土壤顆粒分析(吸管法)測定裝置使用說明書

土壤基質中含有不同數量的各級土粒，完善的表達方式是用粒徑分布曲線，一般用對數坐標。曲線的橫坐標為粒徑 d(mm)，縱坐標為單位質量土樣小于某一粒級土粒含量的累積百分數，如以粘土、粉砂壤土和砂壤土為例，圖示：

土壤顆粒分析(吸管法)測定裝置分析原理

      粒徑分析目前zui為常用的方法為吸管法和比重計法。吸管法操作雖然繁瑣，但度較高，計算也比較簡單。無論是采用吸管法還是比重計法，土粒的粒徑分析大致分為分散、篩分和沉降三個步驟。

1、土粒的分散

      田間或自然土壤，除風砂土和堿土外，絕大部分或全部都是相互團聚成粒徑不同的團粒，微團粒是粘粒直接凝聚而成，粗團粒則主要由腐殖質和某些情況下土壤的石灰物質、游離鐵的作用膠結而成。在中性土壤中主要是交換性 Ca2+起作用，在酸性土壤中還有交換性 Al3+的作用，土壤溶液中鹽類溶質濃度高也促使粘粒團聚。因此傳統的分散處理包括用 H2O2－HCl 處理和添加含 Na+的化合物作為分散劑。H2O2的作用是為了破壞有機質，稀 HCl 的作用是為了溶解游離的 CaCO3和其他膠結劑，并用 H +代換有凝聚作用的 Ca2+、Al3+ 等離子和淋洗土壤溶液中的溶質。交換性 H +也有凝聚作用，必須用分散粘粒的 Na+代換之，所用 Na+的數量不能過多，不能超過土壤的交換量。

      凡此種種，不僅手續繁雜費時，且在稀 HCl 淋洗中，也可能淋出一部分粘粒的組分，如無定形的二三氧化物和水合氧化硅等。因此需要收集稀 HCl 淋洗液進行化學分析測定。更重要的是腐殖質和碳酸鹽也是土壤固相的一部分，若去除它們則與田間情況不一致。因此近年來常對供分析的土樣直接投入可固定 Ca2+、 Al3+離子的 Na 鹽，通常是酸性土壤加氫氧化鈉，中性土壤加草酸鈉，堿性土壤加六偏磷酸鈉。然后用各種機械的方法進行攪拌，使其分散*。常用的方法是煮沸法，也有用震蕩法或高于大氣壓的氣流激蕩的方法。

2、粗土粒的篩分

      粒徑大于 0.6mm 的粗土粒，用孔徑粗細不同的篩，相繼篩分經分散處理的土樣懸液，可得到不同粒徑的土粒數量。根據標準篩的情況，篩孔＞o.6mm 允許 5%的篩孔偏離規定值，篩孔孔徑在 O.6mm～0.125mm 之間為 7.5%，篩孔孔徑＜O.125mm 則可高達 10%。所以，常規粒徑分析應該只對＞0.25mm 的土粒進行篩分，但由于＞0.1mm 的土壤顆粒在水中沉降速度太快，用吸管吸取懸液常常得不到較好的結果，因此篩分范圍可放寬到 0.1mm，即對＞0.1mm 的土粒進行篩分。

3、細土粒的沉降分離

      無法篩分的細土粒(＜0.1mm＝依據司篤克斯(G.G.Stokes)定律，按土粒在水中沉降的快慢區分不同粒 2 徑的土粒。顆粒在真空中沉降不受任何阻力，只是受重力作用而呈現自由落體運動。在水中沉降除重力作用外，還受與重力作用方向相反的摩擦力作用。摩擦力 Fr 應等于：

Fr＝6πηｒυ

      式中：η－水的粘滯度(g/cm·s)；ｒ－顆粒半徑(cm)；υ－顆粒沉降速度(cm/s)

      顆粒開始沉降，沉降速度隨時間增大，摩擦力 Fr 也隨之增加，當顆粒所受摩擦力與所受重力在數量上相等時，這時沉降速度不再增加，顆粒以均速(沉降速度)沉降，這時的沉降速度稱為終端速度。顆粒所受重力 Fg 可由下式計算：

Fg＝4/3 πｒ 3 (ρs－ρf)g

式中：4/3 πｒ 3 是球體顆粒的體積；ρs為顆粒密度(g/cm3 )；ρf為流體(水)的密度(cm/s3 ) g 為重力加速度(981cm/s2 )。

當 Fr＝Fg 時可得：

υt＝d 2 (ρs－ρf)g / 1800η

式中：υt為終端速度；d 為穎粒直徑(mm)

