炳军

中国水土保持科学 2011年3期
关键词:筛子常压风干

王秀颖,高晓飞,2†,刘和平,路炳军

(1.北京师范大学地理学与遥感科学学院,100875;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,100875;3.北京市水土保持工作总站,100038:北京)

1 土壤水稳性团聚体的意义及测定方法概述

土壤团聚体是指一组黏结在一起的多个基本土壤颗粒,这些土壤颗粒之间的黏结力比其与周围土壤颗粒的黏结力更强,是土壤的结构单位[1-3]。团聚体稳定性及其粒径分布是团聚体的2个重要特征[4],也是2个相互关联的概念[5]。前者是指土壤团聚体对于外来破坏性作用力的脆弱性的度量[4],影响着土壤的一系列物理性质,特别是入渗和土壤侵蚀[6-7];后者则决定土壤对风和水的搬运作用的敏感性,还影响着耕作土壤孔隙的大小,进而影响土壤入渗、产流、侵蚀及肥力状况[1]。从农学意义上讲,适于植物生长的良好结构主要依赖于直径为1~10 mm的水稳性团聚体,因为这种团聚体有利于调节通气、持水、养分的保持和释放[8]。

长期以来,人们设计了多种方法来分析团聚体粒径分布及其稳定性。团聚体粒径分布的分析方法主要有 W.S.Chepil[9]的旋转干筛法、根据 Stokes定律的沉降法[1]、L.D.Baver等[10]的水析法以及 R.E.Yoder[11]的湿筛法。团聚体稳定性的测定方法则更为繁多,T.M.McCalla[12]最早采用单滴水滴打击土样的方法(water-drop method)研究土壤团聚体的稳定性,此后多位学者对其进行了改进并得到了应用[13-17],以将土样击碎至小于某一粒径时所用的水滴数或经过一定数量水滴击打后仍大于某一粒径土样的量作为评价团聚体稳定性的指标。R.A.Young[18]则采用人工模拟降雨来分散风干土样。T.J.Marshall等[19]用摔碎法(drop-shatter method)研究风干土团聚体的稳定性,即让一定量的土样从一定高度自由下落到混凝土地板上,用摔碎后土样的中值粒径表示团聚体稳定性。这种方法试图为评价团聚体沿脆弱面分解成更小自然结构单位的趋势提供定量基础。E.L.Skidmore等[20]将直径12.7 ~19.1 mm的风干土样置于2平板间压碎,计算所做的功以及所得各粒径团聚体表面积总和,以每增加单位表面积所需的功来评价团聚体的稳定性。另有学者[14,21-25]利用超声波在水中分散土壤团聚体来测定其稳定性。

上述方法中,在土壤物理性质、侵蚀控制和耕作实践研究中应用较多的是Yoder湿筛法[26]。该方法是,取50 g风干土样放进6个直径13 cm、孔径分别为5、2、1、0.5、0.25 和 0.1 mm 的筛子组成的筛组,通过Yoder团聚体分析仪带动,以3.2 cm的振幅、30次/min的频率在水中筛分30 min,得到每个筛子上剩下的团聚体含量。大团聚体一般指粒径>0.25 mm的土壤团聚体[27],研究发现土样预湿方式和湿筛方式是影响水稳性大团聚体粒径分布和数量的2个重要因素,不同的方法所得结果差异很大,适用的研究目的也不同。

笔者主要对湿筛法团聚体稳定性及粒径分析中土样预处理及筛分方法进行综述,为土壤团聚体的粒径分布及水稳性分析提供参考。

2 土壤团聚体遇湿的破坏机制

Y.Le Bissonnais[28]总结了土壤团聚体遇水破坏的机制:1)崩解(slaking),由于干团聚体在快速湿润过程中其内部封闭的空气被压缩而产生微型爆炸,使团聚体破裂;2)差异膨胀(differential swelling),在土壤湿润过程中,黏粒、粉粒和砂粒膨胀程度不同,导致土壤产生微小裂隙;3)雨滴打击(raindrop impact),雨滴降落到地表时,不但起到湿润土壤的作用,它本身具有一定的动能,能够分散土壤团聚体;4)物理-化学分散(physico-chemical dispersion),是由于在土壤湿润过程中胶体颗粒间吸引力减小所致。

