土壤样品共31个,包括黑土10个、褐土11个、紫色土10个。其中,黑土样品于2018年7月采自黑龙江省嫩江市鹤北小流域的典型土壤剖面,每个土壤剖面深100～200 cm不等,划分为4～5个发生层,共采集代表性样品52个; 褐土于2016年8月采自北京市密云区的一块典型耕地,在耕地内选取一条长125 m的样带,以1—5 m的水平间距设置采样点,在每个样点每隔10 cm采集分层土壤样品直至100 cm深,采集土样共计277个; 紫色土样品则是2018年7月在四川省宜宾市屏山县采集的表层土壤(0—20 cm),涉及草地、耕地、林地和园地4种土地利用类型,样品共计50个。根据SPM所测黏粒含量对3种土壤样品分别进行排序,然后等间距选取10～11个代表性样品进行试验分析和对比。

所有土壤样品风干后,过2 mm筛去除草根、枯落物和砾石。分别利用盐酸和双氧水去除土样中的碳酸钙和有机质。分散剂因土样pH值而异,呈酸性的黑土使用氢氧化钠作为分散剂,呈碱性的褐土和紫色土则使用六偏磷酸钠作为分散剂^[1]。

称取20 g土样,将充分分散后的悬液依次通过250,100 μm筛,获得250～2 000,100～250 μm粒径的土壤悬液,烘干称重后得到对应粒级的质量百分比。剩余悬液转入1 L的量筒中,根据Stokes定律计算的沉降时间将<53 μm,<20 μm,<10 μm,<5 μm和<2 μm粒级的土壤悬液吸取至烧杯中,烘干称重后计算得到20～53 μm,10～20 μm,5～10 μm,2～5 μm与<2 μm的土壤颗粒含量。53～100 μm的颗粒占比则由100%减去其余粒级含量获得。随机抽取80%的样品进行重复试验,取平均值作为最终PSD结果。

称取3 g土样,经充分分散后直接采用Malvern Mastersizer 2000进行测定。该仪器基于Full Mie理论,粒径测量范围是0.01～2 000 μm。在测定过程中,颗粒折射系数和吸收系数分别设为1.52,0.1^[13]。其中,褐土样品的测定步骤略有不同:分散土样依次通过250,100 μm筛,烘干称重得到对应质量百分比; 剩余悬液则利用LDM进行PSD测定,颗粒折射系数与吸收系数保持不变。所有样品均重复测定3次后取平均值。

重复2.3中SPM的步骤,得到250～2 000 μm,100～250 μm,<100 μm,<53 μm,<20 μm,<10 μm,<5 μm和<2 μm粒级的土壤悬液,采用LDM分别进行测定,颗粒折射系数和吸收系数与之前一致,分别为1.52,0.1。每个样品重复测定3次后取平均值。

所有统计分析如描述统计、配对样本t检验、单因素方差分析和Pearson相关关系分析均采用IBM SPSS Statistics 20进行。绘图则采用Origin 2019b完成。

图1对比了SPM和LDM测得的黑土、褐土与紫色土PSD。与湿筛结果相比,LDM显著低估了黑土和紫色土250～2 000 μm粒级的颗粒含量(p<0.01),平均差值分别为-17.7%,-11.0%(图1A,C)。但对于两种土壤的100～250 μm粒级,LDM与湿筛法并无显著差异。利用LDM分析褐土样品时,先利用湿筛获得250～2 000,100～250 μm粒级颗粒并对其百分比含量进行计算。然而,利用激光粒度仪测定余下土壤悬液时仍发现了上述粒级颗粒的存在,因此根据LDM所得体积百分比结果对上述粒级含量进行校正。结果表明,LDM与湿筛法所得250～2 000 μm颗粒含量无显著差异; 但前者相比后者显著高估了100～250 μm颗粒含量(p<0.01),对应平均差值为1.5%。可见,对于不同土壤,传统湿筛法与LDM在>100 μm的2个粒级可能得到完全不同的结果。冯腾等^[14]发现LDM相比湿筛法低估了喀斯特地区土壤250～2 000 μm颗粒含量; Yang等^[4]则发现LDM高估了黄土250～2 000 μm颗粒含量。

