搅拌仪在土壤机械组成测定中的应用

李朝英　郑路

摘要 为了提高土壤机械组成测定精度，降低劳动强度，本文使用比重法对搅拌仪处理的土壤进行了土壤机械组成测定，同时与人工搅拌的测定结果进行比较。结果表明，搅拌仪摇臂长度根据最佳搅拌行程确定，搅拌行程一致且搅拌充分；摇臂转速调整为1周/2 s，上下搅拌30次/min，搅拌速度均匀一致，符合国标要求；2种搅拌方式所测土壤中黏粒和粉砂粒含量无显著差异，砂粒含量有显著差异。搅拌仪操作方便，一次可同时搅拌多个样品，工作强度降低，检测准确高效，可用于批量土壤样品的机械组成检测分析。

关键词 土壤机械组成；比重法；搅拌仪；人工搅拌

中图分类号 S152.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）20-0171-02

Abstract To improve the precision and reduce the labor intensity，a stirrer was made which was used for the determination of soil mechanical composition.The determination of the stirrer and manual stirring were compared by the gravity method.The results showed that the arm length of the stirrer was determined according to the optimal stirring schedule，so as to ensure consistent stirring stroke；the speed of the arm was adjusted to 1 ring/2 s，stirring up and down 30 times/min，the stirring speed was uniform and the particles were dispersed fully，which met the requirements of the national standard；there was no significant differences between the content of the clay grains and the particles in the two stirring ways，and the content of sand grains was significant.The stirrer was easy to operate，could be stirred multiple samples at the same time，reduced work intensity，was accuracy and efficiency，and could be used for bulk samples detection of mechanical composition.

Key words soil mechanical composition；gravity method；stirrer；manual stirring

土壤机械组成分析是土壤质地评价的依据，反映了土壤颗粒与空气、水分界面间复杂的物理、化学和生物反应过程，以及能量和物质的交换情况，对研究土壤结构与肥力有重要意义[1-2]。土壤机械组成主要测定方法有比重法和吸管法，这2种方法均要求土壤悬液搅拌后测定，国标及林业行标明确要求在液面下3～5 cm处至筒底之间上下搅拌悬液30次/min。搅拌使悬液中颗粒均匀分散后，利用Stoke′s定律对不同粒径颗粒的沉降时间、深度、速度等进行计算与测定[3-5]。国内实验室多依靠人工搅拌，搅拌速度、行程及次数不易控制，且人工搅拌劳动强度大、检测效率低。目前，有关搅拌改进的研究未见报导，人工搅拌对测定结果的影响未见讨论分析。因此，本文使用比重法对经搅拌仪与人工搅拌处理的土壤进行了土壤机械组成测定，以期为准确高效地测定土壤机械组成提供参考[6]。

1 材料与方法

1.1 试验样品

5个土壤样品于2016年10月采集于广西友谊关森林生态系统国家定位观测站设置在中國林业科学研究院热带林业实验中伏波实验场的人工林样地。样品风干、研磨、过10目筛，装入有标识的聚丙烯塑料袋中，密封保存于阴凉处。

1.2 试验仪器与试剂

1.2.1 搅拌仪构造及原理。由图1可知，搅拌仪设有电机及皮带轮；皮带轮联接减速器，驱动摇杆转动，连杆一端与摇杆联接，一端与滑台联接；滑台两侧设有滑轮，滑轮内侧设有滑杆导轨，滑轮顺着滑杆可上下滑动；滑台上设有多个圆管，搅拌棒穿过圆管，圆管中间开有圆孔，卡箍穿过圆孔左右旋转即可卡紧或松开搅拌棒，从而调整搅拌棒位置，搅拌棒底端设有圆片。

搅拌棒圆片上行不出液面，至液面下3～5 cm处，可避免液面产生泡沫，减小对测定结果的影响；圆片下行沉降筒底，利于带动土壤大颗粒充分分散。因此，通过公式S圆片运动行程=（D悬液深度-3 cm）=2×L摇杆长度，L摇杆长度=（D悬液深度-3 cm）/2确定摇杆长度，从而保证搅拌行程一致、颗粒分散均匀。国标要求上下搅拌30次/min，通过皮带轮、减速器减速，将摇杆转速调整至1周/2 s。摇杆转1周，通过连杆带动滑台沿滑杆、搅拌棒圆片完成搅拌。摇杆从最低点转到最高点，搅拌棒圆片从最低点向最高点运动，对悬液颗粒完成从下向上的1次搅拌，用时1 s；摇杆从最高点转到最低点，搅拌棒圆片从最高点到最低点运动，对悬液颗粒完成从上向下的1次搅拌，用时1 s。因此，搅拌仪每2 s完成上下1次搅拌，搅拌速度均匀一致，搅拌行程最优化，符合国标要求。