可见,Yoder湿筛法使用风干土样在湿润过程中,同时发生了崩解、差异膨胀和物理-化学分散等作用。这些分散作用的强烈程度与土样湿润速度和初始湿度有关,土样初始含水量越低、湿润速度越快,分散作用越剧烈。W.D.Kemper等[29]研究表明干热条件下土壤表面吸附N2和O2,若土样直接浸入水中湿润,N2和O2被置换出,并与土壤孔隙中原来存在的空气混合,被封闭在土壤孔隙中,使土壤孔隙内压力增大,破坏土壤团聚体。C.R.Panabokke等[30]让土样在不同土水势(pF为0.5~6.5)下达到平衡,得到不同的土壤湿度(1.5% ~47%),然后用Yoder的湿筛法分析团聚体稳定性。结果表明:湿筛前土样预湿至pF为1或2时团聚体稳定性最大,当土样直接预湿至pF小于1或2时其稳定性下降,而如果先预湿至pF=2然后继续预湿至更小的pF值下,再湿筛,此时团聚体稳定性下降的趋势即被排除,这说明快速湿润对土样的崩解作用最为强烈。S.D.Nijhawan等[31]利用从田间湿度至风干土等一系列不同湿度的土样进行的实验得到了类似的结果。但由于田间湿度不确定,会使测定结果变异较大或得到错误结论,故Yoder的风干土样法[11]仍广为使用。

考虑到在自然界,雨滴打击和径流冲刷也是土壤颗粒最常见的分散作用,L.De Leenheer等[32]则用具有与天然降雨雨滴相等动能的水滴打击各粒径的干土样,直至用水量达到田间持水量,以此模拟崩解作用。之后将土样在相对湿度98% ~100%、20℃的条件下放置24 h,然后将各粒径土样移入相应孔径的筛子,组成筛组进行湿筛,振动频率35次/min,振幅3.8 cm,振动5 min,以此模拟水流对土壤的分散作用。前苏联主要采用萨维诺夫(Н.И.Саввинов)法,即上下翻转沉降筒来分散土样,然后在水中进行筛分[33-34];然而,在振荡筛子与翻转沉降筒的过程中,土样与水流的相互作用与田间状况差异较大。

综上所述,采用风干土样,用湿润的方法来分散团聚体是实验室内简便易行、用途较广的方法。

3 团聚体分析方法

3.1 土样的粒径及用量

用湿筛法进行团聚体分析时,取样量有所差异(表1)。取样量及样品的粒径要求与实验目的有关。进行土壤团聚体粒径分布实验时,所用土样粒径多为1~8 mm,质量多为20~50 g;进行土壤团聚体水稳定性分析时,土样粒径一般小于2 mm,取样量则一般小于20 g。取样多少可能与筛子直径有关,筛子上装载的样品过多,会对分析结果会有严重影响,应均匀铺排[34]。

表1 不同研究者所用土样的粒径及质量Tab.1 Aggregates size and weight of soil samples used by different researchers

3.2 土样预湿润方法

表2给出了一些学者进行团聚体粒径分布和稳定性测定时所采用的湿润方法,可以看出,已有的湿润方法按湿润速度可分为快速湿润和慢速湿润,按土样所处的气压条件可分为常压湿润和高真空湿润。湿润的快慢和气压条件可以组合,得到4种湿润方法,即常压快速湿润、高真空快速湿润、常压慢速湿润和高真空慢速湿润。快速湿润主要有2种方式:一是将盛有土样的筛组直接浸入水中(如R.E.Yoder[11]采用的方法);二是先将盛有土样的筛组放入容器中,然后向容器中注水,使土样快速被淹没(如 W.D.Kemper[38]所介绍的方法)。慢速湿润的方法主要有气溶胶湿润法[43]、毛管湿润法[35,40]等。气溶胶湿润指利用超声波或其他技术产生水雾,使水雾与土样接触而将其缓慢湿润;毛管湿润指让土壤在一定张力下缓慢湿润。美国土壤学会(Soil Science Society of America)推荐了4种土样湿润方法[44]:常压快速湿润、高真空快速湿润、常压气溶胶湿润和毛管湿润,可依据不同的分析目的以及土壤团聚体的稳定性选择合适的方法。

