全自动水分测定仪测定土壤含水率—取样量对测定结果的影响

陈 晋

(安徽省生态环境监测中心，安徽 合肥 230071)

土壤样品的含水率是指待测土壤样品(可以是湿土或经自然风干并研磨混匀的土壤)中水分占烘干前土壤样品总质量的百分比，是环境监测土壤样品分析中一项重要的参数，无论是土壤中重金属元素、有机化合物或其它常规项目的测定，土壤样品的含水率均是参与结果计算的一项必要参数，因此土壤样品含水率的测定值对最终测定结果具有一定影响，准确测定土壤样品的含水率是保证最终实验结果准确性的关键环节之一[1,2]。目前，土壤含水率的测定方法通常有重量法、化学法、射线法、电阻法、介电法、张力计法、遥感法、雷达法等[3]，除重量法外其它方法多为间接测量法，测量速度一般较快，适合用于现场快速测量，但是其精确度往往达不到实验室的要求，一般仅用于初步判断土壤的含水率情况；重量法是指称取一定质量的待测土壤样品于经过105℃干燥恒重的容器中，再将其置于105℃下烘干直至恒重为止，通过烘干前后的质量差计算其含水率的方法，因其具有准确度高、精密度好等优点，是土壤含水率测定的通用方法，因此被采纳为国家标准和国际标准。但是，采用传统重量法测定土壤样品含水率的测量时长一般较长，由于需要经过多次烘干称重直至恒重的过程，一般情况下耗时约16～24h，需要消耗实验人员大量时间和精力[4,5]。全自动水分测定仪是一类简单、易用、快速的水分测定仪器，其原理也是通过烘干并称重的方式来测得样品中的含水率，由于其能够精确控温和称量，可以在得到相对精确结果的同时，保证测定时间一般不超过20min，具有极大的实际应用前景。目前，尚未见使用此类仪器测定土壤含水率的相关报道。为了探究全自动水分测定仪在测量土壤样品含水率时的相关特性，本文采用该仪器对风干土壤样品的含水率进行了测定，并研究了土壤样品的取样量对测定结果的影响。

1 实验部分

1.1 仪器

HX204型全自动水分测定仪(METTLER TOLEDO)；MG200型臼式研磨仪(北京格瑞德曼仪器设备有限公司)。

1.2 土壤样品的制备

按照土壤环境监测技术规范(HJ/T 166-2004)的要求采集样品，并将采集的土壤样品置于风干盘中，摊成2～3cm的薄层，适时的压碎、翻动，捡出碎石、砂砾、植物残体等；风干后的样品使用木锤、有机玻璃棒等工具压碎、混匀，并采用四分法留取样品，样品研磨到全部通过100目筛(直径0.15mm)后保存备用[6]。

1.3 含水率的测定

按照推荐的仪器参数设定测量方法，调零后在托盘上加入一定质量的待测样品并摊平，点击测量按钮即开始测量，测量结束后仪器自动显示测量结果。

2 结果与讨论

2.1 取样量对含水率测定值的影响

通常情况下，取样量对实验结果的准确性具有重要影响，是实验结果是否准确可靠的关键因素[7-9]。因此，本文测定了同一土壤样品在不同取样量时的含水率，并研究了含水率测定值的变化规律。具体步骤：分别取0.100g、0.500g、2.00g、5.00g、10.0g、15.0g、20.0g土壤样品置于托盘内，按照仪器推荐的条件进行含水率测定，不同取样量均平行测定6次，同时记录测量时长(取6次测定时长的均值)，并对测定结果进行了相关统计分析，详细数据见表1。由表1数据可知，当取样量<10.0g时，随着取样量的增加，同一样品含水率的测定均值也随之增加，当取样量为10.0g及以上时，其测定值基本保持不变，说明当取样量>10.0g时，增加取样量对测定结果已无明显影响；采用t检验法，对相关数据进行显著性检验，当取样量为10.0g、15.0g和20.0g时，土壤含水率测定结果之间无显著性差异。实验数据表明，采用全自动水分测定仪测定土壤含水率时，保证最佳测试结果的取样量至少为10.0g。

表1 测量结果与取样量的关系

2.2 取样量对精密度的影响

精密度是取得良好准确度的前提条件，一般情况下，只有取得了良好的测量精密度，才会有良好的准确度，精密度一般用相对标准偏差(RSD)表示[10]。如图1所示，计算了不同取样量下平行测定6次的相对标准偏差，由相关数据可知，随着取样量的增加，测定结果的相对标准偏差(RSD)越来越低，表明其精密度越来越好，假设该仪器用于称量的天平标准偏差为s，且该标准偏差s在一定条件下保持稳定，称样量为m，那么根据误差传递原理，多次称量结果的相对标准偏差可用以下公式表示：

图1 测定值与取样量的关系

在s不变的情况下，一定范围内，随着m的增加，其RSD显然会降低；但是，当取样量≥10.0g时，其精密度几乎不再变化，这可能是因为随着称样量的增加，由仪器本身性能引起的随机误差已不是测量精密度的主要来源，而由于土壤本身的不均匀性所引起的误差占据了主导地位，所以当取样量>10.0g时，其相对标准偏差也就不会随着称样量的增加而发生变化，而是与土壤本身均匀性相关的固定值。因此，为了避免仪器本身性能所引起的随机误差，从而获得更好的测量精密度，采用该方法测量土壤含水率时的最小取样量为10.0g。

2.3 测量时长

通常情况下，采用经典重量法测定土壤样品的含水率时，一般至少需要耗时16～20h，甚至更久[4,5]，而采用该方法的平均测量时长约10～20min，可以大大缩短测定时间，节省大量人力物力。从表1中数据可知，当取样量<2.00g时，其测量时长稳定在70s(6次测定值均为70s)，这可能与仪器本身性能及终点判断条件的设置有关；当取样量>2.00g(含2.00g)时，测量时长随取样量增加而增加，以取样量为横坐标、测量时长为纵坐标作趋势图，如图2所示，发现二者呈现明显线性关系，其线性方程：

图2 测量时长与取样量的关系

y=45.017x+0.0244(r=0.9997)

说明在2.00～20.0g范围内，测量时长与取样量呈正相关，其原因可能是在一定的条件下，土壤中水分的蒸发速率会保持一个相对稳定的状态，即在相同的时间内水分的蒸发量保持稳定，因此在一定范围内随着取样量的增加，相应的测量时长也随之增加，且增加幅度相同。

3 结论

采用全自动水分测定仪对土壤样品的含水率进行测定，研究测定值、精密度以及测量时长与取样量的关系，结果表明，取样量对测定结果有明显影响。随着取样量的变化，土壤含水率测定值和测定精密度(RSD)也随之发生相应的变化，当取样量>10.0g时，其测定值和精密度的变化已不明显；在2.00～20.0g范围内，含水率的测量时长与取样量呈正相关，且其相关系数r可达0.9997。因此，在使用全自动水分测定仪测定土壤样品的含水率时，为了保证测量精确度和测量效率，其最佳取样量为10.0g。