一種可用于評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的超聲能量法

謝志強(qiáng), 許建林, 朱兆龍,, 安韶山

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

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一種可用于評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的超聲能量法

謝志強(qiáng)1, 許建林1, 朱兆龍1,2, 安韶山2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。鑒于當(dāng)前團(tuán)聚體穩(wěn)定性難以定量的研究現(xiàn)狀，本文提出一個(gè)可定量評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的超聲能量法，并與傳統(tǒng)Yoder濕篩法對比分析了穩(wěn)定性土樣(浙江潮土、重慶黃壤土、江西紅壤)和弱穩(wěn)定性土樣(河北壤土和黑龍江暗棕壤)五種典型土壤的5～3 mm粒級團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)和團(tuán)聚體粒徑分布(ASD)。結(jié)果表明：(1) 測試土樣的穩(wěn)定性為潮土>紅壤>黃壤土?暗棕壤>壤土；(2) 超聲能量法分散強(qiáng)度大，分散效率高，更適用于穩(wěn)定性土樣的評估，對于弱穩(wěn)定性土樣的評估則不如傳統(tǒng)Yoder濕篩法。因此，評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性時(shí)可以選擇合適的測量方法以提高分辨精度，即強(qiáng)穩(wěn)定性土壤對比分析應(yīng)選用超聲能量法，而弱穩(wěn)定性土壤對比分析則可以用Yoder濕篩法。

土壤團(tuán)聚體; 團(tuán)聚體穩(wěn)定性; 超聲能量; Yoder濕篩法

土壤團(tuán)聚體是指一組粘結(jié)在一起的多個(gè)基本土壤顆粒，是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位[1]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)的重要屬性，也是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，它反映了土壤團(tuán)聚體對于外來破壞性作用力的抑制能力，影響著土壤入滲和侵蝕等物理性質(zhì)[2]。評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)很多，當(dāng)前最為常用的指標(biāo)為平均重量直徑(MWD)[3-4],評估方法上則主要有濕篩法、水滴法、人工降雨模擬法、Le Bissonnais法等[5-8]。然而，這些評估方法在樣品處理、作用力和結(jié)果的表示等方面存在著諸多差異[9]，而且都沒有從能量角度量化團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。近來有學(xué)者提出使用超聲激勵(lì)法分散土壤以定量評估土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。朱兆龍等在North[10]和Raine &So[11]評估團(tuán)聚體穩(wěn)定性方法基礎(chǔ)上，將功率計(jì)法和熱計(jì)量法有機(jī)結(jié)合，提出一種測量土壤分散能量的測量方法和技術(shù)[12]，并研制了一個(gè)簡易的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性評估系統(tǒng)[13]；評測了澳大利亞Vertisol土樣和Ferrasol土樣的團(tuán)聚體粘結(jié)能，量化其穩(wěn)定性[14-15]。然而，該方法對試驗(yàn)控制條件要求比較高[16]，因而限制了應(yīng)用。

綜上所述可知，現(xiàn)有團(tuán)聚體穩(wěn)定性的評估方法在定量評估上仍然存在許多局限性和技術(shù)瓶頸。鑒于此，本文在朱兆龍等[12]的超聲方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一個(gè)可用于評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的超聲能量法，并與傳統(tǒng)Yoder濕篩法對比測試五種典型土樣的穩(wěn)定性，明確其特點(diǎn)和適用范圍。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

2014年11月在浙江大云山、重慶歌樂山、江西于都縣、河北行唐縣和黑龍江帽兒山選擇環(huán)境條件及生產(chǎn)管理水平基本一致的地塊進(jìn)行采樣，采集表層原狀土(0—20 cm)，重復(fù)三次，基本采集信息如表1所示。將所采土壤樣品風(fēng)干，去除根系、枯落物等雜物后，干篩分離出原狀土中的5～3 mm團(tuán)聚體，作為團(tuán)聚體穩(wěn)定性對照測試樣本。

表1　試驗(yàn)土壤的基本情況

1.2土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性評估

1.2.1試驗(yàn)設(shè)備超聲分散系統(tǒng)如圖1所示，主要包括超聲儀器、超聲振子、雙層中空試驗(yàn)容器、數(shù)據(jù)采集器、溫度探頭、冷卻循環(huán)泵、計(jì)算機(jī)等。探針型超聲儀器UP100H(德國Hielscher公司，超聲功率可調(diào)且電聲轉(zhuǎn)化效率高達(dá)90%)通過其配套的超聲振子MS10(末端直徑為10 mm，聲功率密度為90 W/cm2)為雙層中空試驗(yàn)容器(內(nèi)壁上端直徑約60 mm，下端約30 mm，深約80 mm，容積大約為75 ml,容器口壁厚約3 mm，容器口邊沿外延加厚2 mm，直徑約65 mm，空腔容積約為160 ml)內(nèi)的土水溶液提供超聲能量，以分散土壤團(tuán)聚體；超聲能量則由數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)監(jiān)測；同時(shí)，數(shù)據(jù)采集器通過溫度探頭(Pt1000A，德國賀利氏公司，精密度為0.002℃)同步監(jiān)測土水溶液的溫度，采樣頻率為1 Hz，其測量結(jié)果通過串口通信上傳給計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示、存儲(chǔ)和運(yùn)算等功能；此外，冷卻循環(huán)泵提供冷卻循環(huán)水，其流量可調(diào)，由流量計(jì)監(jiān)測。冷卻循環(huán)水通過雙層試驗(yàn)容器中間密封層調(diào)節(jié)試驗(yàn)容器內(nèi)壁土水溶液的溫度，控制超聲分散試驗(yàn)的溶液溫度條件。

