基于不同前处理方法的土壤粒度测试及其环境指示意义分析——以共和盆地草甸土与荒漠土为例

先巴吉，鄂崇毅，许乃军

(1.青海师范大学青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008；2.青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室，青海 西宁 810001；3.青海可鲁克湖托素湖省级自然保护区服务中心，青海 德令哈 817000)

引言

土壤粒度组成是土壤物理的重要特征，对土壤含水量、肥力等具有重要影响。此外，粒度分析作为黄土-古土壤、古环境、古气候研究的一种重要手段在第四纪环境研究中得到广泛应用[1-5]。但由于土壤学与古环境研究所关注内容不同，前处理方法不尽相同。第四纪研究更多地侧重于对原始风尘输入特征的恢复，故采取较为彻底的前处理方法，例如：鹿化煜等人采用去除有机质和碳酸盐的方法[6-8]，获取粒度结果。土壤研究中则采用湿筛-吸管法、筛析法、扫描电镜等方法来测定土壤粒度的组成[9]，在土壤前处理过程中，由于土壤有机质、碳酸盐等均是土壤重要的固体成分，共同构成了土壤的骨架，因此，其粒度特征具有重要指示意义。鉴于青藏高原土壤对区域生态安全和可持续发展具有重要现实意义，研究该区土壤粒度特征是了解土壤形成发育的重要基础。基于不同的前处理方法对不同类型土壤进行粒度分析，获取不同前处理方法下的土壤环境指示意义对于理解该区土壤发育过程意义重大。文章以共和盆地草甸土与荒漠土为例，采用多种前处理方法分析土壤粒度组成特征，并探讨其成土意义。

1 研究区及样品概况

YQ剖面(35°42' N,100°16' E，海拔2999.7 m)位于共和盆地西南边缘的河卡山前，为荒漠土壤，剖面顶部植被为芨芨草，YQ剖面环境指标散样以5 cm间隔共采样350个，其中6个用于前处理分析。LGR(36°14' N，101°12'E，海拔3565 m)剖面正对北方，位于野牛山山麓的冲积扇上，整个剖面高2.8 m，自上而下以2 cm为间隔采集散样140个，其中4个用于前处理分析。剖面位置见图1。

图1 共和盆地研究区概况图

2 实验方法、原理

选样：YQ和LGR剖面的样品自然风干，分别混合均匀后过筛20目(0.9 mm)，采用四分法取样0.3～0.5 g至小烧杯中。每个不同深度的样品各取4个小烧杯，共测量了40样次。

方法1：每个不同深度的样品各选1个小烧杯为原样，加入10 ml浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠分散剂(NaPO3)6，上机测量。

方法2：每个不同深度的样品各选1个小烧杯去除有机质，其中3个样品加入10ml浓度为10%的H2O2，先置于90 ℃加热板上反应1h，之后调到150 ℃加热板上放置5h使其充分反应去除有机质，加热过程中适当地加蒸馏水稀释过剩的H2O2，防止样品变干，5h过后将烧杯注满蒸馏水静置1夜。抽取上清液，注入10 ml浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠分散剂(NaPO3)6，上机测量。剩余的7个样品加入10 ml浓度为10%的H2O2，放置1星期反应，每隔1d搅拌1次，1星期过后将烧杯注满蒸馏水静置1夜。抽取上清液，注入10 ml浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠分散剂(NaPO3)6，上机测量。

方法3：每个不同深度的样品各选1个小烧杯去除碳酸盐，加入10 ml浓度为10%的HCl，使其充分反应去除碳酸盐。加入适量蒸馏水稀释，一方面为了避免盐酸对仪器的腐蚀，另一方面防止过剩的盐酸加剧土壤颗粒凝聚。待反应完全后烧杯中注满蒸馏水静置1夜。抽取上清液，注入10 ml浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠分散剂(NaPO3)6，上机测量。

