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土壤矿物质颗粒分析

土壤矿物质颗粒分析

 一、比重计法

土壤质地(机械组成)是指土壤中各粒级土粒的配合比例。土壤中的水分、空气、养料、温度、微生物活动、耕性和作物生长发育等。都显著地受土壤质地的影响。因此,这项测定具有重要意义。一般为确定土壤质地而进行土壤颗粒分析的常用方法有吸管法、比重计法等。本实验介绍比重计法。

(一)测定原理

1.土样的分散处理

田间土壤往往是许多大小不同的土粒相互胶结在一起而成团聚体存在的,因此必须加以分散处理,使其成单粒状态,才能进行测定。华北地区的土壤中代换性Ca++、Mg++数量较多,大多含有碳酸钙、硫酸钙等,这些都是阻碍土粒分散的物质。一般常采用六偏磷酸钠(NaPO3)6作为分散剂,处理上述土壤使其分散。(偏磷酸钠一方面可以代换胶体上的Ca++,形成可溶性高的钠钙偏磷酸盐复离子,另一方面又可与< 0.002mm的碳酸钙作用,在其表面形成一种不溶解的胶体状物质Ca3(PO4)2×XH2O,使碳酸钙不溶解,保持不散状态)。

对不含碳酸盐的土壤,可直接加入分散剂Na2C2O4或NaOH处理,分散剂加入的数量根据土壤的代换量来决定。过少则分散不完全,过多则又会使之凝聚。

为了分散完全,除加分散剂外,还必须对土样加以振荡或煮沸。为便于操作,本实验用煮沸法。

2.筛分和悬液制备

分散过的土壤中> 0.25mm的土粒用筛分法分离;< 0.25mm的土粒则制成一定容积的悬液进行沉降分离。

3.沉降与测定

悬液中各级土粒以不同的速度沉降,从而悬液的密度也随之不断改变,经不同时间将土壤比重计放入悬液,测其密度,再由悬液密度计算出各级土粒的重量。

悬液密度与土粒重量的关系如下:


式中:ds为悬液密度;d1为水的密度(67F时为0.9938);d2为土粒的密度(假定为2.65);w为悬液中土粒重量;v为悬液的容积(1000ml)。

测出悬液密度后,可用上式计算出悬浮土粒的重量。土壤比重计就是据此关系,使每刻度表示每公升悬液中有一克土粒悬液浮。因此可直接读出土粒重量,不必再经计算。

4.温度的校正

土壤比重计的刻度是以20℃为准的,但测定时悬液温度不一定是20℃。而我们知道由于温度的不同影响土粒的沉降速度,因此每次测定悬液密度后,还须测定悬液的温度,计算温度校正值,温度校正值可由下表查出,即可计算出实测数值。

土壤比重计温度校正表

温度(

校正值

温度(

校正值

温度(

校正值

6.0~8.5

-2.2

18.5

-0.4

26.5

+2.2

9.0~9.5

-2.1

19.0

-0.3

27.0

+2.5

10.0~10.5

-2.0

19.5

-0.1

27.5

+2.6

11.0

-1.9

20.0

0

28.0

+2.9

11.5~12.0

-1.8

20.5

+0.15

28.5

+3.1

12.5

-1.7

21.0

+0.3

29.0

+3.3

13.0

-1.6

21.5

+0.45

29.5

+3.5

13.5

-1.5

22.0

+0.6

30.0

+3.7

14.0~14.5

-1.4

22.5

+0.8

30.5

+3.8

15.0

-1.2

23.0

+0.9

31.0

+4.0

15.5

-1.1

23.5

+1.1

31.5

+4.2

16.0

-1.0

24.0

+1.3

32.0

+4.6

16.5

-0.9

24.5

+1.5

32.5

+4.9

17.0

-0.8

25.0

+1.7

33.0

+5.2

17.5

-0.7

25.5

+1.9

33.5

+5.5

18.0

-0.5

26.0

+2.1

34.0

+5.8

 

(二)操作步骤

1.用小铝匙取应测土样少许,放在表面皿上,滴加10%HCl数滴,以测试土壤中有无碳酸钙盐类。

2.用台称称出相当于无水干土50克的风干土两份,分别放入两个500毫升三角瓶中,并加蒸馏水200毫升。

3.非碳酸盐土壤按土壤代换量加入当量的0.5N Na2C2O4。若为碳酸盐土壤则应加入1N(NaPO3)6 15~30毫升。

4.将三角瓶内的土样摇匀,煮沸半小时,应注意随时摇动,以免土液溢出;防止土粒沉积瓶底结成硬块或烧焦,即影响分散,又可能使瓶底受热不匀而发生破裂。

5.在1升量筒上架置漏斗,漏斗上放0.25mm筛孔的小筛,把分散的土液倒入,然后再用水冲洗筛上土粒,使所有< 0.25mm土粒通过筛孔进入量筒。每次用水不宜太多,以免*后水量超过1000毫升。

