土壤的粒度分布

關(guān)鍵詞：土壤、粒度分布、沉積物、砂子、粘土

通過(guò)對(duì)土壤和海洋沉積物的粒度分析，可以對(duì)土壤的類型及來(lái)源地等進(jìn)行區(qū)分。而土壤的諸多特征取決于土壤的類型，如對(duì)水分和養(yǎng)分的滲透能力，以及對(duì)侵蝕的敏感性等。PSA利用激光衍射技術(shù)，可對(duì)土壤進(jìn)行快速和可重復(fù)的測(cè)量，范圍覆蓋從亞微米級(jí)粘土到毫米級(jí)砂礫 。

1，介紹

土壤由砂、淤泥和粘土組成，這些成分的比例決定了土壤的類型。土壤中的有機(jī)成分由植物和動(dòng)物的不同階段分解產(chǎn)物組成，這些有機(jī)成分將礦物土壤顆粒粘結(jié)成團(tuán)聚體。粒徑分布是土壤和沉積物Z基本的特性之一。它決定了諸如密度、孔隙度、保水率、營(yíng)養(yǎng)成分含量和滲透率等許多特征。圖1所示的土壤三角圖顯示了土壤質(zhì)地對(duì)其不同成分比例(1)的依賴，圖中將不同成分比例的土壤劃分為不同的類型。不同的國(guó)家或地區(qū)的土壤類型由不同組分的含量所決定。

圖1:圖為美國(guó)農(nóng)業(yè)部對(duì)土壤類型的劃分方法 (2)土壤類型由三種主要成分(粘土、淤泥和沙子)的交點(diǎn)位置所處區(qū)域所決定。星號(hào)處土壤類型為粘土。

土壤類型的劃分非常重要，從化肥的施用到在建筑工程中的應(yīng)用等均有重要指導(dǎo)作用。

土壤的滲透率取決于其顆粒分布情況，從而影響其對(duì)肥料和水的需求量(1)。如果土壤顆粒較大，則可以確保更好的滲透率。相反，小顆粒提供更高的保水率。如表1所示，粘土、淤泥和沙子是由它們的顆粒大小來(lái)定義的。在ISO 14688-1:2002所規(guī)定的國(guó)際分類中，單位為毫米。

同樣基于粒度的分類也可以用于海洋沉積物。海洋沉積物的研究對(duì)科學(xué)家學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)和海洋的歷史(3)十分重要。深海沉積物的成分可能具有相鄰的大洲及其間運(yùn)輸方式等重要信息 (4)。海洋沉積物的主要來(lái)源之一是侵蝕的巖石，巖石經(jīng)過(guò)物理風(fēng)化過(guò)程產(chǎn)生顆粒及碎片。這些碎片經(jīng)過(guò)風(fēng)、冰川和河流的運(yùn)輸，直到沉積在海洋的不同深度。它們?cè)诔练e在海洋中的時(shí)間越長(zhǎng)，就越容易被磨圓、變小。此類沉積物被歸類為巖石性的沉積物(5)，進(jìn)而根據(jù)其密度、大小和形狀進(jìn)行分類(3)。

粒度測(cè)定不僅有助于確定風(fēng)化過(guò)程發(fā)生的位置，如在水面以上或在海洋深處，而且有助于確定這些顆粒在海洋大陸架中的位置(5)。

傳統(tǒng)中測(cè)定土壤和海洋沉積物粒度分布的方法是篩分和沉積分析。然而，與這些相比，激光衍射有很多優(yōu)點(diǎn)。如激光衍射測(cè)量速度快，測(cè)量范圍更大，同時(shí)大大提高對(duì)小顆粒尺寸(< 2μm)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，激光衍射法還可以進(jìn)行系列測(cè)量，且其測(cè)量結(jié)果具有可重復(fù)性。

2，測(cè)試參數(shù)設(shè)置

測(cè)試實(shí)驗(yàn)為PSA 1190 L/D的濕法模式。

表2為測(cè)試所需輸入的參數(shù)。

為了直接根據(jù)主要組分含量的大小對(duì)樣品進(jìn)行分類，軟件對(duì)土壤的大小等級(jí)進(jìn)行了計(jì)算(見表1)。

3，樣品制備

3.1土壤

樣品為某建筑企業(yè)提供的兩種土壤樣品。采樣深度分別為3米(樣本3米)和5米(樣本5米)。此外，還對(duì)耕層(Z上層20厘米)的樣品進(jìn)行了測(cè)試。為了研究粘土和淤泥顆粒的ZJ分散條件，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了三種樣品制備方法。

對(duì)原始樣品和預(yù)分散樣品的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

3.1.1方法1:樣品預(yù)處理

對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，確保去除其中的有機(jī)物和碳酸鹽。預(yù)處理后，粘土和淤泥顆粒之間的粘連被破壞，從而減少顆粒之間的團(tuán)聚。