假定沉降速度幾乎在終端過程一開始就立即達到，則可計算一定直徑顆粒沉降到深度 L(cm)所需時間 (s)：

t＝1800Lη / d 2 (ρs－ρf)g

利用沉降法進行顆粒分析，應注意以下幾點假設：

(1) 顆粒是堅固的球體且表面光滑；

(2) 所有顆粒密度相同；

(3) 顆粒直徑應大到不受流體(水)布朗運動的影響；

(4) 供沉降分析的懸液必須稀釋到顆粒沉降互不干擾，即每一個顆粒的沉降都不受相鄰顆粒影響；

(5) 環繞顆粒的流體(水)保持層流運動，沒有顆粒的過快沉降引起流體的紊流運動。

      以上幾點：除(3)、(4)可以大致滿足外，(5)很難*保證，(1)、(2)兩條根本無法滿足。細土粒不是球形的(大多為扁平狀)，表面也不光滑，其密度也不相同，只有大多數硅酸鹽的密度在 2.6～2.7 之間，其他重礦物和氧化鐵的密度可達到 5.0g/cm3或更高，所以粒徑分析只能給出近似的結果。

      具體測定各級細土粒的方法，可根據司篤克斯定律，按以上公式計算某一粒徑的土粒沉降到深度 L(L 一般取 10cm)所需的時間。在測定前用特制的攪拌棒均勻地攪拌顆粒懸液(見測定步驟)，在沉降一開始記時，按以上公式計算的沉降時間用移液管在深度 L 處緩緩吸取一定容量的懸液，烘干稱重，由此可計算小于某一相應粒徑土粒的累積量。兩次測定的累積量相減可得某一粒徑范圍的土粒量。

土壤顆粒分析(吸管法)測定裝置試劑配置

1、氫氧化鈉溶液[c(NaOH)＝0.5mol·L -1]：20g 氫氧化鈉(NaOH，化學純)溶于水，稀釋至 1L(用于酸性土壤)；

2、草酸鈉溶液[c(0.5Na2C2O4)＝0.5mol·L -1]：35.5g 草酸鈉(Na2C2O4，化學純)溶于水，稀釋至 1L(用于中性土壤)；

3、六偏磷酸鈉溶液{c[1/6 (NaPO3)6]＝0.5 mol·L -1}：51g 六偏磷酸鈉[(NaPO3)6，化學純]溶于水，稀釋至 lL(用于堿性土壤)；

4、鹽酸溶液[c(HCl)＝o.2mol·L -1]：16.6mL 濃鹽酸稀釋至 1L；

5、鹽酸溶液[c(HCl)＝o.05mol·L -1]：4.2mL 濃鹽酸稀釋至 1L；

6、鹽酸溶液[φ(HCl)＝10%]：10mL 濃鹽酸稀釋至 100mL；

7、過氧化氫溶液[ω(H202)＝6%]：200mL 過氧化氫[ω(H202)＝30%]稀釋至 1L；

8、氫氧化銨溶液[φ(NH40H)＝10%]：10mL 氨水稀釋至 100mL；

9、硝酸溶液[φ(HN03)＝10%]：10mL 硝酸(HN03,ρ＝1.42g·cm -3)稀釋至 100mL；

10、乙酸溶液[φ(CH3COOH)＝10%]：10mL 冰乙酸稀釋至 100mL；

11、草酸銨溶液{ρ[(NH4)2C2O4]＝40g·L -1}：4g 草酸銨[(NH4)2C2O4，化學純]溶于水稀釋至 lOOmL；

12、硝酸銀溶液[ρ(AgN03)＝50g·L -1]：5g 硝酸銀(AgN03，化學純)溶于水稀釋至 100mL；

13、異戊醇[(CH3)2CHCH2CH2OH，化學純]；

14、濃硫酸(工業用)(H2S04，ρ≈1.84g·L -1)。

土壤顆粒分析(吸管法)測定裝置儀器結構

該測定裝置主要由吸管、吸管架、沉降筒(1000ml 量筒，直徑約 6cm，高約 45cm)、分樣篩(2mm)、洗篩 (直徑約 6cm，篩網孔徑 0.2mm)、兩通活塞、小漏斗、攪拌棒、橡皮頭玻棒、真空泵等組成。

土壤顆粒分析(吸管法)測定裝置測定步驟

1、樣品處理

(1) 大于 2mm 石礫的處理：稱取一定量原始土樣 3 份，將大于 2mm 石礫按不同粒級(見附表，不同分級制有不同分法)分開，分別放入蒸餾水煮沸若干次，直至石礫上的附著物*去凈。將石礫移至稱量瓶中，放入烘箱烘干稱重。