1.2.2 其他仪器。甲种密度计、1 L沉降筒、搅拌棒、振荡机。

1.2.3 试验试剂。80 g/L氢氧化钠、乙醇。

1.3 试验方法

称取50.00 g土壤样品装入250 mL塑料瓶中，每个样品共称2份。加入80 g/L氢氧化钠溶液50 mL振荡30 min，土壤悬浊液倒于60目筛上，用蒸馏水冲洗至筛上颗粒无泥。将洗净的颗粒放入105 ℃烘箱，4 h后称重。土壤颗粒清洗液倒入1 L沉降筒中，定容至1 L。1份人工上下攪拌30次/min，搅拌后30 s、270 s、8 h时放入比重计测定并记录；1份以搅拌仪搅拌30次/min，搅拌后30 s、270 s、8 h时放入比重计测定并记录。上述处理重复4次。

2 结果与分析

2.1 不同搅拌方法对土壤机械组成测定结果的影响

由表1可知，搅拌仪处理后，土壤中黏粒、粉砂粒含量的变异系数（CV）小于6%，砂粒含量CV在4.13%～19.70%之间；人工搅拌处理后，土壤中黏粒、粉砂粒含量CV小于8%，砂粒含量CV在4.44%～24.40%之间。上述结果表明，搅拌仪搅拌后，土壤机械组成测定的精密度高于人工搅拌。

2种搅拌方法处理后，所测土壤颗粒含量的CV均呈以下规律：砂粒含量的CV最大，粉砂粒次之，黏粒最小。这是因为砂粒、粉砂粒、黏粒的粒径依次减小，大颗粒沉降速度快，其分布均匀性及测定准确性易受搅拌因素影响。人工搅拌所测大小颗粒含量的精密度均低于搅拌仪，说明搅拌仪搅拌的悬液颗粒均匀性优于人工搅拌，因而搅拌仪测定结果误差小于人工搅拌。

由表1还可知，搅拌仪与人工搅拌所测黏粒及粉砂粒含量无显著性差异，砂粒含量有显著性差异。由于样品1砂粒含量偏低，基数较小，人为误差表现明显，故2种搅拌方式所测结果有显著性差异。

2.2 不同搅拌方法土壤机械组成测定结果的线性关系及决定系数R2

由表2可知，2种不同搅拌方法所测黏粒、粉砂粒含量的线性关系良好，R2>0.990；砂粒的R2<0.990。2种搅拌方法所测砂粒含量的差异较大，即大颗粒的测定误差大于小颗粒的测定误差，与2.1结果一致。

2.3 搅拌仪与人工搅拌的差异

由表3可知，搅拌仪根据检测要求设计摇臂长度及转速，搅拌行程恒定且最优，搅拌次数精准，搅拌速度均匀。根据试验需要，在滑台可安装多个搅拌棒，同时搅拌多个样品，可降低人员工作强度，提高检测效率，适宜批量样品的检测分析。人工搅拌只能靠人员感觉控制搅拌行程及搅拌速度，圆片上行位置因悬液浑浊而不易保证搅拌行程一致，搅拌速度因人为不确定性因素而不易保持均匀。搅拌仪模仿人工搅拌，所测结果精密度高于人工搅拌，搅拌效果优于人工搅拌，而且能代替人工搅拌用于检测分析。

3 结论与讨论

人工搅拌的行程、速度及次数方面难以达到国标和行标的严格要求，影响颗粒分布的均匀性。人工搅拌工作强度大，检测效率低。本文使用的搅拌仪结合检测要求进行设计，搅拌行程、速度及次数完全符合国标和林业行标要求，土壤悬液中的颗粒分布均匀，可达到最佳测定状态，所测结果的精密度高于人工搅拌。搅拌仪代替人工搅拌，降低劳动强度，提高检测效率，适用于批量土壤样品机械组成的检测分析。

以往资料对土壤机械组成的测定误差多认为是读数不准确、比重计未校准等造成的，未见人工搅拌对测定结果的影响及改进搅拌方法的讨论。试验结果表明，搅拌仪搅拌效果优于人工搅拌，有利于提高土壤机械组成测定的精密度。粒径较大的砂粒沉降快，其分散均匀性易受影响，测定结果误差偏大。试验所采用的比重法简单快捷，但存在一定局限性，如比重计最小刻度值为1，即使在颗粒分布均匀的情况下也难以精准读数，低含量颗粒误差明显。悬液经搅拌仪搅拌后，以吸管法更有利于提高土壤机械组成测定的精确度。

4 参考文献

[1] 依艳丽.土壤物理研究法[M].北京：北京大学出版社，2009.

[2] 邵明安，王全九，黄明斌.土壤物理学[M].北京：高等教育出版社，2006：11.

[3] 李兴林，李福春.用沉降法和激光法测定土壤粒度对比研究[J].土壤，2011，43（1）：130-134.

[4] 国家林业局.森林土壤颗粒组成（机械组成）的测定：LY/T 1225-1999[S].北京：中国标准局，1999.

[5] 李朝英，郑路.土壤颗粒悬液搅拌对土壤质地分析的影响[J].水土保持通报，2017（6）：256-260.

[6] 李朝英，郑路，卢立华.一种用于土壤机械组成检测的搅拌仪：中国，ZL 201410115986.7[P].2016-03-30.