首先將濕樣品分散在3%的H2O2溶液中去除有機(jī)物。將溶液靜置過(guò)夜后，在80°C的水浴中除去H2O2。懸浮液靜置1小時(shí)，沉淀物用1M鹽酸溶液去除碳酸鹽。

將混合物放入水浴中15分鐘，然后靜置一夜。此時(shí)，絮凝性土壤顆粒與周圍的上清液分離，用移液管移去上清液，直到出現(xiàn)高度濃縮的顆粒懸浮液。用六偏磷酸鈉(4%，SHMP)和碳酸鈉(1%，Na2CO3)的混合溶液處理剩余的土壤部分。攪拌過(guò)夜，即可對(duì)懸浮液進(jìn)行測(cè)量。

3.1.2方法2:樣品預(yù)分散

在第二種樣品制備方法中，不進(jìn)行預(yù)處理。將濕樣品在放置在0.1% SHMP溶液中預(yù)分散過(guò)夜。一般情況下，SHMP溶液濃度可達(dá)4%即可。

3.1.3方法3:無(wú)樣品預(yù)處理，無(wú)樣品預(yù)分散

在第三種樣品制備方法中，樣品在50°C的烘箱中干燥，粉碎。然后將樣品分散在充0.1% SHMP溶液的分散池中。

3.2海洋沉積物

測(cè)試樣品為海洋中的泥漿沉積物。測(cè)量時(shí)，使用0.1%的SHMP溶液作為分散介質(zhì)(方法3)。輸入表2中的參數(shù)，先進(jìn)行測(cè)量背景，后進(jìn)行加樣測(cè)試。

4結(jié)果與討論

4.1土壤

4.1.1樣品深度3 m

圖2為3 m樣品經(jīng)三種不同制備方法分散后的光強(qiáng)分布和累積分布疊加圖。圖中可以看出，方法3制備的樣品，沒有進(jìn)行預(yù)處理和預(yù)分散，粒徑分布向更大尺寸范圍偏移。這意味著顆粒仍然處于聚集狀態(tài)。其中，顆粒范圍< 2μm占2.8%，范圍2 - 50μm占73.6%(見表3)。方法1和2制備的樣品，其粒徑在粘土和淤泥顆粒區(qū)域分布更多。

樣品3 m由于有機(jī)組分(動(dòng)植物碎屑)的存在，大顆粒的團(tuán)聚體含量較高。樣品經(jīng)預(yù)處理后，大大改善了其分散狀態(tài)，因此，小顆粒含量也更高。

結(jié)合土壤類型三角圖和方法1測(cè)量結(jié)果(見圖1)，將樣品劃分為淤泥土類型。

圖2  三種分散方法處理后樣品（3m）的光強(qiáng)和累積分布結(jié)果

4.1.2   5 m深度采樣

三種樣品制備方法同樣用于樣品5 m的分散。圖3為測(cè)試的光強(qiáng)分布和累積分布峰形，累積分布詳細(xì)結(jié)果見表4。5 m深處的粘土和淤泥中含較少的有機(jī)物質(zhì)，使用添加劑如H3O3、HCl和SHMP對(duì)分散沒有太大影響。測(cè)試的結(jié)果如圖所示。

圖3: 三種分散方法處理后樣品（5m）的光強(qiáng)和累積分布結(jié)果

粘土(0.04 - 2μm)和淤泥(2 - 50μm)約為4%和90%，通過(guò)查找土壤三角形，樣本被定義為淤泥土壤類型。

4.1.3耕層取樣

未預(yù)分散的耕層土樣(方法3)和0.1% SHMP預(yù)分散后(方法2)的光強(qiáng)和累積分布如圖4所示。

圖4:耕層樣品光強(qiáng)和累積分布結(jié)果

從圖4可以看出，樣品預(yù)處理使測(cè)量的粒徑分布向更小的粒徑范圍偏移。事實(shí)上，與樣品3 m和樣品5 m相比，耕層土壤中粘土的含量更高(見表5)。其含量為6.3%，淤泥的有效含量約為92%。

這種成分比例，使密實(shí)的耕層土壤具有很低的過(guò)濾能力，因此在降雨或灌溉之后，通常會(huì)出現(xiàn)飽和和積水問(wèn)題(6)。

4.2海洋沉積物

海洋沉積物粒徑分布結(jié)果顯示其為多分散樣品，粒度分布的跨度為5.7(圖5)。為了縮小對(duì)其粒徑測(cè)試的范圍，軟件對(duì)小于63μm的顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)量結(jié)果顯示90%的顆粒小于此粒徑。粘土和淤泥的含量較高表明，沉積物樣品是強(qiáng)風(fēng)化作用的結(jié)果，風(fēng)化的巖石經(jīng)風(fēng)和水的傳播，沉積而成(5)。

