用激光法和吸管法测定东北黑土区侵蚀泥沙颗粒组成的差异分析

王大安， 刘刚， 王翔鹰， 张帅

(北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，地理学与遥感科学学院，100875，北京)



用激光法和吸管法测定东北黑土区侵蚀泥沙颗粒组成的差异分析

王大安， 刘刚†， 王翔鹰， 张帅

(北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，地理学与遥感科学学院，100875，北京)

摘要：吸管法是测定颗粒组成的经典方法，激光法作为一种新兴的方法，近年被广泛应用于土壤和河流泥沙颗粒组成的分析中，并逐步应用到侵蚀泥沙粒径分析。为获取激光法与吸管法测定侵蚀泥沙特性指标和不同粒径的差异以及二者之间的转换关系，对18个黑土区侵蚀泥沙样品颗粒组成进行了测定和分析。采用中值粒径D50和平均质量直径MWD进行侵蚀泥沙样品特性分析，激光法比吸管法测定结果明显偏低；但2种方法测定D50和MWD具有很好的线性转换关系(R>0.9，P<0.001)。激光法测定的砂粒和黏粒质量分数低于吸管法测定值，测定粉粒质量分数明显高于吸管法测定值。测得砂粒、粉粒和黏粒含量在2种方法间，均具有很好的线性转换关系(R>0.8，P<0.001)。进一步细分泥沙颗粒为大于中砂、细砂、极细砂、粗粉和细粉这5个粒级时，2种方法间除极细砂(R=0.764，P<0.001)外，其余粒级均具有很好的线性转换关系(R>0.8，P<0.001)。

关键词：侵蚀泥沙粒径分布； 吸管法； 激光法； 转换模型

土壤颗粒组成是土壤物理性质的重要指标之一[1-2]，也是侵蚀泥沙养分富集研究的重要参数[3-5]。测定土壤颗粒组成的方法主要有筛分法、静水沉降法、吸管法和比重计法。其中，吸管法作为沉降法中最经典的方法，在20世纪90年代以前的粒度测量中被普遍使用[6]，目前多用于校准其他测量方法。其优点是对实验条件要求低，简单易行，缺点是需要样品量大、测量时间长、受环境温度影响大。激光粒度仪作为一种测定颗粒组成的新兴仪器，近年来，在土壤和泥沙颗粒组成测定中得到了广泛应用[7-12]，该方法能够很好地克服吸管法测量速度慢、单个样品需要量大的缺点；但诸多研究表明，激光法与吸管法在测定土壤和泥沙颗粒组成时存在明显差异，使用激光法测定某种土壤颗粒组成时，需要与其他测定方法建立转换模型[1,7-8,13-16]。为了使激光法能够更好地应用于颗粒组成分析上，针对2种方法不同粒级之间的转换关系开展了很多研究。国外研究大多认为2种方法在黏粒粒级间，具有很好的线性转换关系[17-19]，而对于砂粒和粉粒部分，L. Beuselinck等[17]通过86个土样的测定，得出了很好的线性转换关系，但J. Eshel等.[19]通过研究认为，2种测定方法在粉粒和砂粒间没有固定的转换关系。在国内，针对多种土壤类型，杨金玲等[1]对全国6个主要土纲265个土壤样品，利用2种方法测定了砂粒、粉粒和黏粒含量，发现3种粒级在2种方法间均存在很好的线性转换关系，对粒级进一步的分类研究，发现2种方法在多个粒径上均具有较好的关系。王成燕等[20]对内蒙古地区7种土壤类型42个土壤样本进行2种方法的测定，吴焕焕等[21]利用全国15个省份20种不同土壤类型进行测定，2种方法间在砂粒、粉粒和黏粒间都建立了较好的线性转换关系。另外，我国针对单一土壤类型2种方法间砂粒、粉粒和黏粒的转换关系研究也很多，其中，刘涛等[22]对北京周边的褐土进行了测定，王彬等[23]对东北地区的黑土进行了测定，杨艳芳等[24]对江西林地富铁土进行了测定，这些研究都建立了2种方法的线性回归模型。而在2种方法间，关于泥沙颗粒组成测定差异方面，我国的研究主要集中于河流泥沙方面，并得出了一些2种测定方法间，河流泥沙特征指标的转化模型[25-27]。