许多研究者对不同湿润方法的适用性进行了比较。S.D.Nijhawan等[31]的实验结果表明喷雾湿润、毛管湿润和真空湿润能显著增加团聚体稳定性。E.L.Dickson等[40]研究了常压快速湿润(No Vacuum Fast Wetting,NVFW)、高真空快速湿润(High Vacuum Fast Wetting,HVFW)、常压慢速湿润(No Vacuum Slow Wetting,NVSW)和高真空慢速湿润(High Vacuum Slow Wetting,HVSW)4种土样预湿技术对团聚体水稳性测定的影响,结果表明:常压条件下,快速湿润的团聚体水稳性显著低于慢速湿润方法,真空条件下结果类似,但二者差别更小;快速湿润下,常压湿润的团聚体水稳性低于真空湿润,慢速湿润时常压和真空湿润的结果无显著差别;慢速湿润方法所测水稳性的变差系数(CV)多为0.5% ~1.9%,而快速湿润方法的变差系数多为2.1% ~7.0%,说明前者测定结果相对于其平均值的离散程度较小,即重复性较好;上述结果与封闭空气引起“团聚体爆炸(aggregate explosion)”的概念一致;作者认为如果需要减小封闭空气对测定结果的影响,常压慢速湿润法可满足要求,比起真空慢速湿润前者省时省力。W.D.Kemper等[2]指出,将土样直接浸入水中的湿润方式与田间灌溉时土壤表层的湿润过程相当,当研究洪水入渗或地表结皮的形成时,直接浸水湿润较为理想。另一方面,下层土壤是在一定张力下缓慢湿润的,团聚体破坏较小,所以土样在一定张力下湿润来模拟这种情形更为合适;真空湿润和张力湿润的测定结果密切相关,且前者更快、结果重复性更好。W.D.Kemper等[2]还指出团聚体粒径分析的目的常常是为了得到团聚体在土体中的存在状态,这就需要在湿润处理时尽可能减少破坏,因此建议采用气溶胶湿润或真空湿润。W.D.Kemper[38]建议如果土壤团聚体非常稳定,特别是含有大量游离氧化铁的土壤,真空湿润得到的团聚体水稳性达到100%,此时如果需要对不同土壤团稳性进行区分,可以增加分散力量,如在常压下快速湿润。R.J.Haynes[41]研究了田间湿度(张力 3 kPa,平衡24 h)、风干、风干后在张力仪(tension table)上慢速预湿(3 kPa,平衡24 h)或真空快速湿润等处理对湿筛法测定不同开垦年限土壤的团聚体稳定性的影响,结果表明随着耕作年限延长(土壤有机质含量降低),风干土张力湿润或真空湿润得到的平均质量粒径(mean weight diameter,MWD)无差别,风干土直接湿润所得MWD减小显著,说明用后者能够区分耕作年限(即有机质含量)对土壤团聚体的影响。在我国东北地区的研究[45]表明:慢速湿润对>1 mm的团聚体有明显保护作用;乙醇保护剂使>2 mm团聚体含量增加,2~1 mm的减少,<1 mm的无显著影响,指出黑土水稳性团聚体分析方法可采用慢速浸润、静置5 min、蒸馏水筛分、不添加乙醇保护剂。Y.Le Bissonnais[28]借鉴已有方法,提出了3种土样处理方法,以适应不同的土样和条件;这3种处理为快速湿润、慢速湿润、真空或乙醇湿润后机械振荡。这以方法得到了多名国内外学者[46-51]的应用。

表2 不同研究所采用的湿润方法Tab.2 Wetting methods used by different researchers

土样湿润后至湿筛前放置时间也值得注意,M.N.Wuddivira等[52-53]将土样浸入水中10 min后进行湿筛。M.B.Russell等[37]的实验表明 3、30、和 300 min的直接湿润预湿时间对分析结果影响不大。D.D.Evans[54]用细小喷水将风干土预湿至水分当量,分别保存5 min和24 h后湿筛,结果表明后者使土壤团聚体平均粒径显著增加,原因是团聚体内部软弱面的水化。可见土样预湿后,放置时间在一定范围内对结果影响不大,若过长可能会影响实验结果。