对于53～100 μm,20～53 μm粒级,LDM较SPM显著高估了黑土这2个粒级的百分比含量(p<0.01),平均差值分别为3.4%,5.2%; 显著高估了褐土53～100 μm粒级含量,低估了20～53 μm含量(p<0.01),平均差值分别为8.2%,-6.4%; 但LDM与SPM所测紫色土结果之间并无显著差异。对于<20 μm的4个粒级,除褐土10～20 μm粒级外,LDM与SPM相比显著高估了3种土壤2～20 μm各粒级含量,低估了<2 μm粒级含量。并且,除紫色土5～10 μm粒级在0.05的置信水平显著外,其他粒级均在0.01水平显著。此外,LDM与SPM间的绝对差异随粒级减小总体呈增大趋势(图1)。

将上述8个粒级根据美国农业部制土壤粒径分级标准^[15]划分为砂粒(53～2 000 μm)、粉粒(2～53 μm)和黏粒(<2 μm)。根据配对样本t检验,LDM相比SPM显著高估了黑土、褐土和紫色土的粉粒含量(p<0.01),平均差值分别为29.4%,9.1%,15.0%; 低估了3种土壤的黏粒含量(p<0.01),平均差值分别为-14.6%,-21.0%,-7.3%(表1)。这与大多数学者的研究结果一致^[4,16],即LDM相比SPM均表现出对粉粒含量的高估和对黏粒含量的低估。然而,在砂粒含量方面,二者的对比结果因土壤类型而异。与SPM相比,LDM显著低估了黑土的砂粒含量,高估了褐土的砂粒含量(p<0.01); 但两种方法得到的紫色土砂粒含量之间并无显著差异。刘雪梅等^[17]同样发现LDM和SPM在砂粒含量方面无显著差异。杨金玲等^[18]则发现LDM相比SPM可能高估也可能低估砂粒含量。LDM与SPM的对比结果因土壤类型、粒径范围而异,有必要针对不同粒级,深入探究其具体差异及可能来源。

图1 湿筛-吸管法和激光衍射法所测3种典型土壤的粒径分布对比

表1 湿筛-吸管法与激光衍射法测定3种典型土壤砂粒、粉粒和黏粒含量的平均差值和标准差%

采用LDM测量SPM所得250～2 000,100～250 μm粒级悬液PSD,各土壤类型的平均结果见图2。在黑土、褐土和紫色土的250～2 000 μm粒级悬液中,LDM测得的250～2 000 μm颗粒平均占比分别为70.1%,34.6%,57.3%。除检出2.5%～4.3%直径>2 000 μm的颗粒外,其余颗粒均分布在<250 μm的各个粒级中(图2A)。其中,黑土主要集中在<10 μm的3个粒级,占比总和为18.4%; 褐土则多分布在<100 μm的各粒级,以20～53 μm粒级含量最高,对应占比16.8%; 紫色土占比较多的是20～250 μm范围内的3个粒级,各粒级占比介于6.8%～9.4%。在3种土壤100～250 μm悬液中,LDM测得的100～250 μm颗粒平均占比分别为58.1%,70.6%,64.0%(图2B)。其余颗粒主要分布在大于该粒级的250～2 000 μm,平均占比分别为33.2%,17.8%,30.1%。

图2 激光衍射法所测3种典型土壤250～2 000,100～250 μm粒级悬液的平均粒径分布

Konert等^[6]利用LDM测量SPM筛分所得天然土壤悬液时也得到了类似的结果,即LDM检出了粒径大于或小于对应筛分粒级的颗粒。然而,当研究对象为规则球形的玻璃珠时,LDM得到的结果与筛分粒径基本一致。因此,造成LDM和SPM结果差异的主要原因在于土壤颗粒的不规则形状。当体积相等时,不规则颗粒的平均横截面积较球体大。LDM基于土壤颗粒的平均横截面积计算等效圆直径,其数值相应大于同体积球体的直径^[2]。湿筛法本身也因土壤颗粒形状不规则而存在误差,可能使等效球直径大于湿筛孔径的颗粒通过筛孔^[19](图3A),从而低估较大粒级的颗粒含量; 也可能使等效球直径小于孔径的板状或盘状颗粒截留在筛网上(图3B),进而高估较大粒级的颗粒含量。