(2) 吸濕含水率的測定：稱取 6 份(如作脫鈣處理，需稱取 7 份)過 2mm 篩的定量風干土樣(根據測定前對土樣質地的估計，通常粘土用 10.00g，其他質地 20.00g 或更多)，其中 3 份放人 105℃～110℃的烘箱烘至恒重(至少 6h 以上)，計算土樣吸濕含水率。

(3) 去除有機質：對有機質含量較高的土樣，分散前應去除有機質。將 4 份風干土樣(如不作脫鈣處理則為 3 份)分別放人 250mL 的高型燒杯中，加少量蒸餾水使土樣濕潤。然后加入過氧化氫(試劑 7)20mL，用玻璃棒攪拌，使有機質充分與 H202接觸反應。反應過程中會產生大量氣泡，為防止樣品溢出可加異戊醇消泡。過量的 H202用加熱方法去除。

(4) 去除 CaCO3 ：根據粒級分析的不同目的，也可用 HCl 脫鈣。小心加入 c(HCl)＝0.2 mol·L -1溶液于土樣中，直到無氣泡發生。HCl 脫鈣過程中應隨時除去樣品上面的清液，以保證鹽酸的濃度。如樣品碳酸鈣含量高，可適當加大 HCl 的濃度。

       經 c(HCl)＝0.2 mol·L -1溶液處理的樣品，需再用 c(HCl)＝0.05 mol·L -1溶液淋洗 Ca2+。為縮短淋洗時間，每加入一定量 c(HCl)＝0.05 mol·L -1稀溶液，待濾干后再加入少量稀 HCl 繼續淋洗。取淋洗液 5mL 于小試管中，滴入氫氧化銨溶液(試劑 8)中和，再加數滴乙酸溶液(試劑 10)成微酸性溶液，加入幾滴草酸銨溶液(試劑 11)稍稍加熱。若有白色 CaC204沉淀，說明樣品中仍有 Ca2+存在，需繼續加稀 HCl 淋洗，直至沒有 CaC204沉淀為止。

      去掉 Ca2+的土樣，還需用蒸餾水淋去多余的 HCl 和其他氯化物。為此，再取少量(5mL)淋洗液于小試管中，加入硝酸溶液(試劑 9)數滴使濾液酸化，再加入硝酸銀溶液(試劑 12)l 滴～2 滴，若有白色 AgCl 沉淀， 4 則需繼續淋洗，直至無白色沉淀為止。

      用蒸餾水淋洗樣品，隨電解質的淋失，土壤趨于分散，濾液漸趨混濁，說明這時土樣中的 C1－含量已極微，可立即停止淋洗，以免土壤膠體損失，影響分析結果。

     取一份上述處理過的樣品于已知重量的容器(如燒杯)中，先在電熱扳上加熱蒸干水分，再放人烘箱，在 105℃～110℃下烘至恒重，稱重計算 HCl 洗失量。

2、制備懸液

      將上述處理后的另 3 份樣品(如不需去除有機質和 CaCO3，直接用過 2mm 篩的定量風干土樣)全部轉移到 500mL 三角瓶中，根據土壤的酸堿度，每 10g 樣品，酸性土壤可加 c(NaOH )＝0.5 mol·L -1溶液 10mL，中性土壤可加 c(0.5Na2C2O4)＝0.5 mol·L -1溶液 10mL，堿性土壤可加 c[1/6 (NaPO3)6]＝0.5 mol·L -1溶液 10mL。浸泡過夜，然后加蒸餾水至 250mL，蓋上小漏斗，將懸液在電熱板上煮沸，在沸騰前應經常搖動三角瓶，以防止土粒結底，保持沸騰 1h。煮沸時特別要注意用異戊酵消泡，以免溢出。

      分散好的樣品轉移到 1000mL 的沉降筒中。轉移前，沉降筒上置一直徑 7～9cm 的漏斗，上面再放一直徑 6cm，孔徑 0.2mm 標準篩，將分散好的土樣全部過篩，并用橡皮頭玻璃棒輕輕地將土粒洗擦，用蒸餾水沖洗標準篩，全部樣品轉移后，將標準篩放入事先裝有適量蒸餾水的大燒杯中上下蕩滌，確認小于 0.2mm 直徑的土壤顆粒全部轉移到沉降筒中。特別注意沖洗到沉降筒的水量不能超過 1000mL，然后加蒸餾水到沉陣筒中定容 1000mL 備用。