综上所述,采用单一的湿润方式不能适用于不同的研究目的以及土壤条件,因此,在进行团聚体粒径分布及稳定性分析时,应该同时采用不同的湿润方法,以得到关于土壤团聚体稳定性及粒径分布的更全面的信息。笔者建议采用常压快速湿润和另一种对土样破坏较小的湿润方法对土样进行处理。快速湿润为将土样放到筛组顶层,将筛组直接浸入水中,然后湿筛。另一种方法可以根据拥有的实验设备,采用常压毛管湿润、真空快速湿润或者真空毛管湿润。土样预湿后静置30 min左右进行湿筛,既保证土粒充分分散,又不会使其水化而再次结合。

3.3 湿筛方法的选择

R.E.Yoder[11]最早设计了湿筛装置,此后有人对该装置进行了多次改进[55-56]。筛子在水中运动时,可以始终保持全部筛子淹没于水中,也可以在最高点时底筛离开水面;运动方向有上下运动、水平移动或成45°角摆动,据一些研究者[34]分析,这些方法所得结果大致都很接近。上下运动的方式使用较多,各个研究者进行湿筛时采用的振荡频率、震荡幅度以及湿筛时间有一定差别(表3)。湿筛过程中水流对团聚体的破坏作用取决于水流与筛子的相对速度,即筛子振荡幅度和频率,表3最后一列给出了水流相对于筛子的速度,数据表明:进行粒径分布分析时,筛子振动速度为3.2~4.7 cm/s;进行水稳性分析时,部分学者采用的速度较快,为3.8~6.7 cm/s,与团聚体粒径分布分析采用的振荡速度相当,这说明人们虽然区分了团聚体稳定性和粒径分布2个概念,但实际测定时湿筛方法上并无区别,另一部分研究者采用的振动速度较慢,为0.3~2.5 cm/s。W.D.Kemper[38]指出,从某种意义上说,确定团聚体粒径分布就是确定团聚体稳定性。实际上,团聚体粒径分析和稳定性分析没有本质的区别,只是强调的重点不同:粒径分布指团聚体经过分散作用力后产生的团聚体颗粒的大小组成,用平均质量粒径或几何平均粒径(geometric mean diameter,GMD)表示[1],其计算公式[4]为:

式中:DMW和DGM分别为平均质量粒径和几何平均粒径;xi为某一粒径范围的平均值;wi为相应粒径范围所占比例。稳定性指一定分散作用力对一定粒径的团聚体颗粒产生的影响,可用分散后大于某一粒径的团聚体质量占样品总量的比例表示[38]。S.D.Nijhawan等[31]指出:湿筛能够将团聚体分成不同粒级,同时对团聚体也有一定磨蚀作用;他们建议团聚体分析中,应当控制筛分过程使其作用仅限于区分不同粒级的土壤颗粒,而不产生进一步的磨蚀作用。因此,对于团聚体粒径分布和水稳性分析,可根据目的选择一定的分散作用力,即预湿润方式,然后采用同样的湿筛方法来筛分,结果则用不同的指标表达。

M.B.Russell等[37]用 Iowa的4种黄土发育的粉壤分析了振荡时间(t)与团聚体稳定性(W,>0.25 mm水稳性团聚体含量)之间的关系,水筛振荡频率38 次/min,振幅 3.8 cm,振荡时间有 1、2、4、8、16、32和64 min;结果表明:W与t之间呈指数函数关系,他们建立了log W与log t之间的线性函数,若直接点绘W与t的散点图,则可看出,随着振荡时间的增加,团稳性先迅速减小,在8~16 min时,团稳性减小速率变慢,并逐渐趋于稳定。W.D.Kempe等[2]的湿筛法的实验表明,在湿筛过程中,最初3 min内团聚体迅速分散,之后分散量逐渐减小,而若筛子振荡频率或振幅增大,湿筛3 min之后的团聚体分散速率也很大。表3数据表明,M.B.Russell等[37]以及 W.D.Kemper等[2]的筛子振荡速度分别为4.8和1.5 cm/s,前者为后者的3倍多,前者对土样的破坏作用较大,故团聚体达到稳定所需湿筛时间较长。S.D.Nijhawan等[31]采用的湿筛振荡强度介于上述2研究之间,即频率35次/min,振幅2.1 cm,筛子速度2.5 cm/s,分析了粉黏壤和粉壤土的表土和心土团聚体水稳性,结果表明,湿筛2 h与30 min相比,团聚体的破坏程度仅略微增加。Y.Le Bissonnais[28]提出将湿润后的土样在乙醇中筛分的方法来减小进一步的破坏,但是乙醇的成本较高、操作比较繁琐;因此,在进行团聚体粒径及稳定性分析时,可采用筛子振荡速度为1.5~2.5 cm/s的振荡幅度及频率组合,振荡10~30 min,这样不至于振荡太剧烈而对团聚体破坏太剧烈,且团聚体分散也已趋于稳定。