6.用洗瓶将留在筛上的砂粒,洗入已知重量的水分皿或扁铝盒中,倾出过多的水,放入105~110℃烘箱中烘干,称至恒重。

7.用搅拌器在悬液全部深度内上下搅动各15次,将量筒中土液搅匀。分别在搅拌后45秒、25分、2小时和48小时,用比重计测其读数,分别为< 0.05< 0.01< 0.005< 0.001mm的各级土粒重量。测读数时应在搅拌一立即记下时间。在测定前20秒将比重计徐徐放入土液中,待稳定后再放开手,否则土液被搅动而读数不准。读完后取出比重计洗净擦干、保存。

8.读完读数后,立即测定土液温度,然后再用搅拌器搅拌土液至第二次应测时间再行测定土液的密度和温度。

 

(三)结果计算

将比重计读数和温度测定的结果,记入下表并计算出各级土粒的百分数:

① 1~0.25mm土粒

重复

水分皿或

铝盒号

1

水分皿或

铝盒重

(克)

2

铝盒+土粒重

(克)

3

1~0.25mm

土粒重(克)

2-1

 0.25mm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

② < 0.25mm各级土粒的总合百分数

项  目

(一)

(二)

(三)

(四)

粒径mm

< 0.05

< 0.01

< 0.005

< 0.001

重复

读数

 

 

 

 

 

 

 

 

温度

 

 

 

 

 

 

 

 

读度Dg

 

 

 

 

 

 

 

 

总合%

 

 

 

 

 

 

 

 

Dg 为温度校正值

 

③各级土粒百分数

粒径mm

1~0.25

0.25~0.05

0.05~0.01

0.01~0.005

0.005~0.001

< 0.001

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

平均

 

 

 

 

 

 

计算方法

100--()

(一)-(二)

(二)-(三)

(三)-(四)

(四)

 

(四)仪器和药剂配制

台秤1500ml三角瓶21000ml量筒2,土壤比重计1,百度温度计10.25mm土筛1,大漏斗1,洗瓶1,搅拌器1,小铝匙1,水分皿或小烧杯2,热源(附三角架、石绵网),干燥器1,表面皿2,烘箱。

10%HCl 取比重1.19HCl 230ml稀释至1000ml

1N(NaPO3)6将NaH2PO4结晶放在蒸发皿中,在马福炉中加热至650℃,保持15分钟,取出后倒入另一蒸发皿中,使迅速冷却成玻璃状固体,再称取此固体(NaPO3)651克,溶于500ml水中,再加Na2CO3固体调节其酸度至pH8~9

 

作业题:

1.用比重计测定土壤颗粒的原理是什么?

2.每次测定悬液密度,必须同时测定其温度、计算温度校正值,为什么?

3.用比重计法测定土壤颗粒分布,应注意哪些问题?

4.根据测定结果,认定供试土壤属于何种质地?试分析该土壤的土壤肥力状况如何?

 

二、吸管法

吸管法是目前土壤颗粒分析的主要方法之一。此方法是以司笃克斯定律为基础,利用土粒在静水中沉降规律,将不同直径的土壤颗粒把不同粒级分开,加以收集、烘干、称重、并计算各级颗粒含量百分数。

(一)方法原理

土壤颗粒分析,就是用各种方法,把土粒按其粒径大小分成若干粒级,定量测出每一种粒级的百分数,从而求出土壤的颗粒组成。对粒径较粗的土壤(> 0.25mm)一般采用筛分法,逐级分离出来。对粒径较细的土粒(< 0.1mm)需要先把土粒充分分散,然后让土粒在一定容积的水液中自由沉降,凭借粒径愈大沉降愈快的原理,根据司笃克斯定律计算出某一粒径的土粒沉降至某一所深度需要的时间。在规定时间内用吸管在该深度处吸取一定体积的悬液,该悬液中所含土粒的直径则必然都小于计算所确定的粒级直径。将吸出悬液烘干称重,计算百分数。根据需要的各粒径依此进行沉降、计时、吸液、烘干、称重、计算等操作,就可把不同粒级的重量测定出来,再通过换算,计算出土壤中各级土粒百分数,确定土壤的颗粒组成,进行土壤质地命中。