尽管2种测定颗粒组成的方法在土壤方面已经做了大量研究，但关于泥沙方面的研究较少，而侵蚀泥沙因收集困难，很难满足2种方法要求的样品质量，难以构建2种测定方法之间的转化关系。此外，目前多数2种方法转换关系的研究都主要集中于砂粒、粉粒和黏粒，相对而言，关于更进一步的粒级分类及泥沙特性指标之间的研究较少。本研究试图通过对侵蚀泥沙多粒级的2种测定方法间的差异研究，建立二者间的线性转换关系，使激光法与吸管法测定的数据接轨，推动激光法在侵蚀泥沙颗粒测定中的应用。

1材料与方法

1.1样品的采集与处理

图1　激光法和吸管法测定泥沙级配图Fig.1　Distribution curve of sediment size by laser method and pipette method of 18 samples

本研究共选取了2013年4月13—30日，春季融雪期间的18个侵蚀泥沙样品。样品取自鹤北2号小流域[28]，流域地处小兴安岭南麓，行政区划隶属于黑龙江省黑河市嫩江县，由黑龙江省农垦总局九三分局鹤山农场管辖，流域出口位于E 125°18′15″、N 49°0′24″。泥沙样品的前期处理为：泥沙样品静置24 h后，移除上清液，烘箱105～110 ℃烘干，然后过2 mm筛，用感量0.01 g电子天平，称取10 g左右泥沙样品，放入500 mL锥形瓶中，用30%双氧水除去有机质，过量双氧水采用加热法排除。将泥沙样品放入500 mL锥形瓶中，先加300 mL左右蒸馏水，再加入10 mL浓度为0.5 mol/L的NaOH，摇动使其充分混合，静置12 h，电热板加热至沸腾，持续1 h，然后冷却至室温备用。

1.2吸管法

在吸液之前，首先利用0.25 mm和0.1 mm的筛子，对预处理的泥沙样品利进行筛分，将<0.1 mm样品悬浊液转移至1 000 mL量筒中，并定容至1 000 mL，测定量筒内水温至稳定，依量筒内的水温，按照Stokes定律，计算不同粒级的吸液时间。参考南京土壤研究所《土壤物理性质测定法》进行吸液。>0.25 mm的颗粒及0.25～0.1 mm的颗粒洗入蒸发皿，烘干称量。

1.3激光法

泥沙样品烘干过2 mm筛后，称取1 g左右，用30%双氧水去除有机质，然后加入2 mL的NaOH进行分散，后冷却至室温备用。研究中使用激光粒度仪型号为S3500，美国Microtrac公司生产，颗粒测量范围0.021 5～2 000 μm。使用时依次打开仪器和控制电脑，实验前先控制仪器清洗管路，使仪器处于加样状态。实验时充分摇匀泥沙悬浊液，用取样匙取大约0.4 mL悬浊液，加入到仪器的样品池中，运行自动检测程序，开始测定。每个样品测定3次，最后统一导出数据。

1.4数据处理

数据统计分析采用SPSS18.0，将2种方法测得的数据，依据粒径进行线性回归分析，并采用Origin 8.1绘制转换关系图等。

2结果与讨论

2.1激光法与吸管法测定泥沙特性分析

图1分别是激光法(体积分数)与吸管法(质量分数)，对18个泥沙试验样品的粒度级配曲线。2种测定方法的级配趋势较为一致，单次级配之间差异较小，级配之间交叉分布现象也较少。通过多线趋势可以看出，激光法在小粒径上测定结果低于吸管法测定结果，也就是说激光法测定泥沙结果明显偏粗，而且泥沙粒径越小偏差越大。与吸管法相比，激光法测定级配曲线较陡，泥沙粒径比较均匀，粒径大小相差不多，而吸管法测定级配曲线较缓，泥沙颗粒分布不均匀。

为了直观获得泥沙样品的粗细情况，选取中值粒径(D50)和平均质量直径(MWD)作为评价指标。针对这2个指标的统计结果见表1。2种方法测定的中值粒径和平均质量直径，均表现为激光法高于吸管法，且在所有被测样品中趋势一致。该结论与2种测定方法级配曲线中表现的结论一致，说明对于同一泥沙样品，激光法确实会使颗粒测定结果偏高。这一结论与已有的关于泥沙样品测定规律一致[25, 27]。

表1　激光法与吸管法测定泥沙D50和MWD的差异比较

注：a 吸管法测定结果-激光法测定结果；b 绝对差异值/吸管法测定结果×100%。下同。Note:“aAbsolute difference” indicates the value of the pipette method- one of the laser method. “bRelative difference” indicates the absolute difference/the value of the pipette method ×100%. The same as below.

