全自動(dòng)水分測(cè)定儀測(cè)定土壤含水率—取樣量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

陳 晉

(安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，安徽 合肥 230071)

土壤樣品的含水率是指待測(cè)土壤樣品(可以是濕土或經(jīng)自然風(fēng)干并研磨混勻的土壤)中水分占烘干前土壤樣品總質(zhì)量的百分比，是環(huán)境監(jiān)測(cè)土壤樣品分析中一項(xiàng)重要的參數(shù)，無(wú)論是土壤中重金屬元素、有機(jī)化合物或其它常規(guī)項(xiàng)目的測(cè)定，土壤樣品的含水率均是參與結(jié)果計(jì)算的一項(xiàng)必要參數(shù)，因此土壤樣品含水率的測(cè)定值對(duì)最終測(cè)定結(jié)果具有一定影響，準(zhǔn)確測(cè)定土壤樣品的含水率是保證最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1,2]。目前，土壤含水率的測(cè)定方法通常有重量法、化學(xué)法、射線法、電阻法、介電法、張力計(jì)法、遙感法、雷達(dá)法等[3]，除重量法外其它方法多為間接測(cè)量法，測(cè)量速度一般較快，適合用于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量，但是其精確度往往達(dá)不到實(shí)驗(yàn)室的要求，一般僅用于初步判斷土壤的含水率情況；重量法是指稱取一定質(zhì)量的待測(cè)土壤樣品于經(jīng)過(guò)105℃干燥恒重的容器中，再將其置于105℃下烘干直至恒重為止，通過(guò)烘干前后的質(zhì)量差計(jì)算其含水率的方法，因其具有準(zhǔn)確度高、精密度好等優(yōu)點(diǎn)，是土壤含水率測(cè)定的通用方法，因此被采納為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。但是，采用傳統(tǒng)重量法測(cè)定土壤樣品含水率的測(cè)量時(shí)長(zhǎng)一般較長(zhǎng)，由于需要經(jīng)過(guò)多次烘干稱重直至恒重的過(guò)程，一般情況下耗時(shí)約16～24h，需要消耗實(shí)驗(yàn)人員大量時(shí)間和精力[4,5]。全自動(dòng)水分測(cè)定儀是一類簡(jiǎn)單、易用、快速的水分測(cè)定儀器，其原理也是通過(guò)烘干并稱重的方式來(lái)測(cè)得樣品中的含水率，由于其能夠精確控溫和稱量，可以在得到相對(duì)精確結(jié)果的同時(shí)，保證測(cè)定時(shí)間一般不超過(guò)20min，具有極大的實(shí)際應(yīng)用前景。目前，尚未見使用此類儀器測(cè)定土壤含水率的相關(guān)報(bào)道。為了探究全自動(dòng)水分測(cè)定儀在測(cè)量土壤樣品含水率時(shí)的相關(guān)特性，本文采用該儀器對(duì)風(fēng)干土壤樣品的含水率進(jìn)行了測(cè)定，并研究了土壤樣品的取樣量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

HX204型全自動(dòng)水分測(cè)定儀(METTLER TOLEDO)；MG200型臼式研磨儀(北京格瑞德曼儀器設(shè)備有限公司)。

1.2 土壤樣品的制備

按照土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(HJ/T 166-2004)的要求采集樣品，并將采集的土壤樣品置于風(fēng)干盤中，攤成2～3cm的薄層，適時(shí)的壓碎、翻動(dòng)，撿出碎石、砂礫、植物殘?bào)w等；風(fēng)干后的樣品使用木錘、有機(jī)玻璃棒等工具壓碎、混勻，并采用四分法留取樣品，樣品研磨到全部通過(guò)100目篩(直徑0.15mm)后保存?zhèn)溆肹6]。

1.3 含水率的測(cè)定

按照推薦的儀器參數(shù)設(shè)定測(cè)量方法，調(diào)零后在托盤上加入一定質(zhì)量的待測(cè)樣品并攤平，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕即開始測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后儀器自動(dòng)顯示測(cè)量結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 取樣量對(duì)含水率測(cè)定值的影響

通常情況下，取樣量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要影響，是實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵因素[7-9]。因此，本文測(cè)定了同一土壤樣品在不同取樣量時(shí)的含水率，并研究了含水率測(cè)定值的變化規(guī)律。具體步驟：分別取0.100g、0.500g、2.00g、5.00g、10.0g、15.0g、20.0g土壤樣品置于托盤內(nèi)，按照儀器推薦的條件進(jìn)行含水率測(cè)定，不同取樣量均平行測(cè)定6次，同時(shí)記錄測(cè)量時(shí)長(zhǎng)(取6次測(cè)定時(shí)長(zhǎng)的均值)，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。由表1數(shù)據(jù)可知，當(dāng)取樣量<10.0g時(shí)，隨著取樣量的增加，同一樣品含水率的測(cè)定均值也隨之增加，當(dāng)取樣量為10.0g及以上時(shí)，其測(cè)定值基本保持不變，說(shuō)明當(dāng)取樣量>10.0g時(shí)，增加取樣量對(duì)測(cè)定結(jié)果已無(wú)明顯影響；采用t檢驗(yàn)法，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)取樣量為10.0g、15.0g和20.0g時(shí)，土壤含水率測(cè)定結(jié)果之間無(wú)顯著性差異。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用全自動(dòng)水分測(cè)定儀測(cè)定土壤含水率時(shí)，保證最佳測(cè)試結(jié)果的取樣量至少為10.0g。