這種海洋沉積物通常沉積在海洋盆地的Z深處，遠(yuǎn)離海岸，受波浪和湍流的影響減小。

圖5海洋沉積物的激光衍射光強(qiáng)與累積分布結(jié)果

5  激光衍射法與篩分法和沉降法的對(duì)比

為了研究激光衍射法與其他更傳統(tǒng)的方法如篩分和沉降法(包括移液管法和比重計(jì)法)在土壤測(cè)量方面的主要差異，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

5.1篩分

圖6為另一個(gè)海洋沉積物樣品的激光衍射光強(qiáng)和累積粒徑分布結(jié)果。

表6列出了顆粒在0 - 63μm范圍內(nèi)的篩分和激光衍射測(cè)量結(jié)果。

圖6海洋沉積物的激光衍射光強(qiáng)與累積分布結(jié)果

表6: 篩選法和激光衍射法測(cè)量海洋沉積物中土壤粒徑分布結(jié)果的對(duì)比。

與激光衍射測(cè)量相比，篩分檢測(cè)到的細(xì)顆粒比例更小。因?yàn)樵诤Y分分析中，顆粒在粘結(jié)力的作用下迅速團(tuán)聚增大，使顆粒不容易通過(guò)篩眼而堵塞在其上 (7)。相比之下，激光粒度儀測(cè)試中由于攪拌和超聲的存在，能對(duì)顆粒進(jìn)行更好的分散，減少團(tuán)聚。

5.2沉降

沉降技術(shù)將顆粒直徑定義為與未知尺寸顆粒在液體中具有相同沉降速度的理想球形顆粒的直徑相等。(8)

另一個(gè)耕層土壤樣品的粒徑分布如圖7所示，表7是沉降和激光衍射法結(jié)果的對(duì)比。

圖7激光衍射測(cè)得的耕層土樣光強(qiáng)和累積分布結(jié)果

表7: 沉降法和激光衍射法測(cè)量耕層土壤粒徑分布結(jié)果的對(duì)比

由表7可見，沉降法中小于2μm的顆粒含量明顯高于激光衍射法。因?yàn)檎惩恋阮w粒在沉降過(guò)程中不是球形，而是板狀或管狀的，其ZD截面積垂直于運(yùn)動(dòng)方向(8)，因此顆粒的阻力增大，沉降速度減小。而沉降法中粒徑與沉降速度成正比(如公式1所示)，因此，隨著速度的降低，計(jì)算出的粒徑也隨之減小。因此，沉降法粒徑分布在< 2μm的范圍內(nèi)的含量更高。

6結(jié)論

本文用激光衍射法測(cè)定了土壤和海洋沉積物的粒度分布及其含量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到，PSA的測(cè)量范圍很廣，涵蓋了所有主要的沉積物組分，從亞微米級(jí)的粘土到毫米級(jí)的沙子，使PSA能夠滿足對(duì)廣泛樣本的表征。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，3米和5米深處采集的土壤樣品含有不同比例的粘土和淤泥。5米深處的樣品顆粒在0.04 - 50μm范圍內(nèi)含量更高。這意味著此樣品顆粒尺寸更小，與在3米處采集的樣品相比，有更高的保水率。

從土壤類型三角圖上看，這兩種土壤樣本都被歸類為淤泥土壤。它們的過(guò)濾率均很低，能夠?yàn)橹参锾峁┝诉m量的水分和養(yǎng)分。典型的強(qiáng)壓實(shí)耕層土樣具有相同的淤泥土壤特征。

在海洋沉積物樣品中，顆粒大小表明風(fēng)化過(guò)程的進(jìn)展，風(fēng)化過(guò)程隨氣候、地形、排水面積和巖石類型的不同而不同。對(duì)測(cè)試樣品而言，高含量的粘土和淤泥表明了更強(qiáng)、更持久的侵蝕過(guò)程。

ZH，實(shí)驗(yàn)得出，不同的測(cè)量技術(shù)得出不同的粒徑分布結(jié)果，因?yàn)槊糠N技術(shù)都有特定的原理并因此引入其特有的偏差。

因此，只有在適當(dāng)?shù)臈l件下，才能將激光衍射分析提供的數(shù)據(jù)與篩分和沉積技術(shù)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比較，這有助于解釋結(jié)果中存在的差異。

可以肯定的是，與其他技術(shù)相比，激光衍射粒度儀可以在更寬的粒徑范圍內(nèi)進(jìn)行更快速且重復(fù)性好的測(cè)試。

7參考文獻(xiàn)