图3 土壤颗粒不规则形状造成的2种湿筛误差

对吸管法吸取的<100 μm各级土壤悬液进行LDM分析发现,随着土壤悬液粒级的减小,LDM所得对应粒级的百分比含量也逐渐降低(表2)。无论黑土、褐土还是紫色土,LDM在<100 μm土壤悬液中检出的<100 μm土壤颗粒均占96%以上; 而在<2 μm悬液中,LDM测得的<2 μm颗粒皆不到70%。也就是说,土壤粒径越小,LDM与SPM所测结果的差异越大,这与刘雪梅^[17]、Sochan^[20]等的研究结果一致。

表2 激光衍射法所测不同粒级土壤悬液中对应粒级颗粒的百分比%

图4展示了LDM所测黑土、褐土和紫色土<100 μm各粒级悬液PSD的平均结果。对于黑土和紫色土<100 μm粒级悬液,LDM测出其颗粒均主要集中在<53 μm的5个粒级,各粒级占比介于15.5%～20.7%。此外,还有少量颗粒分布于100～250,250～2 000 μm粒级,黑土与紫色土对应占比总和分别为3.9%,3.3%。褐土<100 μm粒级悬液的颗粒则以20～53 μm粒级占比最高,为27.8%; <100 μm其余各粒级占比近似,介于12.9%～15.9%; 另有1.6%的颗粒分布在100～250 μm粒级。

随着土壤悬液粒级的减小,对应范围内的各粒级颗粒占比总体呈增加趋势,且各粒级间的比例关系均与<100 μm悬液中类似。例如,在<53 μm悬液中,黑土和紫色土<53 μm的5个粒级占比分别介于17.8%～20.4%,13.2%～23.7%; 褐土以20～53 μm粒级占比最高,为29.0%,<53 μm其余粒级占比介于13.6%～16.8%。LDM在这些悬液中同样检出了大于对应粒级的颗粒,主要分布在其相邻粒级中,且占比随悬液粒级减小而增加。例如,在<53 μm悬液中,黑土、褐土和紫色土>53 μm的颗粒主要分布在53～100 μm粒级,对应占比分别为4.0%,9.7%,3.2%。对于<2 μm悬液,LDM检出的黑土、褐土和紫色土>2 μm颗粒均主要集中在2～5 μm粒级,占比分别增至27.2%,23.9%,29.1%。

导致LDM与SPM结果差异的原因主要在于土壤颗粒并非完美球形,而呈板状、盘状等不规则形状。SPM基于球形假设,根据Stokes公式计算<100 μm各粒级颗粒的沉降时间,以此吸取对应的土壤颗粒。土壤粒径越小,沉降时间越久^[1]。然而,土壤颗粒并非球形,沉降时其最大横截面往往垂直于运动方向,因此所需沉降时间也大于Stokes公式的计算结果,从而使某些颗粒直径被低估,进而划分至更小的粒级。对LDM而言,由于不规则颗粒的平均直径大于同体积的球形颗粒直径^[2],其对土壤颗粒直径的测定结果往往较其等效球直径大,从而使某些颗粒直径被高估,被划分至更大的粒级^[3]。随着土壤粒级的减小,颗粒形状总体更加偏离球形^[6],因形状不规则带来的LDM与SPM差异进一步加大。不同土壤类型的矿物组成不同,直接影响土壤颗粒的大小和形状。因此,LDM与SPM的对比关系往往因土壤类型而异。

图4 激光衍射法所测3种典型土壤不同粒级悬液的平均粒径分布