表1 測(cè)量結(jié)果與取樣量的關(guān)系

2.2 取樣量對(duì)精密度的影響

精密度是取得良好準(zhǔn)確度的前提條件，一般情況下，只有取得了良好的測(cè)量精密度，才會(huì)有良好的準(zhǔn)確度，精密度一般用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)表示[10]。如圖1所示，計(jì)算了不同取樣量下平行測(cè)定6次的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，由相關(guān)數(shù)據(jù)可知，隨著取樣量的增加，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)越來(lái)越低，表明其精密度越來(lái)越好，假設(shè)該儀器用于稱量的天平標(biāo)準(zhǔn)偏差為s，且該標(biāo)準(zhǔn)偏差s在一定條件下保持穩(wěn)定，稱樣量為m，那么根據(jù)誤差傳遞原理，多次稱量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差可用以下公式表示：

圖1 測(cè)定值與取樣量的關(guān)系

在s不變的情況下，一定范圍內(nèi)，隨著m的增加，其RSD顯然會(huì)降低；但是，當(dāng)取樣量≥10.0g時(shí)，其精密度幾乎不再變化，這可能是因?yàn)殡S著稱樣量的增加，由儀器本身性能引起的隨機(jī)誤差已不是測(cè)量精密度的主要來(lái)源，而由于土壤本身的不均勻性所引起的誤差占據(jù)了主導(dǎo)地位，所以當(dāng)取樣量>10.0g時(shí)，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差也就不會(huì)隨著稱樣量的增加而發(fā)生變化，而是與土壤本身均勻性相關(guān)的固定值。因此，為了避免儀器本身性能所引起的隨機(jī)誤差，從而獲得更好的測(cè)量精密度，采用該方法測(cè)量土壤含水率時(shí)的最小取樣量為10.0g。

2.3 測(cè)量時(shí)長(zhǎng)

通常情況下，采用經(jīng)典重量法測(cè)定土壤樣品的含水率時(shí)，一般至少需要耗時(shí)16～20h，甚至更久[4,5]，而采用該方法的平均測(cè)量時(shí)長(zhǎng)約10～20min，可以大大縮短測(cè)定時(shí)間，節(jié)省大量人力物力。從表1中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)取樣量<2.00g時(shí)，其測(cè)量時(shí)長(zhǎng)穩(wěn)定在70s(6次測(cè)定值均為70s)，這可能與儀器本身性能及終點(diǎn)判斷條件的設(shè)置有關(guān)；當(dāng)取樣量>2.00g(含2.00g)時(shí)，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)隨取樣量增加而增加，以取樣量為橫坐標(biāo)、測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為縱坐標(biāo)作趨勢(shì)圖，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)明顯線性關(guān)系，其線性方程：

圖2 測(cè)量時(shí)長(zhǎng)與取樣量的關(guān)系

y=45.017x+0.0244(r=0.9997)

說(shuō)明在2.00～20.0g范圍內(nèi)，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)與取樣量呈正相關(guān)，其原因可能是在一定的條件下，土壤中水分的蒸發(fā)速率會(huì)保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，即在相同的時(shí)間內(nèi)水分的蒸發(fā)量保持穩(wěn)定，因此在一定范圍內(nèi)隨著取樣量的增加，相應(yīng)的測(cè)量時(shí)長(zhǎng)也隨之增加，且增加幅度相同。

3 結(jié)論

采用全自動(dòng)水分測(cè)定儀對(duì)土壤樣品的含水率進(jìn)行測(cè)定，研究測(cè)定值、精密度以及測(cè)量時(shí)長(zhǎng)與取樣量的關(guān)系，結(jié)果表明，取樣量對(duì)測(cè)定結(jié)果有明顯影響。隨著取樣量的變化，土壤含水率測(cè)定值和測(cè)定精密度(RSD)也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)取樣量>10.0g時(shí)，其測(cè)定值和精密度的變化已不明顯；在2.00～20.0g范圍內(nèi)，含水率的測(cè)量時(shí)長(zhǎng)與取樣量呈正相關(guān)，且其相關(guān)系數(shù)r可達(dá)0.9997。因此，在使用全自動(dòng)水分測(cè)定儀測(cè)定土壤樣品的含水率時(shí)，為了保證測(cè)量精確度和測(cè)量效率，其最佳取樣量為10.0g。