      在小于 0.2mm 孔徑的土樣顆粒全部轉移到沉降筒后，將洗篩上的土粒轉移到小燒杯中，傾去清水，在電熱板上蒸干，放入 105℃～110℃烘箱中烘至恒重；稱量計算 2mm～0.2mm 土粒含量。

3、細土粒的沉降分析

      測量實驗室當時的水溫，按水溫計算 0.02mm、0.002mm 土粒沉降至 10cm 處所需的時問。用攪拌棒攪拌懸液 1min，攪拌懸液時上下速度要均勻，一般速度為上下各 30 次。攪拌棒向下時一定要觸及沉降筒底部，使全部土粒都能懸浮。攪拌棒向上時，有孔金屬片不能露出液面，一般至液面下 3～5cm 即可，否則會使空氣壓入懸液，致使懸液產生渦流，影響土粒沉降規律。沉降時間以攪拌結束為起始時間。

       用吸管吸取懸液操作，事先應反復練習，以避免實際操作時的失誤。

       吸取懸液的負壓氣源以-0.05MPa 為宜，有各種穩壓裝置，這里不再介紹，zui簡單的方法是用洗耳球代替。吸液時，應在吸取懸液前 20s 將吸管放入沉降筒規定的深度，在吸液時間前 10s 接通氣源。

      吸管中懸液全部移入 50mL 的小燒杯內，并用蒸餾水沖洗吸管壁，使附著在吸管壁上的土粒全部沖入小燒杯內，然后將小燒杯內的懸液在電熱板上蒸干(特別小心防止懸液濺出)，再移至 105℃～110℃的烘箱內烘至恒重，稱量(感量 0.0001g)并計算各粒級的百分比。

4、分散劑空白測定

吸取 10mL 分散劑，放人沉降筒中，定容至 1000mL，攪勻，和樣品同樣吸取 25mL 于已知質量的 50mL 燒杯中，蒸干，烘至恒重。

五、結果計算

一般以烘干土為計算基礎，但對有機質、碳酸鹽較高的土壤，可用經鹽酸、雙氧水處理過的烘干土為計算基礎，其洗失量不包括在各級顆粒含量之內，另列一項供參考。

(1) 吸濕水％＝(m1－m2)/m2 × 100

(2) 洗失量％＝(m2－m3)/m2 × 100

(3) 3.2mm～0.2mm 顆粒含量％＝m4 /m2 × 100

(4) 0.02mm～0.002mm 顆粒含量％＝(m5－m6)×ts /m2 × 100

(5) ＜0.002 顆粒含量％＝(m6－m7)×ts /m2 × 100

(6) 0.2mm～0.02mm 顆粒含量％＝100％一[(2)十(3)十(4)十(5)]％

式中：m1 —— 風干土質量 g

m2 —— 烘干土質量 g

m3 —— 經鹽酸雙氧水處理后烘干土質量 g 5

m4 —— 2mm～O.2mm 顆粒質量 g

m5 —— ＜002mm 顆粒與分散劑質量 g

m6 —— ＜O.O02mm 顆粒與分散劑質量 g

m7 —— 分散劑質量 g

ts —— 分取倍數 1000/25 ＝ 40

測定允許誤差：吸管法允許平行誤差：粘粒級＜1％；粉砂粒級＜2％。

附表： 各種土壤粒級劃分方案

注意：本圖中水銀壓力表已改用真空壓力表顯示調壓指示表已改裝直管式水銀壓力表顯示

配 置 清 單

1、 機械分析吸管架 1 套

2、 吸管(易損件,多配備用) 2 支

3、 真空泵 1 臺

4、 水銀壓力表(已改用真空壓力表顯示) 1 套

5、 調壓指示表(已裝直管式水銀壓力表) 1 套

6、 緩沖瓶(5000ml,配橡皮塞) 1 只

7、 真空瓶(2500ml,配橡皮塞) 1 只

8、 保險瓶(2500ml,配橡皮塞) 1 只

9、 洗氣瓶(500ml) 2 只

10、兩通活塞(易損件,多配備用) 2 只

11、洗篩(0.2mm) 1 只

12、沉降筒(1000ml,多配備用) 8 只

13、攪拌棒 1 支

14、橡皮頭玻棒 1 支

15、三叉玻管 4 只

16、三角漏斗(80x140,Φ7mm) 1 只

17、管夾 6 只

18、塑料連接管(6x9mm) 1 套

19、橡膠連接管(6x9mm) 1 套

20、土壤篩(2mm,含底蓋) 1 只

21、使用說明書 1 份

自備件：蒸餾水下口瓶 1 只、秒表 1 只、溫度計 1 支、燒杯(50ml) 10 只、水銀 150g、墨水(紅藍)