方法4：每个不同深度的样品各选1个小烧杯去除有机质和碳酸盐，其中3个样品先加入10 ml浓度为10%的H2O2，置于90 ℃加热板上反应1h，之后调到150 ℃加热板上放置5h使其充分反应去除有机质(适当加蒸馏水)，5h过后将温度调到80 ℃，加入10 ml浓度为10%的HCl，使其充分反应去除碳酸盐(适当加蒸馏水)，其完全反应后注满蒸馏水静置1夜。抽取上清液，注入10 ml浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠分散剂(NaPO3)6，上机测量。剩余的7个样品先加入10 ml浓度为10%的H2O2，放置1星期反应，每隔1d搅拌1次，1星期过后，加入10 ml浓度为10%的HCl，使其充分反应去除碳酸盐(适当加蒸馏水)，其完全反应后注满蒸馏水静置1夜。抽取上清液，注入10 ml浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠分散剂(NaPO3)6，上机测量。

本次实验分析中对2个样品的不同深度分别用4种方法进行前处理和粒度测量，在青海师范大学自然地理重点实验室完成实验。测量所用仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪，其测量范围为0.02～2000 μm,进样器为Hydro2000 MU型，带有超声波分散功能，可以方便地对样品进行不同时间的超声波分散，并且可以在测量完某一样品后继续增加超声波时间，这样可以用同一样品进行多次测量。实验结果编号格式为:样品名-剖面号-样品编号，如YQ-50-1代表用上述方法1未做任何前处理只加了分散剂(NaPO3)6。

3 结果分析与讨论

3.1 粒度测量重复性检验

考虑同一个样品内部是否具有一致性，对LGR和YQ土壤各选1个土壤样品，选取3份按照上述4种前处理方法，进行了3次重复测量，不同前处理条件下的3次粒度测试均获得了一致的结果，表明具有很好的重复性。鉴于此，在测试其他10个样品时采用1次测量结果进行分析。

3.2 YQ荒漠土粒度分布特征

结果分析表明(表1)，粒径大小和范围，频率分布曲线随前处理方法的不同而呈现出变化。YQ剖面4种前处理方法下表现为较为一致的结果，即前处理对粒径的变化影响较小，原样中值粒径与有机质和碳酸盐均去除的结果仅有4 μm左右的差异(表1)。粒度频率曲线也表现得非常一致，特别是YQ-50,YQ-51,YQ-60和YQ-74这4个样品不同前处理方法对其结果无显著影响(图2)，但YQ-4和YQ-10不同处理方法下的粒度频率曲线存在差异，处理后的样品比未处理的样品在细颗粒处明显增加，这与样品所处的地层有一定关系。YQ-4和YQ-10为古土壤地层，有机质含量较高，而其他样品为黄土地层，有机质含量较少，在干旱区的风尘沙或黄土的粒度当中发现他的便利非常小。对YQ和LGR剖面有机质进行测定，发现表明YQ-50有机质含量为13.925 g/kg，所以有机质对细颗粒组分的贡献非常少，因此结果显示变化微弱。古土壤层中的有机质含量高，黄土层中的有机质含量低[2]。有机质和碳酸盐在土壤中扮演了胶结剂的作用，将细颗粒的组分胶结在一起，以粗颗粒团聚体的形式呈现，但随着有机质和碳酸盐的去除，胶结剂消失，土壤细颗粒以独立颗粒形式呈现，在粒度频率曲线中就表现为细颗粒增加。虽然粒度频率分布曲线都基本一致，呈单峰分布，但是不同前处理方法下所得的中值粒径是不同的，同一样品的中值粒径差异同时也可能反映了不同前处理所得的粒径范围差异。

