一种可用于评估土壤团聚体稳定性的超声能量法

谢志强, 许建林, 朱兆龙,, 安韶山

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)



一种可用于评估土壤团聚体稳定性的超声能量法

谢志强1, 许建林1, 朱兆龙1,2, 安韶山2

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

团聚体稳定性是土壤质量的重要指标。鉴于当前团聚体稳定性难以定量的研究现状，本文提出一个可定量评估土壤团聚体稳定性的超声能量法，并与传统Yoder湿筛法对比分析了稳定性土样(浙江潮土、重庆黄壤土、江西红壤)和弱稳定性土样(河北壤土和黑龙江暗棕壤)五种典型土壤的5～3 mm粒级团聚体的平均重量直径(MWD)和团聚体粒径分布(ASD)。结果表明：(1) 测试土样的稳定性为潮土>红壤>黄壤土≫暗棕壤>壤土；(2) 超声能量法分散强度大，分散效率高，更适用于稳定性土样的评估，对于弱稳定性土样的评估则不如传统Yoder湿筛法。因此，评估土壤团聚体稳定性时可以选择合适的测量方法以提高分辨精度，即强稳定性土壤对比分析应选用超声能量法，而弱稳定性土壤对比分析则可以用Yoder湿筛法。

土壤团聚体; 团聚体稳定性; 超声能量; Yoder湿筛法

土壤团聚体是指一组粘结在一起的多个基本土壤颗粒，是土壤结构的基本单位[1]。团聚体稳定性是土壤结构的重要属性，也是土壤质量的重要指标，它反映了土壤团聚体对于外来破坏性作用力的抑制能力，影响着土壤入渗和侵蚀等物理性质[2]。评估土壤团聚体稳定性的指标很多，当前最为常用的指标为平均重量直径(MWD)[3-4],评估方法上则主要有湿筛法、水滴法、人工降雨模拟法、Le Bissonnais法等[5-8]。然而，这些评估方法在样品处理、作用力和结果的表示等方面存在着诸多差异[9]，而且都没有从能量角度量化团聚体的稳定性。近来有学者提出使用超声激励法分散土壤以定量评估土壤团聚体的稳定性。朱兆龙等在North[10]和Raine &So[11]评估团聚体稳定性方法基础上，将功率计法和热计量法有机结合，提出一种测量土壤分散能量的测量方法和技术[12]，并研制了一个简易的土壤团聚体稳定性评估系统[13]；评测了澳大利亚Vertisol土样和Ferrasol土样的团聚体粘结能，量化其稳定性[14-15]。然而，该方法对试验控制条件要求比较高[16]，因而限制了应用。

综上所述可知，现有团聚体稳定性的评估方法在定量评估上仍然存在许多局限性和技术瓶颈。鉴于此，本文在朱兆龙等[12]的超声方法基础上进行改进，提出一个可用于评估土壤团聚体稳定性的超声能量法，并与传统Yoder湿筛法对比测试五种典型土样的稳定性，明确其特点和适用范围。

1　材料与方法

1.1试验材料

2014年11月在浙江大云山、重庆歌乐山、江西于都县、河北行唐县和黑龙江帽儿山选择环境条件及生产管理水平基本一致的地块进行采样，采集表层原状土(0—20 cm)，重复三次，基本采集信息如表1所示。将所采土壤样品风干，去除根系、枯落物等杂物后，干筛分离出原状土中的5～3 mm团聚体，作为团聚体稳定性对照测试样本。

表1　试验土壤的基本情况

1.2土壤团聚体组成和稳定性评估

1.2.1试验设备超声分散系统如图1所示，主要包括超声仪器、超声振子、双层中空试验容器、数据采集器、温度探头、冷却循环泵、计算机等。探针型超声仪器UP100H(德国Hielscher公司，超声功率可调且电声转化效率高达90%)通过其配套的超声振子MS10(末端直径为10 mm，声功率密度为90 W/cm2)为双层中空试验容器(内壁上端直径约60 mm，下端约30 mm，深约80 mm，容积大约为75 ml,容器口壁厚约3 mm，容器口边沿外延加厚2 mm，直径约65 mm，空腔容积约为160 ml)内的土水溶液提供超声能量，以分散土壤团聚体；超声能量则由数据采集器实时监测；同时，数据采集器通过温度探头(Pt1000A，德国贺利氏公司，精密度为0.002℃)同步监测土水溶液的温度，采样频率为1 Hz，其测量结果通过串口通信上传给计算机实现显示、存储和运算等功能；此外，冷却循环泵提供冷却循环水，其流量可调，由流量计监测。冷却循环水通过双层试验容器中间密封层调节试验容器内壁土水溶液的温度，控制超声分散试验的溶液温度条件。

1.2.2测量原理通过评估一定分散能量作用下团聚体的分散程度，可以有效评估团聚体的稳定性，因此，团聚体稳定性评估包括分散能量的确定和团聚体分散度两部分，前者由超声分散系统测定，后者可以用常规湿筛法测定的团聚体组成和平均重量直径MWD。

图1　超声分散系统原理框图

超声仪器正常工作时，通过其内超声换能器将电能转换为机械能，并由超声振子输出超声波，进而为土水溶液分散土壤团聚体提供超声能量[12]。根据能量转化守恒定律，超声振子输出的超声能量PA可以表示为:

PA=P-PD

(1)

式中：P表示超声仪器输入功率；PD表示超声仪器消耗功率，对于土水溶液轻负载而言，它可以近似等于空载时的消耗功率P0。

因此，在超声分散时间内超声振子输出给土水溶液的超声能量W为

(2)