 

(二)试剂与仪器

1.试剂

10.5mol L-1氢氧化钠溶液 称取20克氢氧化钠(化学纯),加蒸馏水溶解后,定容至1000毫升,摇匀。

20.25mol L-1草酸钠溶液 称取33.5克草酸钠(化学纯),加蒸馏水溶解后,定量至1000毫升,摇匀。

30.5 mol L-1六偏磷酸溶液 称取51克六偏磷酸钠[(NaPO3)6](化学纯),加蒸馏水溶解后,定容至1000毫升,摇匀。

40.2 mol L-1盐酸溶液 取浓盐酸(化学纯)250毫升,用蒸馏水稀释至15000毫升,摇匀。

50.05 mol L-1盐酸溶液  取浓盐酸(化学纯)62.5毫升,用蒸馏水释至15000毫升,摇匀。

610%盐酸溶液10毫升浓盐酸(化学纯),加90毫升蒸馏水混合而成。

76%过氧化氢溶液  取20毫升30%过氧化氢(化学纯),再加80毫升蒸馏水混合而成。

810%氢氧化铵溶液20毫升1∶1氢氧化铵溶液,再加80毫升蒸馏水混合而成。

910%醋酸溶液10毫升冰铵醋液(化学纯),再加90毫升蒸馏水混合均匀。

1010%硝酸溶液10毫升浓硝酸(化学纯),再加90毫升蒸馏水混合均匀。

114%草酸溶液4克草酸铵(化学纯),溶于100毫升蒸馏水中。

125%硝酸银溶液  称取5克硝酸银(化学纯)溶于100毫升蒸馏水中。

13)异戊醇[(CH3)2CHCH2CH2CH2OH] (化学纯)

14)浓硫酸(工业用)

2.仪器

1)土壤颗粒分析吸管仪

2)搅拌棒

3)沉降筒:即1000毫升量筒,直径约6厘米,高约45厘米。

4)土壤筛

5)三角瓶(500毫升),漏斗(直径7厘米)

6)天平(感量0.0001克和0.01克两种)

7)其他 电热板,计时钟,温度计(±0.1℃),烘箱,250毫升高型烧杯,50毫升小烧杯,普通烧杯,小量筒,漏斗架,真空干燥器,小漏斗(内径4厘米)等。

 

(三)操作步骤

1.样品处理

1)称样 称取通过1毫米筛孔的风干样品(已全部去除有机质)10克(**到0.01克)测定吸湿水,求出风干样品重,作为计算各级土粒百分数的基础。另称三份,每份10克,其中一份测定盐酸洗失量(指需要去除有机质和碳酸盐的样品),另两份作制备颗粒分析悬液用。

2> 1毫米的石砾处理> 1毫米石砾放入10~12厘米直径的蒸发皿内,加水煮沸,随时搅拌,煮沸后弃去上部浑浊液,再加水煮沸,弃去上部浑浊液,直至上部全为清水为止。将蒸发皿内石砾烘干称重,而后通过10毫米及3毫米筛孔,分级称重,计算各级石砾百分数。

3)去除有机质  对于含大量有机质又需去除的样品,则用过氧化氢去除有机质。其方法是将上述三份样品,分别移入250毫升高型烧杯中,加少量蒸馏水,使样品湿润。然后加6%的过氧化氢,其用量看有机质多少而定,并经常用玻璃棒搅拌,使有机质和过氧化氢接触,以利氧化,当过氧化氢强烈氧化有机质时,发生大量气泡,会使样品溢出容器,需立即滴加戊醇消泡,避免样品损失。如有机质过多,必须用过氧化氢反复处理,直至有机质完全氧化为止,过量的过氧化氢用加热法排除。

4)去除碳酸盐  如果样品中含有碳酸盐时,需用盐酸脱钙。方法是分次滴加0.2molL-1盐酸于高型烧杯中,直至无气泡(CO2)发生为止。为避免烧杯中盐酸浓度降低,需要不断倾去上部清液,然后继续加入0.2 molL-1盐酸,直至样品中所有碳酸盐全部分解。若土壤中有大量碳酸钙存在时,可以适当增加盐酸浓度,以加快脱钙速度。

5)经上述处理的样品,尚须用0.5 molL-1盐酸过滤淋洗,淋洗时应注意,必须使上一次加入的盐酸滤干后,再加盐酸,这样可以缩短淋洗时间,如此反复淋洗,直至滤液中无钙离子反应为止。