与土壤样品相比，侵蚀泥沙样品的获取要困难许多，而侵蚀泥沙样品，如果要满足吸管法测定使用量就更加困难，如果能够确定二者之间的转换关系，就可以很好地解决这一问题。图2给出了激光法和吸管法测定中值粒径和平均质量直径的线性转换关系，2种方法实测的中值粒径和平均质量直径，均存在极显著正相关，且相关系数分别达到了0.960和0.999。

图2　激光法与吸管法测定D50和MWD转换关系Fig.2　Transformation relation for the D50 and MWD between laser method and pipette method

激光法和吸管法测定中值粒径和平均质量直径的线性转换模型如下。

1)中值粒径

yD50=1.609xD50-13.743，

(R=0.960，P<0.001，n=18)；

2)平均质量直径

yMWD=0.962xMWD-0.002，

(R=0.999，P<0.001,n=18)。

式中：yD50、yMWD分别为吸管法测定的中值粒径和平均质量直径；xD50、xMWD分别为激光法测定的中值粒径和平均质量直径。

2.2激光法与吸管法测定泥沙颗粒组成的差异分析

2.2.1砂粒、粉粒和黏粒的差异分析按照美国土壤质地分类制，将粒径分为砂粒(50～2 000 μm)、粉粒(2～50 μm)和黏粒(<2 μm)。由表2可以看出，激光法和吸管法对泥沙样品的颗粒组成分析，结果存在较大差异。砂粒含量在三者中的比例较小，与吸管法测定结果相比，激光法测得的砂粒体积分数均值低出2.6%，相对误差30.1%；测得粉粒体积分数均值高出34.1%，相对误差高达72.8%。激光法测定黏粒体积分数均值为10.9%，远低于吸管法测定的42.4%，相对误差达到75.5%。3种粒径的测定结果与已有的多数研究较为一致[1, 20-24, 29-31]，激光法与吸管法相比，在测定颗粒组成时，会低估黏粒体积分数，高估粉粒体积分数。而对于砂粒体积分数的测定与已有研究结论并不一致，既存在高估的结论[23]；也有低估的结论[21]；但多数研究认为，2种方法测定砂粒含量较为复杂[1, 20,24, 29]。

表2　激光法与吸管法测定泥沙颗粒组成的比较

以上结果显示，2种方法针对粉粒和黏粒测定的结果差异明显，造成这一现象的主要原因有不同方法间的测定原理差异和泥沙颗粒的不规则形状。基于Stokes定律的吸管法，在计算颗粒沉降速度时，以颗粒的当量直径为标准，将所有颗粒假定为实心球体。而激光法是按照Fraunhofer衍射理论和Mie散射理论测定颗粒的横截面，以计算其当量直径。大部分砂粒和粉粒的形状都接近球形，2种方法测定差异不大，而黏粒部分主要是伊利石、蒙脱石和高岭石[1]，这些扁平状的颗粒被当作球状进行测定时，会导致2种方法测定结果出现很大差异。激光法将各个方向测定的平均横截面尺寸作为颗粒的平均直径，其数值要大于同体积的球形颗粒直径[1]。对于吸管法测定的部分黏粒，就会被激光法测定为粉粒；因此，在黏粒含量较高的土壤或泥沙样品中，与吸管法相比，激光法就会出现高估粉粒体积分数，而低估黏粒体积分数的结果。

除以上主要原因以外，可能还存在因激光法测定的体积分数与吸管法测定的质量分数之间的差异：激光法测定颗粒范围限制，当颗粒粒径小于可测范围时，激光法无法测定，而吸管法则无最小粒径限制；吸管法测定黏粒时，使用烘干法测定其质量，由于强吸湿水的存在，可能导致黏粒质量分数偏高[23, 29]。为进一步分析2种测定方法之间的差异，以及砂粒含量差异的规律，对粉粒和砂粒依据美国土壤分类制做进一步分类后，再次进行分析。

2.2.2细化粒级分类后各粒级的差异分析针对前文所述问题，对砂粒和粉粒进行进一步的分类，细化粒级分类，各粒级进行对比后发现(表3)：砂粒部分，细砂及大于细砂的粒径含量均较小，尽管2种方法相对差异较大；但由于基数较小，使其并不具有代表性，而在极细砂这一粒级，激光法测定的结果与吸管法相比，存在明显地低估，相对差异到达43.3%，且各样品激光法测定结果均低于吸管法测定结果。粉粒部分，粗粉和细粉的测定结果差异较大，细粉含量均值相对差异达到100%，粗粉则为-0.3%，激光法测定细粉体积分数时，各样品均出现了明显的高估，而针对粗粉含量，2种测定方法间无明显规律，且差异较小。2种方法测定黏粒含量差异较为一致，激光法测定结果高于吸管法，且各样品均表现出一致性的偏差。

