先巴吉，鄂崇毅，許乃軍

(1.青海師范大學(xué)青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海 西寧 810008；2.青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室，青海 西寧 810001；3.青?？婶斂撕兴睾〖壸匀槐Ｗo(hù)區(qū)服務(wù)中心，青海 德令哈 817000)

引言

土壤粒度組成是土壤物理的重要特征，對土壤含水量、肥力等具有重要影響。此外，粒度分析作為黃土-古土壤、古環(huán)境、古氣候研究的一種重要手段在第四紀(jì)環(huán)境研究中得到廣泛應(yīng)用[1-5]。但由于土壤學(xué)與古環(huán)境研究所關(guān)注內(nèi)容不同，前處理方法不盡相同。第四紀(jì)研究更多地側(cè)重于對原始風(fēng)塵輸入特征的恢復(fù)，故采取較為徹底的前處理方法，例如：鹿化煜等人采用去除有機質(zhì)和碳酸鹽的方法[6-8]，獲取粒度結(jié)果。土壤研究中則采用濕篩-吸管法、篩析法、掃描電鏡等方法來測定土壤粒度的組成[9]，在土壤前處理過程中，由于土壤有機質(zhì)、碳酸鹽等均是土壤重要的固體成分，共同構(gòu)成了土壤的骨架，因此，其粒度特征具有重要指示意義。鑒于青藏高原土壤對區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義，研究該區(qū)土壤粒度特征是了解土壤形成發(fā)育的重要基礎(chǔ)?；诓煌那疤幚矸椒▽Σ煌愋屯寥肋M(jìn)行粒度分析，獲取不同前處理方法下的土壤環(huán)境指示意義對于理解該區(qū)土壤發(fā)育過程意義重大。文章以共和盆地草甸土與荒漠土為例，采用多種前處理方法分析土壤粒度組成特征，并探討其成土意義。

1 研究區(qū)及樣品概況

YQ剖面(35°42' N,100°16' E，海拔2999.7 m)位于共和盆地西南邊緣的河卡山前，為荒漠土壤，剖面頂部植被為芨芨草，YQ剖面環(huán)境指標(biāo)散樣以5 cm間隔共采樣350個，其中6個用于前處理分析。LGR(36°14' N，101°12'E，海拔3565 m)剖面正對北方，位于野牛山山麓的沖積扇上，整個剖面高2.8 m，自上而下以2 cm為間隔采集散樣140個，其中4個用于前處理分析。剖面位置見圖1。

圖1 共和盆地研究區(qū)概況圖

2 實驗方法、原理

選樣：YQ和LGR剖面的樣品自然風(fēng)干，分別混合均勻后過篩20目(0.9 mm)，采用四分法取樣0.3～0.5 g至小燒杯中。每個不同深度的樣品各取4個小燒杯，共測量了40樣次。

方法1：每個不同深度的樣品各選1個小燒杯為原樣，加入10 ml濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑(NaPO3)6，上機測量。

方法2：每個不同深度的樣品各選1個小燒杯去除有機質(zhì)，其中3個樣品加入10ml濃度為10%的H2O2，先置于90 ℃加熱板上反應(yīng)1h，之后調(diào)到150 ℃加熱板上放置5h使其充分反應(yīng)去除有機質(zhì)，加熱過程中適當(dāng)?shù)丶诱麴s水稀釋過剩的H2O2，防止樣品變干，5h過后將燒杯注滿蒸餾水靜置1夜。抽取上清液，注入10 ml濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑(NaPO3)6，上機測量。剩余的7個樣品加入10 ml濃度為10%的H2O2，放置1星期反應(yīng)，每隔1d攪拌1次，1星期過后將燒杯注滿蒸餾水靜置1夜。抽取上清液，注入10 ml濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑(NaPO3)6，上機測量。

方法3：每個不同深度的樣品各選1個小燒杯去除碳酸鹽，加入10 ml濃度為10%的HCl，使其充分反應(yīng)去除碳酸鹽。加入適量蒸餾水稀釋，一方面為了避免鹽酸對儀器的腐蝕，另一方面防止過剩的鹽酸加劇土壤顆粒凝聚。待反應(yīng)完全后燒杯中注滿蒸餾水靜置1夜。抽取上清液，注入10 ml濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑(NaPO3)6，上機測量。

方法4：每個不同深度的樣品各選1個小燒杯去除有機質(zhì)和碳酸鹽，其中3個樣品先加入10 ml濃度為10%的H2O2，置于90 ℃加熱板上反應(yīng)1h，之后調(diào)到150 ℃加熱板上放置5h使其充分反應(yīng)去除有機質(zhì)(適當(dāng)加蒸餾水)，5h過后將溫度調(diào)到80 ℃，加入10 ml濃度為10%的HCl，使其充分反應(yīng)去除碳酸鹽(適當(dāng)加蒸餾水)，其完全反應(yīng)后注滿蒸餾水靜置1夜。抽取上清液，注入10 ml濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑(NaPO3)6，上機測量。剩余的7個樣品先加入10 ml濃度為10%的H2O2，放置1星期反應(yīng)，每隔1d攪拌1次，1星期過后，加入10 ml濃度為10%的HCl，使其充分反應(yīng)去除碳酸鹽(適當(dāng)加蒸餾水)，其完全反應(yīng)后注滿蒸餾水靜置1夜。抽取上清液，注入10 ml濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑(NaPO3)6，上機測量。