表1 不同前处理方法样品测量中值粒径(μm)结果比较

图2 不同前处理方法后YQ砂质黄土的粒度频率曲线

3.3 LGR草甸土粒度分布特征

从LGR剖面整体来看，前处理后样品中值粒径明显变小，LGR-02样品方法2和3的中值粒径明显变小(表1)，细颗粒组分明显增加(图3)，LGR-12跟LGR-02的变化趋势一致。LGR-29经过方法2、3、4处理后的中值粒径发生明显变化，细粒含量更高，平均粒径、中值粒径和>63 μm的粗颗粒组分含量显然降低，而且粒度频率分布曲线呈双峰态，与相应的单峰曲线相比，双峰曲线的主峰位置向细粒端移动，并且主峰的粒径百分含量也在降低[2]。LGR-110的4种前处理方法所得的中值粒径变化较大，方法2和4的中值粒径大，频率分布曲线在细粒端稍有波动变化。在细粒端还存在一个很小的组分，即超细粒组分，其平均粒径大约在0.6 μm左右，致使整体中值粒径明显减小，说明样品中含量最多的粒径大小在10～100 μm组分中的一部分颗粒转化为更小的颗粒，形成了2个众数粒径为1～10 μm的细粒组分和0.02～1 μm的超细粒组分，改变了样品总体的分布特征。并且图3还显示了LGR样品的有机质和碳酸盐含量的变化，LGR样品的原样跟去除有机质和碳酸盐的测量结果变化突出，频率分布曲线呈高幅高频的波动变化，认为LGR样品有机质含量较高，比如LGR-28样品的有机质含量为29.90 g/kg,经过方法2和3的前处理之后细颗粒增加。

图3 不同前处理方法后LGR草甸土的粒度频率曲线

4 讨论

通过对比4种前处理方法测量的结果，首先可以看出H2O2在粒度前处理中的作用。加H2O2的目的是去除有机质，一般认为有机质会使得颗粒形成团聚体[3]。从YQ剖面所测得的粒度结果来看，同一深度加H2O2后的中值粒径和频率分布曲线图基本没有变化，说明去除有机质对于沙黄土影响不大，羊曲环境沙化严重植被覆盖率低，呈荒漠景观，剖面中有机质含量少，大概在10 g/kg左右。沙质粗颗粒一般指示局地风沙近源输入，与大风条件下的就地起尘有关[6]。粒度分布峰度较高、分选较好的粗粒组分，是黄土的主要组成部分，这一组分在成壤作用非常弱的典型风成黄土中占70%～90%，在古土壤中约占50%～70%，代表了低空搬运的粉尘物质[7]。加HCl的目的是去除碳酸盐，加HCl后平均粒径也没有变化，我们认为碳酸盐会把土壤当中的黏粒固结在一起，但是在羊曲的土壤粒度频率分布曲线图当中并没有显示出特征，可能是这种沙漠的土壤粒度本身粗，碳酸盐只胶结了更细的颗粒组分。而LGR 的剖面加了H2O2和HCl之后粒度频率分布曲线发生明显发生变化。LGR样品加了H2O2在细粒端0.6～10 μm粒径范围内增加，说明有机质在草甸土中扮演了胶结剂的角色。

通过以上结果的分析可知，未做任何前处理的土壤粒度测试，基本反映了土壤原样的质地，但由于是采用湿法测量，对易溶盐具有去除作用，建议随后的工作中可采用干法测量其粒径组成，更加真实有效地还原土壤质地。去除有机质的样品主要反映土壤矿物的粒径组成情况，由于有机质扮演胶结剂作用，有机质的去除会导致土壤细颗粒组分在粒度频率曲线上的相对增加，采用该前处理方法，粒径组成中小于10 μm可间接地反应该区土壤中有机质含量的相对大小。去除碳酸盐矿物的前处理方法表明碳酸盐也扮演胶结剂作用，但不明显，在土壤粒度研究中，单独去除碳酸盐环境指示意义不清楚，建议在实际应用中不采用此类前处理方法。碳酸盐和有机质都去除的方法剔除了两个不稳定组分，保留了能够保存原始沉积信息的组分，在当前古环境重建中应用广泛，但在土壤研究中应用需要慎重，应按所需研究内容来确定合适的前处理方法。

5 结论

(1)干旱草原地带由于成壤作用较弱，基本保留了风尘沉积阶段的特征，未受明显成土作用影响，对荒漠土在进行土壤质地研究时可对原样进行直接测量。

(2)草甸土LGR剖面有机质扮演了胶结剂的作用，有机质含量越高，细颗粒组分增加越多，<10 μm组分可作为土壤成壤强度的重要指标；此外，有机质的存在使土壤细颗粒以大团粒体的形式存在，增强了土壤的抗风蚀能力。

(3)去除碳酸盐后，中值粒径和频率分布曲线的变化存在差异，说明碳酸盐的胶结作用可能较弱，但不显著。

(4)草甸土土壤粒度测试不同前处理方法指示的环境意义不同，针对土壤研究的不同需求需采用不同的前处理方法。