总体来说，与吸管法相比激光法测得细粉含量平均值高出34.1%，而粗粉含量均值相差0.1%。说明激光法主要高估了粉粒中的细粉含量，而这一结论与2种测量方法原理及黏粒颗粒特性相一致。激光法测定的部分黏粒平均粒径偏高，被认定为细粉含量，从而造成粉粒含量高估，而黏粒含量低估。而对于砂粒部分，极细砂、细砂及中砂以上3个粒级结果并不一致。之所以表现出激光法高估了砂粒含量，是因为极细砂含量大于细砂和中砂含量，而与吸管法相比，激光法测定的极细砂表现出明显的高估。

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2.3激光法与吸管法测定泥沙颗粒组成转换关系

利用激光法和吸管法测得各级颗粒粒径含量建立泥沙颗粒转换模型，激光法测得体积分数作为自变量。结果(图3)显示：2种方法实测的砂粒、粉粒和黏粒含量均呈极显著性正相关，2种方法之间存在较好的线性转换关系，相关系数分别达到了0.965、0.897和0.918。对于3种粒级建立激光法和吸管法的线性转换模型如下：

1)砂粒：ysand=0.864xsand+3.844，

(R=0.965，P<0.001，n=18)；

2)粉粒：ysilt=0.725xsilt-11.858，

(R=0.897，P<0.001,n=18)；

表3　激光法与吸管法测定泥沙颗粒组成多粒级比较

图3　激光法与吸管法测定砂粒、粉粒和黏粒质量分数关系Fig.3　Transformation relation for the sand silt and clay between laser method and pipette method

图4　激光法与吸管法测定多粒级砂粒含量关系Fig.4　Transformation relation for multi-size sand between laser method and pipette method

3)黏粒：yclay=0.879xclay+32.772，

(R=0.918，P<0.001,n=18)。

式中：ysand,ysilt,yclay分别为吸管法测定的砂粒、粉粒和黏粒的质量分数，%；xsand,xsilt,xclay分别为激光法测定的砂粒、粉粒和黏粒的体积分数，%。

目前多数研究都建立了关于砂粒、粉粒和黏粒的线性转换关系[20-22, 24]，但是对于粒级进一步划分的转换关系研究较少[1]。本研究分别对2种方法测定的中砂以上粒级、细砂、极细砂、粗粉和细粉5个粒级进行进一步研究，发现2种方法实测的5个粒级质量分数，均呈现极显著性正相关(图4、图5)，2种方法之间的相关系数，除极细砂为0.764外，其余4个粒级均高于0.8。

图5　激光法与吸管法测定粗粉和细粉含量关系Fig.5　Transformation relation for coarse silt and fine silt between laser method and pipette method

砂粒的3个粒级，建立2种方法间的线性转换模型如下。

1)大于中砂：y1=0.948x1+0.092，

(R=0.996，P<0.001，n=18)；

2)细砂：y2=0.943x2-0.234，

(R=0.912，P<0.001,n=18)；

3)极细砂：y3=0.699x3+4.436，

(R=0.764，P<0.001,n=18)。

式中：y1,y2,y3分别为吸管法测定的大于中砂、细砂和极细砂的质量分数，%；x1,x2,x3分别为激光法测定的大于中砂、细砂和极细砂所对应的体积分数，%。

粉粒的2种粒级建立激光法和吸管法的线性转换模型如下。

1)粗粉：y4=0.730x4+3.407，

(R=0.924，P<0.001，n=18)；

2)细粉：y5=0.517x5-1.088，

(R=0.896，P<0.001,n=18)；

式中：y4,y5分别为吸管法测定的粗粉和细粉的质量分数，%；x4、x5分别为激光法测定的粗粉和细粉所对应的体积分数，%。

与其他线性转换模型相比，本研究能够获得多种粒级的转换模型，但形式差别较大。其原因主要是本研究所用样品为泥沙样品，而目前多数研究采用的是土壤样品，此外，实验所用的样品土壤类型、激光粒度仪型号及样品处理方式也不尽相同，这些因素都有可能导致所获得的线性转换模型形式的差异。