当超声振子输出超声波激励土水溶液时，将分散土壤团聚体。通过对比在统一超声能量W作用下土壤团聚体的平均重量直径MWD，可以有效评估土壤团聚体的稳定性。MWD的计算公式为：

(3)

式中：xi为每一粒级团聚体的平均直径(mm)；wi为每一粒级团聚体的重量百分含量。

同一粒径范围内土壤团聚体，在超声能量W作用后，MWD越大，其稳定性越强。

1.2.3测量方法于2015年3月至6月采用超声能量法测量土壤团聚体稳定性。首先设置超声仪器UP100 H为连续工作模式(Cycle=1)，超声振子振幅档Am为0.2，并由超声系统测定其输出超声功率PA约为20 W。然后取5～3 mm粒级团聚体3±0.01 g，放入试验容器中，将量取好的30±0.01 g去离子水沿试验容器内壁轻轻倒入，浸润5 min，使土壤颗粒间空气充分排出。通过冷却循环泵控制，在满足统一起始温度条件(40 s内溶液温度为20±0.1℃且极差小于0.2℃)后开始超声试验，分散时间为10 s，超声能量约为200 J。分散后的土水溶液移至套筛(孔径2，1，0.5及0.25 mm)进行湿筛，收集各级土壤团聚体，并进行烘干称重，计算出团聚体的组成和平均重量直径MWD。

同期采用Yoder湿筛法[5]进行团聚体稳定性评估的对照试验，取同粒级的相同风干土样50±0.01 g，放进孔径依次为2，1，0.5，0.25 mm的套筛，应用FT-3型电动固粒分析仪(南京土壤仪器厂)使套筛在水中以30次/min速度振动30次，收集各级团聚体，烘干称重，计算团聚体的组成和稳定性。

2　结果与分析

图2给出了超声能量法和Yoder湿筛法下的土壤平均重量直径MWD。由图2A知，在超声能量200 J作用后，FAS，YS，RS的MWD都保持在0.9 mm以上，稳定性好，而且FAS>RS>YLS；而DBS，LS的MWD都在0.25 mm左右，差异小，稳定性相近。由图2B知，在Yoder湿筛法下，土样稳定性分布为FAS >RS >YLS>DBS>LS，其中FAS，YS，RS的MWD都在1.7 mm左右，而DBS，LS的MWD为0.8 mm左右，且稳定性为DBS>LS。对比两种测试结果可知，超声能量法分散功率(20 W)高，土样整体MWD相对较低，但是对于稳定性土样(FAS，YLS和RS)，其分辨力高，为0.23 mm(标准差)，大于Yoder湿筛法的0.10 mm；而对于弱稳定性土样(DBS和LS)，Yoder湿筛法的分辨力较高，达到0.19 mm(标准差)，而超声能量法则难以分辨出DBS和LS的差异。

从粒径分布角度来看(图3)，对于稳定性土样(FAS，YS和RS)，在超声能量法下，其粒径分布主要集中在>2 mm和<0.25 mm上，其中>2 mm占36%～65%，<0.25 mm占24%～43%(图3A)，而Yoder湿筛法则集中在>2 mm上，占71%以上(图3B)；而对于弱稳定性土样(DBS和LS)，超声能量法下的粒径分布完全集中于<0.25 mm上，占95%以上，而Yoder湿筛法的粒径分布相对均匀，各段粒径分布相差不是很大。可见，尽管超声能量法仅用10 s，但对土样的分散程度要远大于振动1 min的Yoder湿筛法。这种差异与两者测量原理有关。超声能量法是利用超声空化效应中空泡溃灭的能量释放期产生强大冲击波和高速射流分散土壤，分散强度大，分散效果显著，且分散时间短[2,17]；而Yoder湿筛法则主要利用土样湿润过程中的崩解、差异膨胀和物理—化学分散作用以及湿筛过程中的筛分作用力来分散土样，由于振动幅度小、速度慢，因而分散强度小，分散效果差，且时间长[18-19]。

图2　超声能量法和Yoder湿筛法下MWD

图3　超声能量法和Yoder湿筛法下的土壤团聚体粒径分布

综上分析知，对于稳定性土样，采用超声能量法评估土壤团聚体稳定性，其分辨力远高于Yoder湿筛法，而对于弱稳定性土样，超声能量法评估能力相对较弱。因此，要提高土壤团聚体稳定性评估的分辨力，应选择合适的评估方法，即中、高稳定性土样选用超声能量法，而弱稳定性土样则可以选用Yoder湿筛法。

3　结 论

提出了一种评估土壤团聚体稳定性的超声能量法，并对比了Yoder湿筛法评估中国五种典型土壤的团聚体稳定性，研究结果表明：(1) 相比于Yoder湿筛法，超声能量法分散效率高，对强稳定性土壤进行评估时分辨效果好，而对于弱稳定性土壤则分辨效果差；(2) 五种典型土壤的团聚体稳定性测试结果为：浙江潮土>江西红壤>重庆黄壤土≫东北暗棕壤>河北壤土；(3) 评估土壤团聚体稳定性时应选择合适的分散方法以提高分辨精度，即强稳定性土壤对比分析时应选用超声能量法，而弱稳定性土壤对比分析，则可以用Yoder湿筛法。

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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

国家自然科学基金项目(41171226,41101201);教育部新世纪优秀人才(NCET-2-0479)

谢志强(1990—),男,湖南衡阳人,硕士研究生,主要从事智能检测与控制技术研究。Email:jipaodexiaoyu@nwsuaf.edu.cn

朱兆龙(1977—),男,福建永泰人,博士,助理研究员,主要从事土壤结构研究。E-mail:zhu_zl@nwsuaf.edu.cn

S152.4

A

1005-3409(2016)04-0019-04