本次實驗分析中對2個樣品的不同深度分別用4種方法進(jìn)行前處理和粒度測量，在青海師范大學(xué)自然地理重點實驗室完成實驗。測量所用儀器為英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀，其測量范圍為0.02～2000 μm,進(jìn)樣器為Hydro2000 MU型，帶有超聲波分散功能，可以方便地對樣品進(jìn)行不同時間的超聲波分散，并且可以在測量完某一樣品后繼續(xù)增加超聲波時間，這樣可以用同一樣品進(jìn)行多次測量。實驗結(jié)果編號格式為:樣品名-剖面號-樣品編號，如YQ-50-1代表用上述方法1未做任何前處理只加了分散劑(NaPO3)6。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 粒度測量重復(fù)性檢驗

考慮同一個樣品內(nèi)部是否具有一致性，對LGR和YQ土壤各選1個土壤樣品，選取3份按照上述4種前處理方法，進(jìn)行了3次重復(fù)測量，不同前處理條件下的3次粒度測試均獲得了一致的結(jié)果，表明具有很好的重復(fù)性。鑒于此，在測試其他10個樣品時采用1次測量結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 YQ荒漠土粒度分布特征

結(jié)果分析表明(表1)，粒徑大小和范圍，頻率分布曲線隨前處理方法的不同而呈現(xiàn)出變化。YQ剖面4種前處理方法下表現(xiàn)為較為一致的結(jié)果，即前處理對粒徑的變化影響較小，原樣中值粒徑與有機質(zhì)和碳酸鹽均去除的結(jié)果僅有4 μm左右的差異(表1)。粒度頻率曲線也表現(xiàn)得非常一致，特別是YQ-50,YQ-51,YQ-60和YQ-74這4個樣品不同前處理方法對其結(jié)果無顯著影響(圖2)，但YQ-4和YQ-10不同處理方法下的粒度頻率曲線存在差異，處理后的樣品比未處理的樣品在細(xì)顆粒處明顯增加，這與樣品所處的地層有一定關(guān)系。YQ-4和YQ-10為古土壤地層，有機質(zhì)含量較高，而其他樣品為黃土地層，有機質(zhì)含量較少，在干旱區(qū)的風(fēng)塵沙或黃土的粒度當(dāng)中發(fā)現(xiàn)他的便利非常小。對YQ和LGR剖面有機質(zhì)進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)表明YQ-50有機質(zhì)含量為13.925 g/kg，所以有機質(zhì)對細(xì)顆粒組分的貢獻(xiàn)非常少，因此結(jié)果顯示變化微弱。古土壤層中的有機質(zhì)含量高，黃土層中的有機質(zhì)含量低[2]。有機質(zhì)和碳酸鹽在土壤中扮演了膠結(jié)劑的作用，將細(xì)顆粒的組分膠結(jié)在一起，以粗顆粒團聚體的形式呈現(xiàn)，但隨著有機質(zhì)和碳酸鹽的去除，膠結(jié)劑消失，土壤細(xì)顆粒以獨立顆粒形式呈現(xiàn)，在粒度頻率曲線中就表現(xiàn)為細(xì)顆粒增加。雖然粒度頻率分布曲線都基本一致，呈單峰分布，但是不同前處理方法下所得的中值粒徑是不同的，同一樣品的中值粒徑差異同時也可能反映了不同前處理所得的粒徑范圍差異。

表1 不同前處理方法樣品測量中值粒徑(μm)結(jié)果比較

圖2 不同前處理方法后YQ砂質(zhì)黃土的粒度頻率曲線

3.3 LGR草甸土粒度分布特征

從LGR剖面整體來看，前處理后樣品中值粒徑明顯變小，LGR-02樣品方法2和3的中值粒徑明顯變小(表1)，細(xì)顆粒組分明顯增加(圖3)，LGR-12跟LGR-02的變化趨勢一致。LGR-29經(jīng)過方法2、3、4處理后的中值粒徑發(fā)生明顯變化，細(xì)粒含量更高，平均粒徑、中值粒徑和>63 μm的粗顆粒組分含量顯然降低，而且粒度頻率分布曲線呈雙峰態(tài)，與相應(yīng)的單峰曲線相比，雙峰曲線的主峰位置向細(xì)粒端移動，并且主峰的粒徑百分含量也在降低[2]。LGR-110的4種前處理方法所得的中值粒徑變化較大，方法2和4的中值粒徑大，頻率分布曲線在細(xì)粒端稍有波動變化。在細(xì)粒端還存在一個很小的組分，即超細(xì)粒組分，其平均粒徑大約在0.6 μm左右，致使整體中值粒徑明顯減小，說明樣品中含量最多的粒徑大小在10～100 μm組分中的一部分顆粒轉(zhuǎn)化為更小的顆粒，形成了2個眾數(shù)粒徑為1～10 μm的細(xì)粒組分和0.02～1 μm的超細(xì)粒組分，改變了樣品總體的分布特征。并且圖3還顯示了LGR樣品的有機質(zhì)和碳酸鹽含量的變化，LGR樣品的原樣跟去除有機質(zhì)和碳酸鹽的測量結(jié)果變化突出，頻率分布曲線呈高幅高頻的波動變化，認(rèn)為LGR樣品有機質(zhì)含量較高，比如LGR-28樣品的有機質(zhì)含量為29.90 g/kg,經(jīng)過方法2和3的前處理之后細(xì)顆粒增加。