6)检查钙离子的方法 用小试管收集少量滤液(约5毫升),滴加10%氢氧化铵中和再加数滴10%醋酸酸化,使呈微酸性,然后加几滴4%草酸铵(可稍加热),若有白色草酸钙沉淀物,即表示有钙离子存在。如无白色沉淀,则表示样品中已无钙离子。

交换性钙淋洗完毕后,再用蒸馏水洗除氯化物及盐酸,直至无氯离子存在。某些土壤,特别是粘土,在洗氯离子过程中,其滤液常出现浑浊现象。这是因为电解质洗失后,土壤趋于分散,胶粒透过滤纸进入滤液所致。所以在淋洗过程中,如发现滤液浑浊,即表明土吉胶体透过滤纸,此时已说明氯离子含量极微,应立即停止洗涤,以免胶体损失,影响分析结果的准确性。

7)检查氯离子方法  用小试管收集滤液(约5毫升),滴加10%硝酸,使滤液酸化,然后加5%硝酸银1~2滴,若无白色氯化银沉淀物,即表示有氯离子存在。如无白色沉淀物,则表明滤液中无氯离子,无需用加蒸馏水淋洗。

2.制备悬液  将经上述处理后的另两份样品,分别洗入500毫升三角瓶中,加入10毫升0.5molL-1氢氧化钠,并加蒸馏水至250毫升,盖上小漏斗,于电热板上煮沸,煮沸后需保持1小时,使样品充分分散。冷却后将悬液通过0.25毫米孔径洗筛,并用橡皮头玻棒轻轻地将土粒洗控,用蒸馏水冲洗,使< 0.25毫米的土粒全部洗入沉降筒中,直至筛下流出的水澄清为止。但洗水量不能超过1000毫升;而> 0.25毫升砂粒则移入铝盒中,烘干后称重,计算粗砂粒(1~0.25毫米)占烘干样品重的百分数。

对于不需去除有机质及碳酸盐的样品,则可直接称取样品10克,放入500毫米三角瓶中,加蒸馏水洗泡过夜。然后根据样品的pH加入不同分散剂煮沸分散。对于石灰性土壤,每10克样品加0.5molL-1六偏磷酸钠10毫米;中性土壤,每10克样品加0.25molL-1草酸钠10毫升;酸性土壤,每10克样品加0.5molL-1氢氧化钠10毫升。煮沸分散后通过0.25毫米孔径筛,洗入1000毫升沉降筒。粗砂粒处理同上。

3.样品悬液的吸取

1)将已洗入沉降筒内的悬液,加蒸馏水定容至1000毫升刻度后放于吸管仪平台上。

2)测定悬液温度后,按司笃克斯定律之公式计算各粒级在水中沉降25厘米、10厘米(或7厘米)所需的时间,即为吸液时间(见附表1)。

附表1  土壤质地分析各级土粒吸取时间表(土粒比重2.65

土粒直径(毫米)

<0.05

 

< 0.01

< 0.005

< 0.001

取样深度(厘米)

25

10

10

10

10

时   间

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

()

5

2

50

1

3

28

9

1

52

37

46

55

19

6

2

44

1

6

27

18

1

49

12

45

30

3

7

2

39

1

4

26

28

1

45

52

44

6

39

8

2

34

1

2

25

41

1

42

45

42

48

48

9

2

30

1

0

24

57

1

39

47

41

34

40

10

2

25

 

58

24

15

1

36

58

40

24

15

11

2

21

 

57

23

33

1

34

14

39

15

40

12

2

17

 

55

22

54

1

31

38

38

10

48

13

2

14

 

54

22

18

1

29

11

37

9

38

14

2

10

 

52

21

42

1

26

49

36

10

20

15

2

7

 

51

21

8

1

24

31

35

12

52

16

2

4

 

49

20

35

1

22

22

34

19

7

17

2

0

 

48

20

4

1

20

17

33

27

14

18

1

57

 

47

19

34

1

18

17

32

37

11

19

1

55

 

46

19

5

1

16

22

31

49

0

20

1

52

 

45

18

38

1

14

30

31

2

40

21

1

49

 

44

18

11

1

12

44

30

18

11

22

1

47

 

43

17

45

1

11

1

29

35

22

23

1

44

 

42

17

21

1

9

23

28

54

24

24

1

42

 

41

16

57

1

7

46

28

54

24

25

1

39

 

40

16

34

1

6

15

27

36

23

26

1

37

 

39

16

12

1

4

46

26

59

19

27

1

35

 

38

15

50

1

3

21

26

23

44

28

1

33

 

37

15

30

1

1

59

25

49

26

 