1.2.2測量原理通過評估一定分散能量作用下團(tuán)聚體的分散程度，可以有效評估團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，因此，團(tuán)聚體穩(wěn)定性評估包括分散能量的確定和團(tuán)聚體分散度兩部分，前者由超聲分散系統(tǒng)測定，后者可以用常規(guī)濕篩法測定的團(tuán)聚體組成和平均重量直徑MWD。

圖1　超聲分散系統(tǒng)原理框圖

超聲儀器正常工作時(shí)，通過其內(nèi)超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并由超聲振子輸出超聲波，進(jìn)而為土水溶液分散土壤團(tuán)聚體提供超聲能量[12]。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化守恒定律，超聲振子輸出的超聲能量PA可以表示為:

PA=P-PD

(1)

式中：P表示超聲儀器輸入功率；PD表示超聲儀器消耗功率，對于土水溶液輕負(fù)載而言，它可以近似等于空載時(shí)的消耗功率P0。

因此，在超聲分散時(shí)間內(nèi)超聲振子輸出給土水溶液的超聲能量W為

(2)

當(dāng)超聲振子輸出超聲波激勵(lì)土水溶液時(shí)，將分散土壤團(tuán)聚體。通過對比在統(tǒng)一超聲能量W作用下土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑MWD，可以有效評估土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。MWD的計(jì)算公式為：

(3)

式中：xi為每一粒級團(tuán)聚體的平均直徑(mm)；wi為每一粒級團(tuán)聚體的重量百分含量。

同一粒徑范圍內(nèi)土壤團(tuán)聚體，在超聲能量W作用后，MWD越大，其穩(wěn)定性越強(qiáng)。

1.2.3測量方法于2015年3月至6月采用超聲能量法測量土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。首先設(shè)置超聲儀器UP100 H為連續(xù)工作模式(Cycle=1)，超聲振子振幅檔Am為0.2，并由超聲系統(tǒng)測定其輸出超聲功率PA約為20 W。然后取5～3 mm粒級團(tuán)聚體3±0.01 g，放入試驗(yàn)容器中，將量取好的30±0.01 g去離子水沿試驗(yàn)容器內(nèi)壁輕輕倒入，浸潤5 min，使土壤顆粒間空氣充分排出。通過冷卻循環(huán)泵控制，在滿足統(tǒng)一起始溫度條件(40 s內(nèi)溶液溫度為20±0.1℃且極差小于0.2℃)后開始超聲試驗(yàn)，分散時(shí)間為10 s，超聲能量約為200 J。分散后的土水溶液移至套篩(孔徑2，1，0.5及0.25 mm)進(jìn)行濕篩，收集各級土壤團(tuán)聚體，并進(jìn)行烘干稱重，計(jì)算出團(tuán)聚體的組成和平均重量直徑MWD。

同期采用Yoder濕篩法[5]進(jìn)行團(tuán)聚體穩(wěn)定性評估的對照試驗(yàn)，取同粒級的相同風(fēng)干土樣50±0.01 g，放進(jìn)孔徑依次為2，1，0.5，0.25 mm的套篩，應(yīng)用FT-3型電動(dòng)固粒分析儀(南京土壤儀器廠)使套篩在水中以30次/min速度振動(dòng)30次，收集各級團(tuán)聚體，烘干稱重，計(jì)算團(tuán)聚體的組成和穩(wěn)定性。

2　結(jié)果與分析

圖2給出了超聲能量法和Yoder濕篩法下的土壤平均重量直徑MWD。由圖2A知，在超聲能量200 J作用后，F(xiàn)AS，YS，RS的MWD都保持在0.9 mm以上，穩(wěn)定性好，而且FAS>RS>YLS；而DBS，LS的MWD都在0.25 mm左右，差異小，穩(wěn)定性相近。由圖2B知，在Yoder濕篩法下，土樣穩(wěn)定性分布為FAS >RS >YLS>DBS>LS，其中FAS，YS，RS的MWD都在1.7 mm左右，而DBS，LS的MWD為0.8 mm左右，且穩(wěn)定性為DBS>LS。對比兩種測試結(jié)果可知，超聲能量法分散功率(20 W)高，土樣整體MWD相對較低，但是對于穩(wěn)定性土樣(FAS，YLS和RS)，其分辨力高，為0.23 mm(標(biāo)準(zhǔn)差)，大于Yoder濕篩法的0.10 mm；而對于弱穩(wěn)定性土樣(DBS和LS)，Yoder濕篩法的分辨力較高，達(dá)到0.19 mm(標(biāo)準(zhǔn)差)，而超聲能量法則難以分辨出DBS和LS的差異。