圖3 不同前處理方法后LGR草甸土的粒度頻率曲線

4 討論

通過對比4種前處理方法測量的結(jié)果，首先可以看出H2O2在粒度前處理中的作用。加H2O2的目的是去除有機質(zhì)，一般認(rèn)為有機質(zhì)會使得顆粒形成團聚體[3]。從YQ剖面所測得的粒度結(jié)果來看，同一深度加H2O2后的中值粒徑和頻率分布曲線圖基本沒有變化，說明去除有機質(zhì)對于沙黃土影響不大，羊曲環(huán)境沙化嚴(yán)重植被覆蓋率低，呈荒漠景觀，剖面中有機質(zhì)含量少，大概在10 g/kg左右。沙質(zhì)粗顆粒一般指示局地風(fēng)沙近源輸入，與大風(fēng)條件下的就地起塵有關(guān)[6]。粒度分布峰度較高、分選較好的粗粒組分，是黃土的主要組成部分，這一組分在成壤作用非常弱的典型風(fēng)成黃土中占70%～90%，在古土壤中約占50%～70%，代表了低空搬運的粉塵物質(zhì)[7]。加HCl的目的是去除碳酸鹽，加HCl后平均粒徑也沒有變化，我們認(rèn)為碳酸鹽會把土壤當(dāng)中的黏粒固結(jié)在一起，但是在羊曲的土壤粒度頻率分布曲線圖當(dāng)中并沒有顯示出特征，可能是這種沙漠的土壤粒度本身粗，碳酸鹽只膠結(jié)了更細(xì)的顆粒組分。而LGR 的剖面加了H2O2和HCl之后粒度頻率分布曲線發(fā)生明顯發(fā)生變化。LGR樣品加了H2O2在細(xì)粒端0.6～10 μm粒徑范圍內(nèi)增加，說明有機質(zhì)在草甸土中扮演了膠結(jié)劑的角色。

通過以上結(jié)果的分析可知，未做任何前處理的土壤粒度測試，基本反映了土壤原樣的質(zhì)地，但由于是采用濕法測量，對易溶鹽具有去除作用，建議隨后的工作中可采用干法測量其粒徑組成，更加真實有效地還原土壤質(zhì)地。去除有機質(zhì)的樣品主要反映土壤礦物的粒徑組成情況，由于有機質(zhì)扮演膠結(jié)劑作用，有機質(zhì)的去除會導(dǎo)致土壤細(xì)顆粒組分在粒度頻率曲線上的相對增加，采用該前處理方法，粒徑組成中小于10 μm可間接地反應(yīng)該區(qū)土壤中有機質(zhì)含量的相對大小。去除碳酸鹽礦物的前處理方法表明碳酸鹽也扮演膠結(jié)劑作用，但不明顯，在土壤粒度研究中，單獨去除碳酸鹽環(huán)境指示意義不清楚，建議在實際應(yīng)用中不采用此類前處理方法。碳酸鹽和有機質(zhì)都去除的方法剔除了兩個不穩(wěn)定組分，保留了能夠保存原始沉積信息的組分，在當(dāng)前古環(huán)境重建中應(yīng)用廣泛，但在土壤研究中應(yīng)用需要慎重，應(yīng)按所需研究內(nèi)容來確定合適的前處理方法。

5 結(jié)論

(1)干旱草原地帶由于成壤作用較弱，基本保留了風(fēng)塵沉積階段的特征，未受明顯成土作用影響，對荒漠土在進(jìn)行土壤質(zhì)地研究時可對原樣進(jìn)行直接測量。

(2)草甸土LGR剖面有機質(zhì)扮演了膠結(jié)劑的作用，有機質(zhì)含量越高，細(xì)顆粒組分增加越多，<10 μm組分可作為土壤成壤強度的重要指標(biāo)；此外，有機質(zhì)的存在使土壤細(xì)顆粒以大團粒體的形式存在，增強了土壤的抗風(fēng)蝕能力。

(3)去除碳酸鹽后，中值粒徑和頻率分布曲線的變化存在差異，說明碳酸鹽的膠結(jié)作用可能較弱，但不顯著。

(4)草甸土土壤粒度測試不同前處理方法指示的環(huán)境意義不同，針對土壤研究的不同需求需采用不同的前處理方法。