3)记录开始沉降时间和各级吸液时间。用搅拌器搅拌悬液1分钟(一般速度为上下各30次)搅拌结束时即为开始沉降时间。在吸液前就将吸管放于规定深度处,再按所需粒径与预先计算好的吸液时间提前10秒钟开启活塞吸悬液25毫升。吸取25毫升悬液约须20秒钟,速度不可太快,以免涡流影响颗粒沉降规律。将吸取的悬液移入有编号的已知重量的50毫升小烧杯中,并用蒸馏水洗尽吸管内壁附着的土粒,全部移入50毫升小烧杯。另外,含有机质多而未去除有机质的样品,在搅拌时会引起不少气泡,而影响吸管浓度刻线的观察,因而必须立即滴加戊醇消泡。

4)将盛有悬液的小烧杯放在电热板上蒸干,然后放入烘箱,在105~110℃下烘6小时至恒重,取出置于真空干燥器内,冷却20分钟称重。

 

四、结果计算

1.小于某粒径颗粒含量百分数的计算

式中x为小于某粒径颗粒重量(%);gv为25毫升吸液中小于粒长颗粒重量(克);g为由风干土重和吸湿水%换算的烘干样品重(g);v吸管容积(常用的为25毫升)。

2>1毫米粒径粒含量百分数的计算:

3.吸湿水含量百分数的计算:

4.盐酸洗失量及其百分数的计算:

盐酸洗失量(克)烘干样品重(克)- 盐酸淋洗后样品烘干重(克)

    

51~0.25毫米粒径颗粒含量百分数的计算:

6.分散剂重量校正 加入样品的分散剂充分分散样品并分布在悬液中,故对< 0.25毫米各级颗粒含量需校正。由于在计算中各级含量百分数由各级依次递减而算出,所以,分散剂占烘干样品重的百分数可直接于< 0.001毫米部分减去(详见下面计算实例)。

7.计算实例:

1)吸湿水含量——5.26%

210~3毫米粗砾含量——(样品中无粗砾)

33~1毫米细砾含量——1.50%

4)烘干样品重——9.5000

5)盐酸洗失量——0.2375

61~0.25毫米颗粒重——0.0475

725毫升悬液中小于某粒径颗粒烘干重

< 0.05毫米颗粒重——0.2150

< 0.01毫米颗粒重——0.1501

< 0.005毫米颗粒重——0.1152

< 0.001毫米颗粒重——0.0691

8)小于某粒径颗粒占烘干样品重的百分数:

9)加入悬液中的分散剂(10毫升0.5N氢氧化钠)占烘干样品重的百分数为2.11%,在< 0.001毫米部分减去29.09% - 2.11% = 26.98%

10)由上可得各粒级颗粒占烘干样品重的百分数


1~0.25毫米

0.50%

0.05~0.01毫米

90.53% - 63.20% = 27.33%

0.01~0.005毫米

63.20% - 48.51% = 14.69%

0.005~0.001毫米

48.51% 29.09% = 19.24%

< 0.001毫米

26.98%

0.25~0.05毫米

100% - (0.50+27.33+14.69+19.24+26.98+2.50)% 

= 8.58%


由于土壤中碳酸盐和可溶性盐分在各粒级间分布没有一定的规律性,因此在分析结果中,目前将“盐酸洗失量”单独列为一项,而不分配到各粒级中。在盐基不饱和的土壤中,盐酸处理的损失以硅酸态的铁、铝化合物为主,以盐酸洗后烘干土重为基础计算各级颗粒百分数。

吸管法允许平行优良误差,粘粒粒级< 1%,粉砂粒级<2%

8.分析结果评定  土壤颗粒分析的结果可用表格形式表示,如附表2

 

附表2  土壤质地分析结果登记表(以烘干样品为基础计算的重量百分数)

样  品  总  号

´   ´   ´   ´

分    析    号

´           ´

土  壤  名  称

´     ´     ´

层次和深度(厘米)

´   ´ ~ ´   ´

吸  湿  水(%

5.26

%

> 10毫米

10~3毫米

3~1毫米

1.50

1~0.25毫米

0.50

0.25~0.05毫米

8.58

0.05~0.01毫米

27.33

0.01~0.005毫米

14.69

0.005~0.001毫米

19.42

< 0.001毫米

26.98

质地名称(中国制)

粘   壤   土

盐酸洗失量(%

2.50

备       注

少   砾   质

 

作业题

1.吸管法测定土壤质地的原理是什么?

2.与比重计比较有何优越性?

3.测定时应注意哪些事项?

 

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