從粒徑分布角度來看(圖3)，對于穩(wěn)定性土樣(FAS，YS和RS)，在超聲能量法下，其粒徑分布主要集中在>2 mm和<0.25 mm上，其中>2 mm占36%～65%，<0.25 mm占24%～43%(圖3A)，而Yoder濕篩法則集中在>2 mm上，占71%以上(圖3B)；而對于弱穩(wěn)定性土樣(DBS和LS)，超聲能量法下的粒徑分布完全集中于<0.25 mm上，占95%以上，而Yoder濕篩法的粒徑分布相對均勻，各段粒徑分布相差不是很大?？梢姡M管超聲能量法僅用10 s，但對土樣的分散程度要遠(yuǎn)大于振動(dòng)1 min的Yoder濕篩法。這種差異與兩者測量原理有關(guān)。超聲能量法是利用超聲空化效應(yīng)中空泡潰滅的能量釋放期產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊波和高速射流分散土壤，分散強(qiáng)度大，分散效果顯著，且分散時(shí)間短[2,17]；而Yoder濕篩法則主要利用土樣濕潤過程中的崩解、差異膨脹和物理—化學(xué)分散作用以及濕篩過程中的篩分作用力來分散土樣，由于振動(dòng)幅度小、速度慢，因而分散強(qiáng)度小，分散效果差，且時(shí)間長[18-19]。

圖2　超聲能量法和Yoder濕篩法下MWD

圖3　超聲能量法和Yoder濕篩法下的土壤團(tuán)聚體粒徑分布

綜上分析知，對于穩(wěn)定性土樣，采用超聲能量法評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其分辨力遠(yuǎn)高于Yoder濕篩法，而對于弱穩(wěn)定性土樣，超聲能量法評估能力相對較弱。因此，要提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性評估的分辨力，應(yīng)選擇合適的評估方法，即中、高穩(wěn)定性土樣選用超聲能量法，而弱穩(wěn)定性土樣則可以選用Yoder濕篩法。

3　結(jié) 論

提出了一種評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的超聲能量法，并對比了Yoder濕篩法評估中國五種典型土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明：(1) 相比于Yoder濕篩法，超聲能量法分散效率高，對強(qiáng)穩(wěn)定性土壤進(jìn)行評估時(shí)分辨效果好，而對于弱穩(wěn)定性土壤則分辨效果差；(2) 五種典型土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性測試結(jié)果為：浙江潮土>江西紅壤>重慶黃壤土?東北暗棕壤>河北壤土；(3) 評估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)選擇合適的分散方法以提高分辨精度，即強(qiáng)穩(wěn)定性土壤對比分析時(shí)應(yīng)選用超聲能量法，而弱穩(wěn)定性土壤對比分析，則可以用Yoder濕篩法。

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Application of Ultrasonic Energy for Assessing Aggregate Stability

XIE Zhiqiang1, XU Jianlin1, ZHU Zhaolong1,2, AN Shaoshan2

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Aggregate stability is an important index of soil quality, but hard to be quantified. Here an ultrasonic energy method was developed to quantify soil aggregate stability, and its practicability was tested by comparing with Yoder method in terms of mean weight diameter (MWD) and aggregate size distribution (ASD) of two groups of soils, 3 stable soils (Fluvo-aquic soil from Zhejiang Province, Yellow loam from Chongqing City, Red soil from Jiangxi) and 2 weak soils (Loam from Hebei Province, Dark brown soil from Shangdong Province). The results show that the stability indicated by MWD decreases in the order: Fluvo-aquic soil>Red soil>Yellow loam?Dark Brown soil>Loam; the ultrasonic dispersion cam break soil aggregate efficiently due to its strong dispersing power, and thus this method prefers to strong soil than Yoder method, but this method seems not to be suitable to assess the aggregate stability of weak soil compared with Yoder method. Therefore, a proper method assessing soil aggregate stability can be chosen through the rule: ultrasonic energy method for stable soil, Yoder method for weak soil.

soil aggregate; aggregate stability; ultrasonic energy; Yoder method

2016-01-25

2016-03-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171226,41101201);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才(NCET-2-0479)

謝志強(qiáng)(1990—),男,湖南衡陽人,碩士研究生,主要從事智能檢測與控制技術(shù)研究。Email:jipaodexiaoyu@nwsuaf.edu.cn

朱兆龍(1977—),男,福建永泰人,博士,助理研究員,主要從事土壤結(jié)構(gòu)研究。E-mail:zhu_zl@nwsuaf.edu.cn

S152.4

A

1005-3409(2016)04-0019-04