表3 不同研究者所采用的湿筛方法Tab.3 Wet sieving methods used by different researchers

3.4 筛目的选择

通常以粒径0.25 mm将土壤团聚体分为大团聚体和微团聚体[27,57],因此,要将大团聚体和微团聚体分开,需首先选用0.25 mm孔径的筛子。对于>0.25 mm的团聚体,若要继续分为若干粒径,则可以根据实验目的选择具体筛目;对于>0.1 mm的微团聚体,也可进行筛分,对于更细(<0.1 mm)的土粒,容易堵塞筛孔,影响测定结果的准确型,故用吸管法[33]。R.E.Yoder[11]进行团聚体粒径分析时,所选用的筛组孔径为 5、2、1、0.5、0.25 和 0.1 mm;P.Sarah等[58]研究耶路撒冷地区土壤团聚体的平均质量粒径时,采用了 7、6、4.7、4、3、2、1、0.5 和0.25 mm共9个孔径的筛子;I.Stavi等[27]在 P.Sarah 等[58]的基础上增加了 8、0.125 和 0.062 mm 3个孔径;C.Legout等[59]则采用 2、1 和 0.5 mm 孔径的筛子,<0.5 mm的用激光粒度仪测定。W.D.Kemper等[1]认为,利用式(1)计算平均质量粒径时,选用2、1、0.5和0.2 mm的筛子会使计算结果偏高,而采用4.76、2、1和0.21 mm的筛子结果较好,区别在于后者孔径范围更宽。

进行团聚体稳定性分析时,一般采用1个孔径的筛子即可,W.D.Kemper[38]、W.D.Kemper等[2]、F.Candan 等[42]以及 M.N.Wuddivira 等[52-53]均选用0.25 mm孔径的筛子,用>0.25 mm团聚体含量作为团聚体稳定性指标。F.Candan等[42]认为>0.25 mm的团聚体对土地利用和管理的变化最为敏感。H.Cotler等[60]则同时计算了 >0.25、>0.5、>1、>2和>4.75 mm等各粒径的比例,来衡量团聚体稳定性。

4 结论

通过对水稳性团聚体粒径分布及稳定性的测定方法进行总结,发现,湿筛法是目前最流行、也是最经典的方法。湿筛法的过程实际上是先用一定的作用力将土壤团聚体分散,然后用筛分的方法将各粒级区分开。土样在湿润过程中,同时发生了崩解、差异膨胀和物理-化学分散作用。崩解作用的强烈程度与土样初始湿度和湿润速度有关,土样初始含水量越少、湿润速度越快,崩解作用越剧烈。已有的湿润方法按湿润速度可分为快速湿润和慢速湿润,按土样所处的气压条件可分为常压湿润和高真空湿润。常压快速湿润过程中,土壤内部封闭的空气被压缩,产生微型爆炸,对团聚体破坏较大,慢速湿润和真空湿润减小了对团聚体的破坏,使团聚体稳定性显著增大。采用单一的湿润方式不能适用于不同的研究目的及土壤条件,为了更全面地了解土壤团聚体稳定性及粒径分布特征,可同时采用常压快速湿润和常压慢速湿润(或真空湿润)2种方式对土样进行预湿。湿筛过程中振动速度不能太快,以免对团聚体造成破坏。筛目可以根据实验目的选择。

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