3结论

1)采用D50和MWD进行侵蚀泥沙样品特性分析，激光法测定结果明显偏高；但2种方法间具有很好的线性转换关系(R>0.9，P<0.001)。

2)激光法测得的砂粒和黏粒含量低于吸管法，粉粒含量高于吸管法。对粉粒进一步细化，发现激光法高估了细粉质量分数，而粗粉含量与吸管法测定结果差异不大。

3)侵蚀泥沙的砂粒、粉粒和黏粒在2种方法间，均表现出很好的线性转换关系(R>0.8，P<0.001)。进一步分为大于中砂、细砂、极细砂、粗粉和细粉这5个粒级时，2种方法间除极细砂(R=0.764，P<0.001)外，其余粒级同样具有很好的线性转换关系(R>0.8，P<0.001)。

4)激光法作为一种快捷测定泥沙样品颗粒组成的方法，可以用于侵蚀泥沙样品测定，与吸管法相比，2种方法测定不同粒级和泥沙特征值间，具有很好的线性转换关系；但不同土壤类型下的侵蚀泥沙以及不同型号激光粒度仪的使用，是否会对测定结果及转换模型造成影响，还需进行更为深入的研究。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Comparative study on particle size distribution of eroded sediment by laser method and pipette method in black soil region of Northeast China

Wang Da′an, Liu Gang, Wang Xiangying, Zhang Shuai

(State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, School of Geography, Beijing Normal University, 100875, Beijing, China)

Abstract:[Background] Soil particle size distribution (PSD) is one of the important indicators of soil physical properties, is also a key parameter in erosion and sediment nutrient enrichment research. In recent years, as a relatively new method of measuring particle size distribution(PSD)compared to the classical method of the pipette method, the laser method has been widely applied to the PSD of soil and river sediment, and gradually applied to the PSD of eroded sediment. [Methods] In order to obtain the differences and transformation relations between the PSDs determined by the two methods in the Black Soil Region, 18 eroded sediment samples of a small watershed during the snow melting were measured and analyzed by the laser method and pipette method. In the present study, the S3500 manufactured by the US Microtrac company were used for measuring the samples of laser method. [Results] Results showed that the D50 (Median Diameter) and MWD (Mean Weight Diameter) using the laser method were obviously higher than those using the pipette method, which was consistent with the conclusion of the sediment size distribution curve. Although the D50 and MWD measured by two methods varied widely, significant relationships were found between the two methods for the D50 and MWD: yD50=1.609xD50-13.743(R=0.960, P<0.001), yMWD=0.962xMWD-0.002 (R=0.999, P<0.001). The PSD was analyzed according to the US soil texture classification system. The sand and clay contents using the laser method was under-estimated by 2.6% and 31.5% respectively compared to that using the pipette method, while the silt content of the laser method was over-estimated by 34.1% compared to that of the pipette method. However, significant linear transformation relationships were observed between the laser method and the pipette method for the clay content, silt content and sand content of the eroded sediment: ysand=0.864xsand+3.844 (R=0.965, P<0.001), ysilt=0.725xsilt-11.858(R=0.897, P<0.001 8), yclay=0.879xclay+32.772(R=0.918, P<0.001). According to the US soil texture classification, the sand content was further classified into the above medium, fine and very fine, while the silt content into the coarse and fine. The laser method obviously caused the over-estimation of the content of the fine silt by 34.1%, while there were not significant differences between the two methods for the other four contents. There were significant linear transformation relationships between the two methods for the above medium sand: y1=0.948x1+0.092 (R=0.996, P<0.001), fine sand: y2=0.943x2-0.234 (R=0.912, P<0.001), coarse silt: y4=0.730x4+3.407 (R=0.924, P<0.001), and fine silt: y5=0.517x5-1.088(R=0.896, P<0.001), except the very fine sand: y3=0.699x3+4.436 (R=0.764, P<0.001). [Conclusions] The laser method cannot be used for directly measuring the PSD of eroded sediment, as obvious difference existed between two methods. However, significant linear transformation relationships for each grade were observed between two methods, thus the laser method can be effectively used to measure the PSD of eroded sediment, which can save our time when it comes to sedimentation, pipet samplers, drying and so on.

Keywords:particle size distribution of eroded sediment; pipette method; laser method; transform model

收稿日期：2015-06-25修回日期： 2016-01-13

第一作者简介：王大安(1987—)，男，博士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail:wangdaan871106@163.com †通信 刘刚(1978—)，男，实验师，博士。主要研究方向：土壤侵蚀与土壤侵蚀影响生产力模拟。E-mail：liugang@bnu.edu.cn

中图分类号：S152

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2016)01-0114-09

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.014

项目名称： 国家自然科学基金“东北黑土区坡面至小流域尺度积雪与融雪过程研究”(41301280)；地表过程与资源生态国家重点实验室自由探索项目“东北黑土区融雪侵蚀过程与机理研究”(2013-ZY-08)